基于强度方面汽车塑料零部件的设计与关键技术概述

李俊

摘要：在汽车部件中使用塑料材料有利于整个车辆的低重量并降低生产成本，提高汽车的经济性。本文基于强度方面对汽车塑料零部件的设计与关键技术做了简要的概述，希望给人们在今后的工作中提供一定的参考与借鉴意义。

关键词：强度方面 汽车 塑料 零部件 设计 关键技术

引言

在中国塑料行业快速发展的同时，汽车塑料件设计技术的发展，应用和设计理论与设计方法也相对滞后，对于许多复杂的进口塑料汽车零件，只能采用相应的逆向工程方法。这种方法非常被动，没有自己的研发力量，很难创新。特别是精密注塑模具的设计和处理与国外的产品技术相差较大。注塑模因其广泛的应用和制造的复杂性引起了各种塑料模具的广泛关注，下面就强度方面对汽车塑料零部件的设计和关键技术做简要叙述。

1.设计要求与关键技术

1.1汽车塑料零部件的设计要求

汽车塑料零部件的形状及其塑模过程十分复杂，这使得汽车塑料零部件的设计成为一项非常困难的工作。事实上，要把汽车塑料零部件设计得既符合功能要求又要满足美学要求，还要便于塑模成型，其难度非常大。当然，设计要求也非常多。在本节中将对各种设计要求加以整理，最终归纳为最主要的四类：强度设计要求、与制造有关的设计要求、与装配有关的设计要求、用于汽车的特殊设计要求。

1.2强度设计要求

在设计塑料部件时，控制破坏性能的成功通常取决于塑料部件强度的准确预测。 根据塑料部件的不同负载条件，负载可以细分为五类：短负载，长负载，循环负载，冲击负载和温度负载。 在设计汽车塑料零件时，首先要考虑的是强度设计，这与以下几个方面不同。

（1）短期应力一应变行为

短期负荷是指塑料件在搬运、组合和使用时施加的负荷。例如，车门把手在开关门时受到的作用力，各种仪表齿轮在工作时所承受的载荷等。其设计一般参考材料的应力与应变图。这一点和金属零部件的设计类似。但与金属材料相比，塑料的抗应变能力非常低，尤其是在高温下。在设计时应主要考虑以下两点：

（a）应力一应变关系，按照材料的应力一应变曲线进行强度设计；

（b）应充分考虑零部件的使用环境、温度、加工方法、化学环境对机械性能的影响。

（2）长期力学性能

长期力学性能是指在比例极限以内，塑料件长时间承受外力载荷，以及塑料件在成形和组合过程中造成的内应力和残留应力。主要失效形式表现为蠕变和应力松弛。例如，空气滤清器罩由于长时间受到空气挤压，会发生径向蠕变，使直径有所增加；后挡板的挠曲会随着时间的增加而增大；在o形密封压缩时，应力一般应能阻止泄漏，应力松弛作用却使应力不断减小。

（3）循环负荷

当塑料件承受反复或循环载荷作用时，应考虑在其寿命内预计承受负荷的次数，即材料的疲劳特性。在汽车塑料零部件上，各种皮带轮、皮带、轮胎帘布、塑料活塞环等，在设计时必须考虑材料的疲劳特性。塑料件承受循环负荷时，应考虑下列三点建议：

（a）承受短间距和长期间的反复性负荷，应使用疲劳曲线进行设计；

（b）注意圆角的设计以避免应力集中；

（c）承受高频或高振幅的周期性负荷时，会生热而缩短寿命。改用薄壁设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑料件的散热功能。

（4）冲击负荷

冲击强度是描述材料承受高速冲击负荷的能力，冲击负荷的加载速度比通常测试其他机械性能的速度要快得多。应避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷。在各个汽车塑料零部件中典型的承受冲击载荷的零件为前后保险杠。

