长玻纤增强PP材料脚踏板的研制开发

李菁华 杨兆国 金文杰 刘 敏 罗 浩

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

1 前言

目前，商用车脚踏板大量采用铝制材料，铝制脚踏板成型难度大，质量重且成本较高。为更好地实现汽车零件的轻量化，考虑采用强度较高、成型容易的长玻纤增强PP材料替代铝制材料。为此，对国内外的长玻纤增强PP材料进行了多项性能测试，从中选择适宜的材料试制了脚踏板，并对其进行了老化性能试验、疲劳寿命试验及25万km装车道路试验。

2 材料的选择

与金属材料和热固性复合材料相比，以聚丙烯树脂为基材的不同纤维增强的热塑性复合材料具有密度低、质量轻、比强度高、耐腐蚀、易成型且周期短、冲击韧性好、可再生利用等特点。

目前，汽车中的塑料部件多采用短纤维增强热塑性塑料。在短纤维增强热塑性塑料的制造过程中，通常采用螺杆注射成型的普通工艺，纤维在挤出机中与树脂混炼时，由于螺杆和机筒之间的剪切，纤维受到损伤而由原来的6 mm长变成0.2～1 mm（一般在0.7 mm以下）长。由于增强塑料的性能与纤维长度有关，所以短纤维很难用于结构件。

为此，开发了长玻纤增强聚丙烯及其注射成型技术，制备出增强玻纤长度约为10 mm的聚丙烯原料，保证了制品中的玻纤长度为3～5 mm，是采用普通工艺所得玻纤长度的10倍，制品的抗冲击强度可提高3倍。

长玻纤增强材料的制造方法有粒料法和直接法两种。粒料法是先制成半成品粒料，然后再用粒料成型为制品；直接法是在生产线上配混玻璃纤维、塑料及添加剂后直接成型为制品，省去了制作粒料的中间环节。由于直接法对生产设备要求较高，因此本文采用粒料法生产长玻纤增强材料。

粒料法生产的长玻纤增强材料早期曾采用电缆式包覆法生产粒料，但目前比较先进的工艺是拉挤工艺技术。在拉挤工艺生产过程中，玻璃纤维被强制散开，使每根纤维都被覆树脂，因而在注射成型时纤维受螺杆的损伤降到最低程度。与常规的短纤增强材料不同，长玻纤增强材料中的长纤维相互缠绕形成了纤维骨架，能更好地限制各向异性收缩，显著降低翘曲。本文采用拉挤工艺生产长玻纤增强粒料。图1为粒料中纤维的分布方式。

因脚踏板的设计为镂空设计，所以只有保证纤维的均匀性才能保证零件的耐负荷性，且保证玻纤不会产生外露现象。由于脚踏板承载踩踏负荷，受较大的冲击力，因而对材料的机械强度要求较高。表1为测试的不同材料供应商生产的长玻纤增强PP材料的性能数据。其中，RTP和TICONA提供的长玻纤增强材料性能稳定、机械强度较高，能够满足脚踏板制件的使用要求。为此选择了TICONA提供的40%长玻纤增强PP材料进行下一步的产品成型，并对产品性能、生产工艺和产品质量等进行试验。

表1 不同材料供应商生产的长玻纤增强PP材料性能

3 产品结构设计

产品结构设计方案的关键是不仅要保证外观质量，而且能够使产品最大限度地分散承载载荷，保证制品在注塑生产中玻纤分布均匀，减少应力集中点的存在，提高制品的使用寿命。

由于所研制的长玻纤增强PP材料脚踏板要代替原金属制件，因而必须保证其与金属制件的可互换性，所以其结构设计以金属脚踏板的外形尺寸为基础，连接点以车架为基准，采用螺钉连接方式。

设计要求为：一级脚踏板需要在侧面加4个孔，用于固定脚踏板装饰罩；一级脚踏板与车身支架管梁连接时留鱼眼坑，且要保证固定点安装部位避开加强筋；二级脚踏板安装点的设计应保证增大脚踏板与车身支架的连接强度。由于脚踏板的使用工况为经常踩踏承载，因此其结构设计既要考虑减重，又需考虑增加强度。根据以上要求，设计了U型槽与刚性直边交叉结构脚踏板，如图2所示。

