汽車塑料零部件設計技術研究

陳云鋒

（武漢嘉華汽車塑料制品有限公司，湖北武漢 430090）

1.我國汽車塑料件應用現狀分析

在汽車行業不斷發展過程中，汽車節能減排戰略指導下，汽車零部件塑料化成為我國汽車輕量化技術的代表，已經成為汽車節能減排、提升汽車燃燒資源利用率的重要措施，同時也是衡量我國汽車設計水平以及汽車制造水平的重要標準與指標。當前，一些發達國家平均每輛車的塑料零部件使用量已經達到300kg以上，我國目前平均每輛車的塑料零部件使用量僅有130kg左右，可見我國與發達國家相比仍有明顯的差距性。輕量化材料應用是我國汽車工業重要發展策略，汽車輕量化是我國汽車產品實現綜合工況燃料消耗量下降的重要發展方向。我國汽車設計水平與汽車制造水平不斷增強，汽車產品對于塑料使用量也將明顯提高，所以汽車塑料零部件設計與制造水平要求提高，以塑料材料代替金屬材料也是我國汽車輕量化發展目標以及我國汽車零部件行業未來發展趨勢。不僅如此，從我國當前的技術條件來看，汽車動力電池儲能受到一定限制，而新能源汽車輕量化建設效果會直接影響汽車續航里程數。將輕量化技術應用到新能源汽車領域，能夠將汽車自重減少10%，電子能源消耗量下降5.5%，汽車續航里程也將增加5.5%。所以，新能源汽車不斷推廣形勢下，對于輕量化汽車零部件有了更高的要求與需求。

2.我國汽車塑料件發展趨勢分析

實際上，汽車塑料件是汽車行業的上游行業，同時也是汽車工業發展的基礎性條件，而汽車行業下游為整車裝配行業以及汽車維修服務行業。我國汽車塑料件行業的運用和發展與汽車整車裝配行業、汽車維修服務行業的發展情況息息相關。我國最近幾年整車消費市場與汽車服務維修市場發展速度非常快，汽車塑料件行業迅猛發展，發展形勢也非常好，并且處于轉型升級階段，使汽車塑料件行業逐漸向專業化發展。從市場競爭角度來說，我國汽車塑料模具行業在中低檔模具產品供應方面能夠達到自給自足的狀態，可是對于精密度比較大、結構比較復雜、壽命比較長模具的高檔模具產品主要從國外進口，在目前國內的市場結構中，有40%以上的高檔模具都要從國外進口。我國模具行業技術在不斷的優化、創新、發展中，相關產品的層次以及配套加工能力水平也有明顯的提升，國際主機廠供應鏈體系已經逐漸轉向國內，使國內一些占據優勢的企業有了更多的發展空間以及更多的高檔模具產品市場。國內一些企業具備中高檔汽車塑料件模具制造實力以及技術能力，逐漸形成替代進口產品的趨勢，并且我國目前汽車模具企業市場競爭力低的局面也有所轉變[1]。在今后的發展中，我國汽車塑料件模具制造行業在行業基礎性以技術前沿性方面加大投入力度，用來滿足汽車等行業的中高端汽車塑料件的需求。

實際上，汽車輕量化作為提升汽車安全性、舒適性以及節能性最直接有效的策略方式，塑料是實現汽車輕量化與汽車環保化的最佳替代材料。汽車塑料化轉變趨勢使汽車塑料零部件的生產要求逐漸升高，同時也帶動了汽車塑料模具產業發展。在汽車行業市場競爭形勢越來越激烈，我國汽車企業在新車投放以及舊車改型方面都投入力度不斷加大，并且周期也在逐漸縮短，汽車車型不斷更新，加快了對汽車塑料模具行業與配套產品市場需求。汽車輕量化已經成為當前汽車行業節能減排工作的關鍵內容，所以我國汽車制造行業在汽車輕量化發展帶動下逐漸塑料化。在汽車塑料化策略逐漸推進，汽車塑料零部件應用范圍逐漸擴大，使我國整體汽車零部件行業迎來發展新形勢，發展形勢一片大好。相關數據顯示，如果汽車的自重能夠降低10%，汽車在行駛過程中的燃油消耗量能夠減少6%～8%，而二氧化碳的排放量能夠降低5%～6%。因此，在節能減排策略要求下，汽車輕量化逐漸推廣與應用，而塑料材料具備成本低、密度低等特點，汽車塑料零部件的應用能夠有效降低汽車自身重量。

