汽車塑料零部件設(shè)計(jì)技術(shù)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(yīng)用現(xiàn)狀分析

在汽車行業(yè)不斷發(fā)展過程中，汽車節(jié)能減排戰(zhàn)略指導(dǎo)下，汽車零部件塑料化成為我國汽車輕量化技術(shù)的代表，已經(jīng)成為汽車節(jié)能減排、提升汽車燃燒資源利用率的重要措施，同時(shí)也是衡量我國汽車設(shè)計(jì)水平以及汽車制造水平的重要標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)。當(dāng)前，一些發(fā)達(dá)國家平均每輛車的塑料零部件使用量已經(jīng)達(dá)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(fā)達(dá)國家相比仍有明顯的差距性。輕量化材料應(yīng)用是我國汽車工業(yè)重要發(fā)展策略，汽車輕量化是我國汽車產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)綜合工況燃料消耗量下降的重要發(fā)展方向。我國汽車設(shè)計(jì)水平與汽車制造水平不斷增強(qiáng)，汽車產(chǎn)品對于塑料使用量也將明顯提高，所以汽車塑料零部件設(shè)計(jì)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(fā)展目標(biāo)以及我國汽車零部件行業(yè)未來發(fā)展趨勢。不僅如此，從我國當(dāng)前的技術(shù)條件來看，汽車動(dòng)力電池儲能受到一定限制，而新能源汽車輕量化建設(shè)效果會直接影響汽車?yán)m(xù)航里程數(shù)。將輕量化技術(shù)應(yīng)用到新能源汽車領(lǐng)域，能夠?qū)⑵囎灾販p少10%，電子能源消耗量下降5.5%，汽車?yán)m(xù)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(fā)展趨勢分析

實(shí)際上，汽車塑料件是汽車行業(yè)的上游行業(yè)，同時(shí)也是汽車工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性條件，而汽車行業(yè)下游為整車裝配行業(yè)以及汽車維修服務(wù)行業(yè)。我國汽車塑料件行業(yè)的運(yùn)用和發(fā)展與汽車整車裝配行業(yè)、汽車維修服務(wù)行業(yè)的發(fā)展情況息息相關(guān)。我國最近幾年整車消費(fèi)市場與汽車服務(wù)維修市場發(fā)展速度非?？欤囁芰霞袠I(yè)迅猛發(fā)展，發(fā)展形勢也非常好，并且處于轉(zhuǎn)型升級階段，使汽車塑料件行業(yè)逐漸向?qū)I(yè)化發(fā)展。從市場競爭角度來說，我國汽車塑料模具行業(yè)在中低檔模具產(chǎn)品供應(yīng)方面能夠達(dá)到自給自足的狀態(tài)，可是對于精密度比較大、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、壽命比較長模具的高檔模具產(chǎn)品主要從國外進(jìn)口，在目前國內(nèi)的市場結(jié)構(gòu)中，有40%以上的高檔模具都要從國外進(jìn)口。我國模具行業(yè)技術(shù)在不斷的優(yōu)化、創(chuàng)新、發(fā)展中，相關(guān)產(chǎn)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(jī)廠供應(yīng)鏈體系已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)向國內(nèi)，使國內(nèi)一些占據(jù)優(yōu)勢的企業(yè)有了更多的發(fā)展空間以及更多的高檔模具產(chǎn)品市場。國內(nèi)一些企業(yè)具備中高檔汽車塑料件模具制造實(shí)力以及技術(shù)能力，逐漸形成替代進(jìn)口產(chǎn)品的趨勢，并且我國目前汽車模具企業(yè)市場競爭力低的局面也有所轉(zhuǎn)變[1]。在今后的發(fā)展中，我國汽車塑料件模具制造行業(yè)在行業(yè)基礎(chǔ)性以技術(shù)前沿性方面加大投入力度，用來滿足汽車等行業(yè)的中高端汽車塑料件的需求。

實(shí)際上，汽車輕量化作為提升汽車安全性、舒適性以及節(jié)能性最直接有效的策略方式，塑料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化與汽車環(huán)保化的最佳替代材料。汽車塑料化轉(zhuǎn)變趨勢使汽車塑料零部件的生產(chǎn)要求逐漸升高，同時(shí)也帶動(dòng)了汽車塑料模具產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在汽車行業(yè)市場競爭形勢越來越激烈，我國汽車企業(yè)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(yè)與配套產(chǎn)品市場需求。汽車輕量化已經(jīng)成為當(dāng)前汽車行業(yè)節(jié)能減排工作的關(guān)鍵內(nèi)容，所以我國汽車制造行業(yè)在汽車輕量化發(fā)展帶動(dòng)下逐漸塑料化。在汽車塑料化策略逐漸推進(jìn)，汽車塑料零部件應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，使我國整體汽車零部件行業(yè)迎來發(fā)展新形勢，發(fā)展形勢一片大好。相關(guān)數(shù)據(jù)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(jié)能減排策略要求下，汽車輕量化逐漸推廣與應(yīng)用，而塑料材料具備成本低、密度低等特點(diǎn)，汽車塑料零部件的應(yīng)用能夠有效降低汽車自身重量。

