新材料与工艺手册

[轻量化设计] 薄壁化技术在汽车保险杠上的应用探讨

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发表于 2020-8-17 15:11:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】薄壁化技术在汽车保险杠上的应用探讨
房彦明
(诺博汽车系统有限公司天津分公司,天津300451)
摘要:轻量化是汽车行业深化发展的必然趋势,薄壁化技术在汽车零部件轻量化方面起到促进作用。因此,本文从不同角度入手客观探讨了薄壁化技术在汽车保险杠上的应用,保证汽车保险杠运行安全的同时实现轻量化,提高汽车运行的节能性与经济性。
关键词:薄壁化技术;汽车保险杠;应用;探讨
0 引言
安全、环保、节能是当下汽车工业发展中三大关键性话题[1],汽车轻量化是不可忽视的重要策略。与此同时,保险杠是汽车运行中必不可少的安全件、外观件,要在细化分析的基础上从材料、结构、制造工艺等层面入手,灵活应用薄壁化技术的同时优化汽车保险杠设计,在控制保险杠重量的基础上有着较高的安全性、装饰性、功能性,持续改进汽车质量的同时实现综合效益目标。
1 汽车保险杠壁厚发展趋势与薄壁化技术的应用优势1.1 汽车保险杠壁厚发展趋势
根据世界铝业协会的报告:汽车自身重量每减少10%,汽车燃油消耗可以降低6%到8%,排放量可以降低5%到6%。保险杠是现代化汽车不可或缺的部件,随着汽车工业全面以及深层次发展,保险杠已被提出全新的要求,实现多样化功能作用的同时要具有鲜明的轻量化特点。在科技发展过程中,汽车保险杠壁厚也在动态变化,20世纪70到80年代,汽车保险杠壁厚大都在4mm以上,20世纪90年代到2003年,汽车保险杠的壁厚范围大都为3到4mm,2003年到2012年,汽车保险杠的壁厚范围大都为2到3mm,2012年到现在,小于2mm是汽车保险杠壁厚发展的趋势。
1.2 薄壁化技术在汽车保险杠上的应用优势
薄壁化技术深化发展的同时多方面优势作用明显,将其应用到汽车保险杠是可行的,在保证汽车保险杠运行安全以及质量的基础上对其进行合理化薄壁处理,在不改变保险杠原材料密度的基础上减小壁厚,保险杠重量也会发生明显的变化,比如,保险杠壁厚由3mm减到2.5mm,保险杠减重15%;保险杠壁厚由3mm减到2.2mm,保险杠减重超过20%[2],减轻重量的同时还能减少应用到汽车保险杠中的材料。在此过程中,汽车保险杠注塑成型的周期受到填充时间、冷却时间、开模时间等影响,冷却时间又和保险杠壁厚有着直接联系。薄壁化技术的科学应用可以减小汽车保险杠壁厚,冷却时间也会明显缩短,模具型腔空间也会减少,缩短汽车保险杠生产周期的同时生产效率明显提高。薄壁化技术的应用可以降低汽车保险杠制件的收缩率,提高保险杠的尺寸稳定性,解决和车身装配中呈现的尺寸匹配问题,提高汽车整体结构性能以及运行效果。
2 薄壁化技术在汽车保险杠上的具体应用2.1 薄壁化技术应用中对汽车保险杠材料的要求
薄壁化技术应用到汽车保险杠的优势作用体现在多个方面,但在具体应用过程中对保险杠材料有一定的要求。首先,汽车保险杠材料要具有较高的流动性,将壁厚减薄对成型温度、注塑压力等的影响最小化,在成型以及模具温度、注塑压力不变的情况下[3],模具型腔可以迅速被高流动性的材料充满。其次,汽车保险杠材料要具有较高的模量。汽车保险杠壁厚减薄的同时刚度也会有所降低,需要优化保险杠的结构体系,应用到保险杠中的材料也要有着较高的模量。最后,汽车保险杠材料要具有较高的韧性。保险杠在汽车运行过程中起到多样化的作用,比如,缓和外界的冲击力,防护车身前部的安全装置,这就要求保险杠材料的韧性要高,在流动性、韧性、冲击性等相互作用下保证材料质量,满足汽车保险杠性能要求。相应地,表1是薄壁化材料、传统材料二者性能对比情况。
表1