当设计此类塑料件时需要考虑使用较大的圆角半径及较和缓的厚度变化，以避免应力集中。例如在设计保险杠时，应注意加强筋底部与面罩连接时用圆角过渡，并且整个保险杠的厚度不均匀度应控制在1：1.5-1：2范围内。

（5）温度负荷

与金属零件相比，塑料零件的性能对温度更敏感，温度变化对尺寸和机械性能有显着影响。这里提到的温度负荷包括高温和低温，塑料变软需要溫度，温度越高塑料越软，对于塑料的脆性来说，温度低则塑料更容易变脆。考虑汽车塑料部件的极端高温和极低温度。例如，仪表板必须设计成能承受由发动机辐射的热量引起的热负荷，后保险杠暴露在排气管附近的高温气体的热负荷下。在寒冷天气驾驶时，外部部件，如前后保险杠，车轮罩，发动机进气格栅等，必须能够不同程度地抵抗低温负荷。

2关键技术分析

我国的塑胶模具生产能力还十分有限，高精度的模具主要还依靠进口；日本的模具水平处于世界一流水平。究其原因，我国的模具行业主要还依据设计者有限的经验和比较简单的计算公式进行产品和工艺开发。但是在注射成型生产实际中，塑料熔体的流动性能千差万别，塑料件和模具的结构千变万化，工艺条件各不相同，仅凭有限的经验和简单的公式难以对这些因素作全面的考虑和处理，设计者经验的积累和公式的总结无法跟上塑料材料的发展和塑料件复杂程度及精度要求的提高，因此开发过程中要反复试模和修模，导致生产周期长、费用高，产品质量难以得到保证，对于成型大型塑料件和精密塑料件，问题更加突出。而国外很多工业先进国家，如日本，美国，德国等早己把CAD/CAM/CAE技术引入模具行业从根本上改变了传统的

产品开发和模具生产方式，大大提高了产品质量，缩短了产品开发周期，降低了生产成本，强有力地推动了模具行业的发展。不难发现开发汽车塑料零部件的关键技术主要有两方面：产品的初步设计和CAE分析。详细设计似乎是开发过程中最关键的一环，其实这个过程的难度并不大，只要前期的工作做好了，这个过程对设计人员来说只要按部就班地完成就行。产品的初步设计确定了产品开发过程的基调，为以后的CAE分析和详细设计打下基础。在这个过程中，我们当前的普遍做法是按照经验方法设计.经验固然重要，但是随着当前材料技术的快速发展，很多新配方的材料不断涌现。即使经验再丰富的设计者也很难把握好设计的尺度.因此，在这个过程中我们更倾向于用分析方法设计。它主要依靠应力和应变的经典公式和有限元法，充分利用现有三维软件的功能把各个设计细节进行量化。

对于塑料部件，CAE分析主要是指模具流动分析，并在初步设计中完成产品的结构分析。流分析CAE技术分析由数值方法手段的流动，压力和在腔塑料的冷却过程，如有限元法，有限差分法和边界元法，计算出的塑料部件和形状的张力分布，并预测的翘曲产品。曲线的失真，因此，分析的工艺条件下，材料参数和对产品的质量模具结构的影响，以实现优化产品和模具的结构的目的，优选地，在模制过程参数。应用CAE软件时应考虑到分析结果可能无法100%重现所有问题。该应用的重点是有效地提出问题的可行解决方案，以便改善问题的及时性。与通用CAE软件一样，MLC软件可分为三个阶段：预处理，计算和后处理。其中，预处理部分，有限元模型的确定和材料性质的输入是影响分析准确性的最重要因素。

3.总结

在中国加入世界贸易组织的背景下，国内汽车行业塑料零件制造商将不可避免地面临强大的外国竞争对手的强大挑战。 只有充分学习国外先进的设计方法和设计理念，总结国内设计经验，我们才能不断提高设计能力，有能力自主开发新产品，在激烈的竞争中站稳脚跟。

参考文献：

[1] 董跃农.轻武器装备第四次浪潮：消防单兵系统[M].北京：国防工业出版社，2006.