3.汽車塑料零部件設(shè)計(jì)流程分析

3.1 產(chǎn)品造型

汽車塑料零部件造型設(shè)計(jì)我們又稱作是工業(yè)造型，汽車塑料零部件造型設(shè)計(jì)主要是通過專業(yè)化的造型設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方案。

3.2 初步設(shè)計(jì)

在汽車塑料零部件設(shè)計(jì)過程中，要全面化、精準(zhǔn)化的進(jìn)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(jìn)行汽車塑料零部件產(chǎn)品開發(fā)工作的基礎(chǔ)工作，也是汽車塑料零部件產(chǎn)品開發(fā)中最重要的環(huán)節(jié)。模具配套企業(yè)應(yīng)該與主機(jī)廠加強(qiáng)溝通，明確了解產(chǎn)品的性能，在詳細(xì)分析汽車塑料零部件最終性能的前提下進(jìn)行材料的初選。

3.3 CAE軟件分析

在汽車塑料零部件設(shè)計(jì)方案初步確定之后，要以生產(chǎn)加工工藝為切入點(diǎn)，積極聽取不同部門的意見與建議，進(jìn)行汽車塑料零部件設(shè)計(jì)方案優(yōu)化與完善。利用CAE軟件進(jìn)行汽車塑料零部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，并利用相關(guān)軟件進(jìn)行該產(chǎn)品的流動(dòng)、保壓、冷卻和翹曲分析，以便更好地確定澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)等。如果分析結(jié)果顯示該產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)不符合生產(chǎn)要求，要及時(shí)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行塑料零部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)修改，或者進(jìn)行模具設(shè)計(jì)方案修改。汽車塑料零部件設(shè)計(jì) 人員要全面考察汽車塑料件成型加工過程中各項(xiàng)因素對于零部件設(shè)計(jì)的影響，研發(fā)的汽車塑料零部件產(chǎn)品的形狀也要具備一定的可塑模性。

3.4 模具設(shè)計(jì)

汽車塑料零部件設(shè)計(jì)方案在CAE軟件分析結(jié)束后，應(yīng)展開模具詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包含模具型腔設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)布置與尺寸等。不僅如此，還要進(jìn)行模具生產(chǎn)設(shè)備選擇，選擇合理的模具材料，利用最適當(dāng)?shù)募庸し绞降取?/p>

3.5 試制、測試、評價(jià)

在汽車塑料零部件設(shè)計(jì)工作中，試制、測試、評價(jià)階段是真正的實(shí)踐階段。之前的設(shè)計(jì)工作主要是進(jìn)行理論化設(shè)計(jì)，雖然CAE軟件能夠進(jìn)行塑料零部件設(shè)計(jì)生產(chǎn)模擬與改進(jìn)，可是在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)也會出現(xiàn)一些無法預(yù)料的因素與影響。所以，該階段是理論付諸實(shí)踐的階段，需要根據(jù)汽車塑料零部件設(shè)計(jì)方案來制造一個(gè)模型，以此來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

3.6 設(shè)計(jì)圖紙、NC代碼

在汽車塑料零部件設(shè)計(jì)工作中，該階段是通過CAE軟件來展開數(shù)控加工模擬，能夠自動(dòng)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(shí)存入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中，可以為之后的設(shè)計(jì)工作提供一定的參考數(shù)據(jù)。假如有模具配套廠家，還要適應(yīng)工廠的生產(chǎn)需求，轉(zhuǎn)換成為詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖紙，其中要包含不同角度視圖、詳細(xì)的尺寸標(biāo)注、物性計(jì)算等。

4.汽車塑料零配件設(shè)計(jì)要求與關(guān)鍵技術(shù)

汽車塑料零配件生產(chǎn)過程中，零部件的形狀設(shè)計(jì)以及塑模過程相對比較復(fù)雜，導(dǎo)致汽車塑料零配件設(shè)計(jì)工作難度有所提升。從實(shí)踐角度來說，汽車塑料零配件設(shè)計(jì)工作不僅要符合零配件的功能要求，而且應(yīng)滿足美學(xué)角度要求。同時(shí)，還應(yīng)便于塑模成型，設(shè)計(jì)難度明顯加大。

4.1 汽車塑料零配件強(qiáng)度設(shè)計(jì)

進(jìn)行汽車塑料零配件設(shè)計(jì)需要進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)汽車塑料件實(shí)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(huán)載荷以及沖擊載荷等，具體來說主要有以下幾個(gè)方面：