3.汽車塑料零部件設計流程分析

3.1 產品造型

汽車塑料零部件造型設計我們又稱作是工業造型，汽車塑料零部件造型設計主要是通過專業化的造型設計軟件確定塑料零部件的外觀效果。通常情況下，汽車塑料零部件對于外觀效果有一定的要求，一般情況下在汽車整體造型設計方案確定后，對于汽車外觀有影響的裝飾部件也會隨之確定產品造型設計方案。

3.2 初步設計

在汽車塑料零部件設計過程中，要全面化、精準化的進行汽車塑料零部件類型分析，并明確零部件之后的使用用途，這也是進行汽車塑料零部件產品開發工作的基礎工作，也是汽車塑料零部件產品開發中最重要的環節。模具配套企業應該與主機廠加強溝通，明確了解產品的性能，在詳細分析汽車塑料零部件最終性能的前提下進行材料的初選。

3.3 CAE軟件分析

在汽車塑料零部件設計方案初步確定之后，要以生產加工工藝為切入點，積極聽取不同部門的意見與建議，進行汽車塑料零部件設計方案優化與完善。利用CAE軟件進行汽車塑料零部件設計結構分析，并利用相關軟件進行該產品的流動、保壓、冷卻和翹曲分析，以便更好地確定澆注系統與冷卻系統等。如果分析結果顯示該產品各項指標不符合生產要求，要及時根據實際設計要求進行塑料零部件設計結構修改，或者進行模具設計方案修改。汽車塑料零部件設計 人員要全面考察汽車塑料件成型加工過程中各項因素對于零部件設計的影響，研發的汽車塑料零部件產品的形狀也要具備一定的可塑模性。

3.4 模具設計

汽車塑料零部件設計方案在CAE軟件分析結束后，應展開模具詳細結構設計，其中包含模具型腔設計、澆注系統布置與尺寸等。不僅如此，還要進行模具生產設備選擇，選擇合理的模具材料，利用最適當的加工方式等。

3.5 試制、測試、評價

在汽車塑料零部件設計工作中，試制、測試、評價階段是真正的實踐階段。之前的設計工作主要是進行理論化設計，雖然CAE軟件能夠進行塑料零部件設計生產模擬與改進，可是在實際生產時也會出現一些無法預料的因素與影響。所以，該階段是理論付諸實踐的階段，需要根據汽車塑料零部件設計方案來制造一個模型，以此來驗證設計方案的可行性。

3.6 設計圖紙、NC代碼

在汽車塑料零部件設計工作中，該階段是通過CAE軟件來展開數控加工模擬，能夠自動生成模具的型腔與型芯的NC代碼。獲取汽車塑料零配件裝配模型，并及時存入設計數據庫中，可以為之后的設計工作提供一定的參考數據。假如有模具配套廠家，還要適應工廠的生產需求，轉換成為詳細的設計圖紙，其中要包含不同角度視圖、詳細的尺寸標注、物性計算等。

4.汽車塑料零配件設計要求與關鍵技術

汽車塑料零配件生產過程中，零部件的形狀設計以及塑模過程相對比較復雜，導致汽車塑料零配件設計工作難度有所提升。從實踐角度來說，汽車塑料零配件設計工作不僅要符合零配件的功能要求，而且應滿足美學角度要求。同時，還應便于塑模成型，設計難度明顯加大。

4.1 汽車塑料零配件強度設計

進行汽車塑料零配件設計需要進行強度試驗。根據汽車塑料件實際的載荷情況主要分為以下幾種：短期載荷、長期載荷、溫度載荷、循環載荷以及沖擊載荷等，具體來說主要有以下幾個方面：

汽車塑料零配件需要承受反復或是循環載荷情況下，應進行循環載荷試驗。我們將塑料件負載情況下在使用壽命中能夠承受的次數稱作是材料疲勞特性。在汽車塑料零配件生產中，進行皮帶輪、皮帶以及塑料活塞環等零配件設計時，要全面考慮材料疲勞特性因素。在汽車塑料零配件進行循環載荷試驗中，要關注3個問題：首先，汽車塑料零配件承受短距離與反復載荷之間的長期疲勞，可以利用疲勞曲線進行設計。其次，汽車塑料零配件要重點關注圓角設計，來防止應力集中化。再次，汽車塑料零配件在處于高頻率或是高反叛的周期性負載期間，能夠降低熱量，同時使用壽命會明顯縮短，要適當進行薄壁設計，使用抗疲勞導熱材料能夠有效改善塑料零部件的散熱性能。

