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[其他] GMT材料用于动力总成下护板的研究

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发表于 2016-2-3 16:47:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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GMT材料用于动力总成下护板的研究

GMT材料用于动力总成下护板的研究

        图1   奔驰W204车型的SMC制车底护板

        当今节能、轻量化和环保的大趋势,促使汽车制造商不断寻找和开发包括GMT材料在内的新材料的应用。本文基于笔者开展的GMT材料用于动力总成下护板的研究工作,主要从GMT材料的选型、材料性能对比试验、GMT动力总成下护板的结构设计和CAE分析、GMT动力总成下护板的性能检测等方面阐明了GMT材料替代金属材料制造动力总成下护板不仅可行,而且更具优势。
        前言
        当前汽车市场的竞争日趋激烈,如何能以更低的成本提供较高性能的产品成为汽车主机厂、零部件供应商和材料供应商的关注热点,同时节能、轻量化和环保等大趋势也对汽车用材提出了更高要求。为顺应这一发展趋势,非金属材料在汽车上得到了更广泛的应用,发达国家更是将汽车非金属材料用量的多少,作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。当前,非金属材料在汽车上的应用趋势已由最初的装饰件向结构件、大型覆盖件和功能件发展。本文介绍了东风汽车公司技术中心针对GMT材料替代金属材料用于乘用车动力总成下护板所做的研究工作。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图2  上海大众桑塔纳2000车型的GMT下护板

        技术现状及材料选型
        1.技术现状
        动力总成下护板属车底护板,装配于油底壳下方,能有效防止汽车因拖底及石子冲击等带来的对动力总成部件的损伤。之前国内大多数乘用车上使用的动力总成下护板零件均为钢板冲压成型零件,钢板厚度为1.5?mm。由于金属材料相对于非金属材料本身具有更优的强度,因此在面对来自路面的砂石冲击、凸起物撞击时,金属制动力总成下护板较非金属制动力总成下护板给人以更坚固的感觉,但是金属制动力总成下护板存在质量重、易腐蚀及隔音性差等问题。相比之下,非金属复合材料制成的动力总成下护板具有质轻、耐腐蚀及隔音降噪等优势,因此国内外众多汽车公司都采用了非金属复合材料成型动力总成下护板。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图3  某车型钢制动力总成下护板的数模示意图

        现今,可用于非金属动力总成下护板的材料包括如下几种:
        (1)SMC(Sheet Moulding Compound),即片状模塑料,是将定量的不饱和聚酯树脂涂覆于两层塑料薄膜之间,同时以短切玻璃纤维增强制成,并且利用化学增稠方式使之成为干态片状材料。使用时将片材裁剪成小块铺覆在模腔中,在加热加压的条件下固化脱模,得到两面光滑的制品。SMC材料经过多年发展,有着较广泛的实用性。普通SMC材料的密度在1.8?g/cm3左右,其优点是刚性强、稳定性好,尤其在要求表面质量高的部件制造上具有优势。SMC材料已被大量应用于汽车的外装部件,其在车底护板上也有成功应用,如一汽红旗轿车、奔驰W204的车底护板(如图1所示)等。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图4  某车型GMT动力总成下护板数模示意图

        (2)GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastic),即玻纤毡增强热塑性材料,它通常是以2层玻璃纤维针刺毡与3层热塑性树脂(如PP、PA、PET和PBT等)复合而成的一种复合材料片材。GMT材料采用模压成型工艺,密度约为1.1~1.2g/cm3,具有高抗冲击韧性、比强度高、设计自由度高以及功能整合等优点,因而近年来在国内外乘用车上有了越来越多的应用,如车底护板、备胎仓、尾门模块、保险杠大梁、电池盒、仪表板骨架及前端模块等。GMT材料在国内外车型车底护板上的应用实例较多,如一汽奥迪A4、丰田威乐、上海大众帕萨特B5和桑塔纳2000(如图2所示)等。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        (3)LFT(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic),即长纤维增强热塑性材料,与普通的纤维增强热塑性材料相比,它的纤维长度更长。由于复合材料的力学性能,尤其是冲击性能依赖于纤维长度,因此LFT的力学性能较短纤维增强塑料有了明显的提高。LFT材料的密度为1.1~1.5?g/cm3,根据制品成型工艺的差别可分为LFT-G(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Granules)和LFT-D(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct)。LFT-G产品是用长玻纤塑料粒料注塑或模压成型的,而LFT-D是采用长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术,它区别于GMT和LFT-G的关键因素是半成品步骤被省去了,在材料的选择上也更加灵活。目前,LFT-G产品已在国内一些车型上得到了运用,如车底护板和模压成型电瓶支架等。而LFT-D因受制于在线复合成型生产线的高投入,产品在国内尚未普及。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图5  动力总成下护板的3.5g加速度冲击强度分析

