汽车塑料零部件设计技术研究

陈云锋

（武汉嘉华汽车塑料制品有限公司，湖北武汉 430090）

1.我国汽车塑料件应用现状分析

在汽车行业不断发展过程中，汽车节能减排战略指导下，汽车零部件塑料化成为我国汽车轻量化技术的代表，已经成为汽车节能减排、提升汽车燃烧资源利用率的重要措施，同时也是衡量我国汽车设计水平以及汽车制造水平的重要标准与指标。当前，一些发达国家平均每辆车的塑料零部件使用量已经达到300kg以上，我国目前平均每辆车的塑料零部件使用量仅有130kg左右，可见我国与发达国家相比仍有明显的差距性。轻量化材料应用是我国汽车工业重要发展策略，汽车轻量化是我国汽车产品实现综合工况燃料消耗量下降的重要发展方向。我国汽车设计水平与汽车制造水平不断增强，汽车产品对于塑料使用量也将明显提高，所以汽车塑料零部件设计与制造水平要求提高，以塑料材料代替金属材料也是我国汽车轻量化发展目标以及我国汽车零部件行业未来发展趋势。不仅如此，从我国当前的技术条件来看，汽车动力电池储能受到一定限制，而新能源汽车轻量化建设效果会直接影响汽车续航里程数。将轻量化技术应用到新能源汽车领域，能够将汽车自重减少10%，电子能源消耗量下降5.5%，汽车续航里程也将增加5.5%。所以，新能源汽车不断推广形势下，对于轻量化汽车零部件有了更高的要求与需求。

2.我国汽车塑料件发展趋势分析

实际上，汽车塑料件是汽车行业的上游行业，同时也是汽车工业发展的基础性条件，而汽车行业下游为整车装配行业以及汽车维修服务行业。我国汽车塑料件行业的运用和发展与汽车整车装配行业、汽车维修服务行业的发展情况息息相关。我国最近几年整车消费市场与汽车服务维修市场发展速度非常快，汽车塑料件行业迅猛发展，发展形势也非常好，并且处于转型升级阶段，使汽车塑料件行业逐渐向专业化发展。从市场竞争角度来说，我国汽车塑料模具行业在中低档模具产品供应方面能够达到自给自足的状态，可是对于精密度比较大、结构比较复杂、寿命比较长模具的高档模具产品主要从国外进口，在目前国内的市场结构中，有40%以上的高档模具都要从国外进口。我国模具行业技术在不断的优化、创新、发展中，相关产品的层次以及配套加工能力水平也有明显的提升，国际主机厂供应链体系已经逐渐转向国内，使国内一些占据优势的企业有了更多的发展空间以及更多的高档模具产品市场。国内一些企业具备中高档汽车塑料件模具制造实力以及技术能力，逐渐形成替代进口产品的趋势，并且我国目前汽车模具企业市场竞争力低的局面也有所转变[1]。在今后的发展中，我国汽车塑料件模具制造行业在行业基础性以技术前沿性方面加大投入力度，用来满足汽车等行业的中高端汽车塑料件的需求。

实际上，汽车轻量化作为提升汽车安全性、舒适性以及节能性最直接有效的策略方式，塑料是实现汽车轻量化与汽车环保化的最佳替代材料。汽车塑料化转变趋势使汽车塑料零部件的生产要求逐渐升高，同时也带动了汽车塑料模具产业发展。在汽车行业市场竞争形势越来越激烈，我国汽车企业在新车投放以及旧车改型方面都投入力度不断加大，并且周期也在逐渐缩短，汽车车型不断更新，加快了对汽车塑料模具行业与配套产品市场需求。汽车轻量化已经成为当前汽车行业节能减排工作的关键内容，所以我国汽车制造行业在汽车轻量化发展带动下逐渐塑料化。在汽车塑料化策略逐渐推进，汽车塑料零部件应用范围逐渐扩大，使我国整体汽车零部件行业迎来发展新形势，发展形势一片大好。相关数据显示，如果汽车的自重能够降低10%，汽车在行驶过程中的燃油消耗量能够减少6%～8%，而二氧化碳的排放量能够降低5%～6%。因此，在节能减排策略要求下，汽车轻量化逐渐推广与应用，而塑料材料具备成本低、密度低等特点，汽车塑料零部件的应用能够有效降低汽车自身重量。