2.2 汽车保险杠薄壁化设计
2.2.1 壁厚设计
汽车保险杠薄壁化并不是表示所有位置的壁厚都要特别薄,要在优化应用薄壁化技术基础上针对保险杠结构性能、安全系数、材料性质等,规范化设计各个部位的壁厚,将厚度控制在规定的范围内,比如,局部翻边位置的壁厚不能太薄,而主体面不能太厚。壁厚过渡位置要具有较高的均匀性,尽可能拉长对应的过渡区间,以3倍壁厚长度最佳[4]。在壁厚设计过程中,要注意流动通道变化,动态控制压力损失以及注塑各个环节,避免注塑的制件表面凹凸不平,要控制好制件的设计壁厚、实际壁厚,通过测量、调整等,将模具加工中呈现的误差控制在规定范围内。
2.2.2 卡扣、加强筋与翻边设计
在应用薄壁化技术过程中,汽车保险杠的壁厚会减薄,卡扣、螺丝柱等位置的壁厚也需要根据实际情况进行针对性调整,优化设计卡扣的同时避免制件表面出现大量的缩痕。增设加强筋是提高汽车保险杠机械性能的重要手段,要在薄壁化技术作用下,准确把握加强筋分布的位置,科学设计加强筋的同时避免出现应力集中、收缩不均匀等问题,在发挥加强筋功能作用基础上促使汽车保险杠运行中有着较高的机械性能。此外,通常情况下,汽车的保险杠都存在不同类型的翻边,要在薄壁化技术应用中科学设计翻边,在应用防缩槽基础上合理减薄翻边、壁面二者连接处的壁厚,防止翻边位置出现明显的缩痕。
2.3 汽车保险杠薄壁化设计的问题与解决对策
2.3.1 表面缺陷
表面缺陷是汽车保险杠薄壁化设计中常见的问题,比如,保险杠表面出现虎皮纹、流痕[5],主要是因为在注塑冲模的时候,材料会流经薄壁的型腔、卡扣位置等,会受到较大的剪切力,明显大于常规的模具,材料中不具有较好相容性的组成成分将会分离,保险杠表面也会出现缺陷问题。在解决表面缺陷问题中,需要深化把握保险杠材料的流动性、力学性能等,在应用方法、技术过程中优化材料组成成分,提高相容性以及材料的整体性能,对保险杠表面极易出现流痕等缺陷问题的位置进行针对性处理。
2.3.2 翘曲变形
汽车保险杠薄壁化设计中出现的翘曲变形问题和释放的应力、制件收缩率、冷却时间、结晶速度等密切相关。针对汽车保险杠薄壁化设计具体要求以及关键点,以翘曲变形严重程度为出发点,在合理调整模具的设计方案以及保险杠材料的收缩率、注塑的工艺参数等基础上动态控制收缩率,在调整注塑压力、脱模力等过程中将应力系数控制在规定范围内,高效解决翘曲变形问题。
2.4 缺胶和飞边
缺胶、飞边都是汽车保险杠薄壁化设计中不可忽视的问题。缺胶主要是在注塑成型的时候,模具的型腔没有被材料完全填充。随着保险杠的壁厚不断减薄,熔体的流动阻力持续增大,熔体、模具二者温度明显降低,熔体粘度增大,出现熔体滞流、注射时间延长等情况,导致熔体没有在规定的时间内凝固,出现缺胶问题,也可以叫做填充不足问题。飞边主要是因为注塑压力超过规定范围,模具的闭合效果不好。针对薄壁化技术应用要求以及汽车保险杠运行性能,联系各方面实际的同时动态控制薄壁化设计中熔体、模具二者温度,包括注塑的时间、注射的压力,最大化提升模具配合的精准程度,在源头上高效处理缺胶以及飞边问题。此外,针对汽车保险杠薄壁化设计中呈现的翘曲变形、表面缺陷等问题,进一步优化薄壁化技术应用的各个环节,在发挥效能基础上改进汽车保险杠的结构体系,在保险杠及其材料性能提升基础上提高汽车整体运行效果,保证汽车保险杠薄壁化设计质量,促使薄壁化技术更好地应用到整车轻量化设计中,在减轻重量、提高安全系数、降低能耗、减少成本等过程中提高汽车运行的综合效益。
3 结语
总而言之,保险杠是汽车轻量化实现的重要方面,要在把握性能要求的基础上探索新思路、新方法的同时高效应用薄壁化技术,减轻保险杠重量的同时优化完善保险杠结构体系,在能耗、运行成本高效控制过程中充分发挥保险杠功能作用,最大化提高汽车运行效率以及效益。
参考文献:
[1]李智,李凯,焦金鹤,张闯.一种薄壁化保险杠设计研究[J].汽车实用技术,2017(23):1-3.
[2]谭飞,王旭飞,焦登宁,张重阳,王蒙.某微型电动汽车保险杠结构优化及仿真分析 [J].陕西理工大学学报(自然科学版),2019,35(06):22-26,47.
[3]张世湖,吕伟妮,陈俊,熊希平,黎胜钦.汽车塑料保险杠模态分析及其结构优化[J].汽车实用技术,2019(12):91-95.
[4]程健,刘凯,黄家奇.某车型薄壁化保险杠的Moldflow分析[J].汽车实用技术,2018(06):102-104.
[5]王镇江,何造,龚世海,马泉,韦永乐.汽车塑料保险杠的薄壁化技术[J].汽车实用技术,2017(04):51-53,61.


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