汽車塑料零配件設計中的沖擊載荷主要是指零配件對于高速沖擊的負荷能力，沖擊載荷通常情況下加載速度要比其他機械性能測試速度要快，要防止在高應力區施加高速負荷以及沖擊性負荷。

實際上，汽車塑料零配件對于溫度的敏感度要比金屬零配件要高。對于汽車塑料零配件來說，溫度變化對于整個零配件的尺寸以及力學性能都有直接性的影響。例如：在進行汽車儀表板設計時應考慮溫度載荷問題，并且汽車后保險杠設計工作中要注意排氣管附近位置對于高溫氣體的承受力。汽車在處于低溫行駛狀態中，汽車的前后保險杠、輪罩等零配件都會受到不同程度的低溫負荷，在這些零配件設計時應考慮使用環境因素。要遵循汽車塑料零配件模具溫度曲線，同時也要盡可能地避免不同熱膨脹系數材料組合使用。汽車塑料零配件的膨脹余量應保留在自由端位置。

4.2 汽車塑料零配件可制造性設計

對于汽車塑料零配件來說，強度設計是進行塑料零配件設計與生產的基本要求，而塑料零配件的可制造性通常是指塑料零配件注塑成型的制作可行性。通過適當的進行塑料零配件結構修改，能夠有效降低模具難度，進一步降低汽車塑料零配件的生產成本[2]。影響汽車塑料零配件可制造性的因素包括工藝孔設置、賬件設計等，要特別注意汽車塑料零配件設計的圓角與壁厚。在汽車塑料零配件中，內表面與外表面的拐角處應設計為圓角，使整個零配件的機械強度與外觀的美觀度都得到明顯提升，避免汽車塑料零配件拐角處由于受力過大導致的損壞形成裂紋，甚至會出現斷裂問題。汽車塑料零配件的壁厚應該是均勻的，假如塑料零配件壁厚不均勻，填充熔體將會趨于厚截面流動，容易出現流動效應，造成氣泡或熔接線，進而導致汽車塑料零配件的表面出現瑕疵。汽車塑料零配件在噴出后需要冷卻至低溫，要長時間的冷卻并且要更長時間的保持。假如塑料零配件厚壁區域沒能給予足夠的壓力，將會出現氣孔和凹坑，因此汽車塑料零配件設計時應注意壁厚，設計壁厚均勻的塑料件，縮短塑料件的形成周期，提升汽車塑料零配件尺寸穩定性。假如汽車塑料件是薄壁，沒能達到零部件的強度設計要求，可以利用加強筋來提升塑料零部件的強度。

4.3 汽車塑料零配件可裝配性設計

汽車塑料零配件設計中要盡可能地減少單個塑料零配件地數量，降低汽車塑料零配件地裝配數量。可是，塑料零配件地幾何形狀相對比較復雜，處理難度比較大，可塑性會比較低。因此，我們在實際地汽車塑料零部件生產過程中要考察各方面地因素影響，控制生產成本，所以幾何形狀比較復雜地塑料件可以制作分離地單件，之后進行耽誤組合。汽車塑料零配件具備多種的裝配方式，必然壓力裝配、搭扣裝配等[3]。其中，壓力裝配作為相對比較簡單地汽車塑料零配件裝配形式，不需要其他的部件或者緊固件，只要一部分壓入另外一部分中就可以進行裝配。壓力裝配的特點是汽車塑料件裝配部分或者鑲件應大于匹配零配件孔的最大公差尺寸，并且能夠有效配合，具有一定的契合度。汽車塑料零配件壓力裝配要取得必要的壓力合成力，并且不會因為應力過大進而導致裂紋問題，亦或是因為應力過小而導致裝配不合理而松動。

5.結語

我國當前國民經濟與國民生活水平不斷提高，汽車銷量不斷升高。在汽車行業發展的同時，汽車零配件行業、汽車維修行業等不同產業都得到有效發展。社會經濟發展帶動汽車銷量，使汽車零配件生產行業得到了更大的發展空間。我國當前的汽車塑料零配件生產企業受到來自國外企業的競爭壓力，我們要加強對于國外先進化、現代化設計理念以及設計技術的學習與應用，積極總結經驗，提升自身的設計能力以及設計水平，提升自身自主研發產品的能力，進一步提升汽車塑料零配件設計生產企業的市場競爭力，并促進我國汽車生產行業可持續發展。