汽車塑料零配件需要承受反復(fù)或是循環(huán)載荷情況下，應(yīng)進(jìn)行循環(huán)載荷試驗(yàn)。我們將塑料件負(fù)載情況下在使用壽命中能夠承受的次數(shù)稱作是材料疲勞特性。在汽車塑料零配件生產(chǎn)中，進(jìn)行皮帶輪、皮帶以及塑料活塞環(huán)等零配件設(shè)計(jì)時(shí)，要全面考慮材料疲勞特性因素。在汽車塑料零配件進(jìn)行循環(huán)載荷試驗(yàn)中，要關(guān)注3個(gè)問題：首先，汽車塑料零配件承受短距離與反復(fù)載荷之間的長期疲勞，可以利用疲勞曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，汽車塑料零配件要重點(diǎn)關(guān)注圓角設(shè)計(jì)，來防止應(yīng)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(fù)載期間，能夠降低熱量，同時(shí)使用壽命會明顯縮短，要適當(dāng)進(jìn)行薄壁設(shè)計(jì)，使用抗疲勞導(dǎo)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(shè)計(jì)中的沖擊載荷主要是指零配件對于高速沖擊的負(fù)荷能力，沖擊載荷通常情況下加載速度要比其他機(jī)械性能測試速度要快，要防止在高應(yīng)力區(qū)施加高速負(fù)荷以及沖擊性負(fù)荷。

實(shí)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(gè)零配件的尺寸以及力學(xué)性能都有直接性的影響。例如：在進(jìn)行汽車儀表板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮溫度載荷問題，并且汽車后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)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(tài)中，汽車的前后保險(xiǎn)杠、輪罩等零配件都會受到不同程度的低溫負(fù)荷，在這些零配件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使用環(huán)境因素。要遵循汽車塑料零配件模具溫度曲線，同時(shí)也要盡可能地避免不同熱膨脹系數(shù)材料組合使用。汽車塑料零配件的膨脹余量應(yīng)保留在自由端位置。

4.2 汽車塑料零配件可制造性設(shè)計(jì)

對于汽車塑料零配件來說，強(qiáng)度設(shè)計(jì)是進(jìn)行塑料零配件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)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(dāng)?shù)倪M(jìn)行塑料零配件結(jié)構(gòu)修改，能夠有效降低模具難度，進(jìn)一步降低汽車塑料零配件的生產(chǎn)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(shè)置、賬件設(shè)計(jì)等，要特別注意汽車塑料零配件設(shè)計(jì)的圓角與壁厚。在汽車塑料零配件中，內(nèi)表面與外表面的拐角處應(yīng)設(shè)計(jì)為圓角，使整個(gè)零配件的機(jī)械強(qiáng)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(dǎo)致的損壞形成裂紋，甚至?xí)霈F(xiàn)斷裂問題。汽車塑料零配件的壁厚應(yīng)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(dòng)，容易出現(xiàn)流動(dòng)效應(yīng)，造成氣泡或熔接線，進(jìn)而導(dǎo)致汽車塑料零配件的表面出現(xiàn)瑕疵。汽車塑料零配件在噴出后需要冷卻至低溫，要長時(shí)間的冷卻并且要更長時(shí)間的保持。假如塑料零配件厚壁區(qū)域沒能給予足夠的壓力，將會出現(xiàn)氣孔和凹坑，因此汽車塑料零配件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意壁厚，設(shè)計(jì)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(wěn)定性。假如汽車塑料件是薄壁，沒能達(dá)到零部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，可以利用加強(qiáng)筋來提升塑料零部件的強(qiáng)度。

4.3 汽車塑料零配件可裝配性設(shè)計(jì)

汽車塑料零配件設(shè)計(jì)中要盡可能地減少單個(gè)塑料零配件地?cái)?shù)量，降低汽車塑料零配件地裝配數(shù)量?？墒牵芰狭闩浼貛缀涡螤钕鄬Ρ容^復(fù)雜，處理難度比較大，可塑性會比較低。因此，我們在實(shí)際地汽車塑料零部件生產(chǎn)過程中要考察各方面地因素影響，控制生產(chǎn)成本，所以幾何形狀比較復(fù)雜地塑料件可以制作分離地單件，之后進(jìn)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(jìn)行裝配。壓力裝配的特點(diǎn)是汽車塑料件裝配部分或者鑲件應(yīng)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?yàn)閼?yīng)力過大進(jìn)而導(dǎo)致裂紋問題，亦或是因?yàn)閼?yīng)力過小而導(dǎo)致裝配不合理而松動(dòng)。

5.結(jié)語

我國當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)與國民生活水平不斷提高，汽車銷量不斷升高。在汽車行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，汽車零配件行業(yè)、汽車維修行業(yè)等不同產(chǎn)業(yè)都得到有效發(fā)展。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)汽車銷量，使汽車零配件生產(chǎn)行業(yè)得到了更大的發(fā)展空間。我國當(dāng)前的汽車塑料零配件生產(chǎn)企業(yè)受到來自國外企業(yè)的競爭壓力，我們要加強(qiáng)對于國外先進(jìn)化、現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念以及設(shè)計(jì)技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，積極總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提升自身的設(shè)計(jì)能力以及設(shè)計(jì)水平，提升自身自主研發(fā)產(chǎn)品的能力，進(jìn)一步提升汽車塑料零配件設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)的市場競爭力，并促進(jìn)我國汽車生產(chǎn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。