3.汽车塑料零部件设计流程分析

3.1 产品造型

汽车塑料零部件造型设计我们又称作是工业造型，汽车塑料零部件造型设计主要是通过专业化的造型设计软件确定塑料零部件的外观效果。通常情况下，汽车塑料零部件对于外观效果有一定的要求，一般情况下在汽车整体造型设计方案确定后，对于汽车外观有影响的装饰部件也会随之确定产品造型设计方案。

3.2 初步设计

在汽车塑料零部件设计过程中，要全面化、精准化的进行汽车塑料零部件类型分析，并明确零部件之后的使用用途，这也是进行汽车塑料零部件产品开发工作的基础工作，也是汽车塑料零部件产品开发中最重要的环节。模具配套企业应该与主机厂加强沟通，明确了解产品的性能，在详细分析汽车塑料零部件最终性能的前提下进行材料的初选。

3.3 CAE软件分析

在汽车塑料零部件设计方案初步确定之后，要以生产加工工艺为切入点，积极听取不同部门的意见与建议，进行汽车塑料零部件设计方案优化与完善。利用CAE软件进行汽车塑料零部件设计结构分析，并利用相关软件进行该产品的流动、保压、冷却和翘曲分析，以便更好地确定浇注系统与冷却系统等。如果分析结果显示该产品各项指标不符合生产要求，要及时根据实际设计要求进行塑料零部件设计结构修改，或者进行模具设计方案修改。汽车塑料零部件设计 人员要全面考察汽车塑料件成型加工过程中各项因素对于零部件设计的影响，研发的汽车塑料零部件产品的形状也要具备一定的可塑模性。

3.4 模具设计

汽车塑料零部件设计方案在CAE软件分析结束后，应展开模具详细结构设计，其中包含模具型腔设计、浇注系统布置与尺寸等。不仅如此，还要进行模具生产设备选择，选择合理的模具材料，利用最适当的加工方式等。

3.5 试制、测试、评价

在汽车塑料零部件设计工作中，试制、测试、评价阶段是真正的实践阶段。之前的设计工作主要是进行理论化设计，虽然CAE软件能够进行塑料零部件设计生产模拟与改进，可是在实际生产时也会出现一些无法预料的因素与影响。所以，该阶段是理论付诸实践的阶段，需要根据汽车塑料零部件设计方案来制造一个模型，以此来验证设计方案的可行性。

3.6 设计图纸、NC代码

在汽车塑料零部件设计工作中，该阶段是通过CAE软件来展开数控加工模拟，能够自动生成模具的型腔与型芯的NC代码。获取汽车塑料零配件装配模型，并及时存入设计数据库中，可以为之后的设计工作提供一定的参考数据。假如有模具配套厂家，还要适应工厂的生产需求，转换成为详细的设计图纸，其中要包含不同角度视图、详细的尺寸标注、物性计算等。

4.汽车塑料零配件设计要求与关键技术

汽车塑料零配件生产过程中，零部件的形状设计以及塑模过程相对比较复杂，导致汽车塑料零配件设计工作难度有所提升。从实践角度来说，汽车塑料零配件设计工作不仅要符合零配件的功能要求，而且应满足美学角度要求。同时，还应便于塑模成型，设计难度明显加大。

4.1 汽车塑料零配件强度设计

进行汽车塑料零配件设计需要进行强度试验。根据汽车塑料件实际的载荷情况主要分为以下几种：短期载荷、长期载荷、温度载荷、循环载荷以及冲击载荷等，具体来说主要有以下几个方面：

汽车塑料零配件需要承受反复或是循环载荷情况下，应进行循环载荷试验。我们将塑料件负载情况下在使用寿命中能够承受的次数称作是材料疲劳特性。在汽车塑料零配件生产中，进行皮带轮、皮带以及塑料活塞环等零配件设计时，要全面考虑材料疲劳特性因素。在汽车塑料零配件进行循环载荷试验中，要关注3个问题：首先，汽车塑料零配件承受短距离与反复载荷之间的长期疲劳，可以利用疲劳曲线进行设计。其次，汽车塑料零配件要重点关注圆角设计，来防止应力集中化。再次，汽车塑料零配件在处于高频率或是高反叛的周期性负载期间，能够降低热量，同时使用寿命会明显缩短，要适当进行薄壁设计，使用抗疲劳导热材料能够有效改善塑料零部件的散热性能。