由于脚踏板承载时固定点位置的扭矩较大，易产生裂纹，因此根据样件的使用要求，设计了一种新的连接方式——后嵌装螺母结构（见图3）。与预埋螺母工艺相比，此结构具有操作简便、易装配、省时、生产效率高、适合大批量生产等特点，而且为保证样件的强度，在安装点附近进行局部加厚，使用平垫片、方螺母卡口安装。

4 长玻纤增强PP材料脚踏板成型工艺试验

通过MFlow流动性分析，根据长玻纤材料的特点，采用侧进胶、直冲式圆柱形浇口制做了长玻纤增强PP材料脚踏板模具。图4为试制用二级脚踏板模具照片。

利用模具试制产品，对第1轮和第2轮注塑的产品进行了负荷压力试验，但被试产品的承载负荷未达到预期要求，因此对产品设计进行了改进：将外围U型梁的总宽度从18 mm增加到20 mm，以提高外侧边的受力强度；将外侧边的料厚从4.3 mm增加到5.3 mm，加大了外侧边与U型内筋板的厚度差，以有效防止表面收缩痕；原设计方案的5个装配孔位置偏下，受力时易产生应力裂纹，为此将装配孔位置提高了5 mm，以提高承载力；加大了U型槽与刚性直边交叉处的交角弧度，以解决应力集中问题；将产品的脱模斜度增大到1°，使产品脱模更加容易。

在试制基地进行了产品成型工艺试验，并经过几轮调整后生产出工艺合格的脚踏板产品，获得了稳定的工艺参数，见表2。

表2 工艺参数

脚踏板成型工艺试验结果表明，成型工艺性稳定，工艺参数易调整及控制，产品质量可靠，安装点位置无偏差，能够满足产品的安装要求。

5 产品性能试验

为验证所研制的脚踏板是否满足产品的使用要求，对样件进行了各项性能试验。

5.1 老化性能试验

老化性能试验条件及结果如表3所列。

表3 老化性能试验结果

经检测，所研制的脚踏板在耐热性、耐寒冲击性、耐气候老化性、耐热老化性、耐溶剂性、耐冷热交变性等方面均未出现异常现象，产品性能优异。

5.2 疲劳寿命试验

采用MTS零部件试验台15 kN作动器进行了脚踏板的疲劳寿命试验。通过对实车踩踏工况的分析，制订的疲劳寿命试验条件为：位移控制精度（静态）为0.5%F.S，疲劳试验载荷方波为0～1 600 N，疲劳试验频率为10次/min。脚踏板固定加载方式如图5所示。

经过设定的10万次疲劳寿命试验后，脚踏板未出现异常缺陷，试验次数增加至20万次后仍未出现损坏现象。由此可见，长玻纤增强PP材料脚踏板完全能够满足使用工况。

5.3 装配及道路试验

经过25万km的工地路及省道公路的道路试验，未发现所研制脚踏板发生变形、开裂、磨损、滑脱等异常使用情况；该制件状态与初始装配制件基本一致，未发现变形、变色、粉化、龟裂等异常情况，四周固定点装配位置均未见损坏或异常变化。

6 结束语

对国内外数种长玻纤增强PP材料进行了性能测试，并对该材料的成型工艺及制品性能等进行了综合评价。结果表明，所研制的长玻纤增强PP脚踏板产品性能达到了标准要求；长玻纤增强PP脚踏板质量为0.7 kg，铝制脚踏板质量为1.5 kg，长玻纤增强PP脚踏板实现了降重50%、成本降低20%的目标。

1 胡朝晖，姜勇，郭飞飞.玻纤增强PP复合材料的制备及其性能研究.塑料工业，2011，39（11）：35～36.

2 李金钊.玻纤增强聚丙烯料的研制.工程塑料应用，1997，25（3）：13～16.

3 申欣，孙文强，李艳霞，等.高抗冲玻纤增强聚丙烯的研制.工程塑料应用，2001，29（10）：8～10.