汽车塑料零配件设计中的冲击载荷主要是指零配件对于高速冲击的负荷能力，冲击载荷通常情况下加载速度要比其他机械性能测试速度要快，要防止在高应力区施加高速负荷以及冲击性负荷。

实际上，汽车塑料零配件对于温度的敏感度要比金属零配件要高。对于汽车塑料零配件来说，温度变化对于整个零配件的尺寸以及力学性能都有直接性的影响。例如：在进行汽车仪表板设计时应考虑温度载荷问题，并且汽车后保险杠设计工作中要注意排气管附近位置对于高温气体的承受力。汽车在处于低温行驶状态中，汽车的前后保险杠、轮罩等零配件都会受到不同程度的低温负荷，在这些零配件设计时应考虑使用环境因素。要遵循汽车塑料零配件模具温度曲线，同时也要尽可能地避免不同热膨胀系数材料组合使用。汽车塑料零配件的膨胀余量应保留在自由端位置。

4.2 汽车塑料零配件可制造性设计

对于汽车塑料零配件来说，强度设计是进行塑料零配件设计与生产的基本要求，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。通过适当的进行塑料零配件结构修改，能够有效降低模具难度，进一步降低汽车塑料零配件的生产成本[2]。影响汽车塑料零配件可制造性的因素包括工艺孔设置、账件设计等，要特别注意汽车塑料零配件设计的圆角与壁厚。在汽车塑料零配件中，内表面与外表面的拐角处应设计为圆角，使整个零配件的机械强度与外观的美观度都得到明显提升，避免汽车塑料零配件拐角处由于受力过大导致的损坏形成裂纹，甚至会出现断裂问题。汽车塑料零配件的壁厚应该是均匀的，假如塑料零配件壁厚不均匀，填充熔体将会趋于厚截面流动，容易出现流动效应，造成气泡或熔接线，进而导致汽车塑料零配件的表面出现瑕疵。汽车塑料零配件在喷出后需要冷却至低温，要长时间的冷却并且要更长时间的保持。假如塑料零配件厚壁区域没能给予足够的压力，将会出现气孔和凹坑，因此汽车塑料零配件设计时应注意壁厚，设计壁厚均匀的塑料件，缩短塑料件的形成周期，提升汽车塑料零配件尺寸稳定性。假如汽车塑料件是薄壁，没能达到零部件的强度设计要求，可以利用加强筋来提升塑料零部件的强度。

4.3 汽车塑料零配件可装配性设计

汽车塑料零配件设计中要尽可能地减少单个塑料零配件地数量，降低汽车塑料零配件地装配数量。可是，塑料零配件地几何形状相对比较复杂，处理难度比较大，可塑性会比较低。因此，我们在实际地汽车塑料零部件生产过程中要考察各方面地因素影响，控制生产成本，所以几何形状比较复杂地塑料件可以制作分离地单件，之后进行耽误组合。汽车塑料零配件具备多种的装配方式，必然压力装配、搭扣装配等[3]。其中，压力装配作为相对比较简单地汽车塑料零配件装配形式，不需要其他的部件或者紧固件，只要一部分压入另外一部分中就可以进行装配。压力装配的特点是汽车塑料件装配部分或者镶件应大于匹配零配件孔的最大公差尺寸，并且能够有效配合，具有一定的契合度。汽车塑料零配件压力装配要取得必要的压力合成力，并且不会因为应力过大进而导致裂纹问题，亦或是因为应力过小而导致装配不合理而松动。

5.结语

我国当前国民经济与国民生活水平不断提高，汽车销量不断升高。在汽车行业发展的同时，汽车零配件行业、汽车维修行业等不同产业都得到有效发展。社会经济发展带动汽车销量，使汽车零配件生产行业得到了更大的发展空间。我国当前的汽车塑料零配件生产企业受到来自国外企业的竞争压力，我们要加强对于国外先进化、现代化设计理念以及设计技术的学习与应用，积极总结经验，提升自身的设计能力以及设计水平，提升自身自主研发产品的能力，进一步提升汽车塑料零配件设计生产企业的市场竞争力，并促进我国汽车生产行业可持续发展。