        2.材料选型
        经过对上述3种材料的分析比较,我们得出如下结论:相对于热固性的SMC材料,热塑性GMT和LFT材料具有轻质、成型时间短以及易回收利用等优势。而在LFT和GMT两种材料之间,GMT材料更适合作为动力总成下护板的以塑代钢材料。因为LFT材料在强度及抗冲击性能上均低于GMT材料,加之受到国内制品成型过程中工艺及设备技术水平的限制,其产品中的玻纤长度较难控制,从而影响了产品的稳定性;而GMT材料产品相对而言性能更稳定,在开发周期、零件成本和工艺等方面也更有优势,因此我们最终选定GMT材料作为动力总成下护板的以塑代钢材料。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        目前,世界上主要有两家GMT片材供应商:瑞士Quadrant集团下属的Quadrant Plastic Composites和韩国韩华集团旗下的韩华综合化学公司,它们分别在国内设立了跨骏塑胶贸易(上海)有限公司(以下简称“跨骏”)和韩华综化(上海)塑料有限公司(以下简称“韩华”)。我们选择了如下3种规格的材料作为动力总成下护板以塑代钢的备选材料:跨骏A100F23、跨骏D100F30和韩华RD30。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图6   某车型最终版GMT动力总成下护板的数模示意图

        产品设计及优化
        1.产品结构设计
        由于采用新型GMT材料替换原有钢制件(如图3所示),因此产品结构也需要根据GMT材料的特点进行重新设计。GMT动力总成下护板的设计需要遵循以下基本原则:
        (1)为保证装配和互换性,GMT动力总成下护板的基本尺寸和安装固定位置不能改变;
        (2)为保证零件的最小离地间隙,GMT动力总成下护板的底部最低面(不含加强筋)不能下降。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图4(a)、(b)分别为两版GMT动力总成下护板的数模示意图。考虑到GMT材料的强度低于钢板,GMT零件的料厚应较原钢制件适当增加,因此将制品料厚定为2.5mm。与金属护板相比,初始版GMT动力总成下护板的设计增加了纵向加强筋条数,而改进版GMT动力总成下护板的设计充分利用了GMT制品成型时更高的造型自由度,增加了横向加强筋的设计,形成整个零件表面的网状十字型加强结构。这种结构上的改进有利于制品刚性和强度的提高。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图7   样条制作过程所用的300t模压机

        2.CAE分析
        以图3、图4所示数模分别作为钢制及GMT动力总成下护板的CAE分析模型,对钢制动力总成下护板与GMT动力总成下护板的模态和3.5g加速度自重冲击强度进行了分析比较。材料的基本物理性能及模型的基本特性分别见表1和表2。
        两种下护板的模态分析结果见表3。从中可以看出:对不同的结构设计,GMT下护板改进模型较初始模型的模态有所提高;所有GMT下护板的模态水平均低于金属下护板;对于不同的GMT材料,D100F30的模态优于A100F23。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        金属和GMT两种下护板的3.5g加速度冲击强度的分析结果如图5所示。比较图5(a)~(c)可知,GMT下护板连接横梁折弯处的应力较金属护板有所降低。比较图5(d)~(f)可以看出,采用GMT材料的下护板,可使零件本身应力较低,同时GMT下护板的应力集中区域面积更小,且能够满足自重3.5g的加速度冲击强度要求。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图8  GMT材料性能试验样条的加工

        3.零件结构优化
        根据CAE分析结果,我们对GMT下护板的结构设计进行了优化。优化设计主要体现在如下两个方面(优化设计后的数模如图6所示):
        (1)取消了维修孔。考虑到GMT材料的强度低于钢板,原维修孔的设计破坏了零件的整体性,维修孔及其周围很可能成为零件的薄弱部位,故在GMT下护板设计中取消了维修孔。
        (2)增加了排水孔、散热孔。在行车过程中,下护板上可能会有雨水、机油等积聚,而取消维修孔可使这些液体不能排出,故在GMT下护板设计中增加了6个小的排水孔。
        以上设计保证了下护板零件的整体性,可使零件整体强度有所提高;同时,GMT下护板零件拆装方便,取消维修孔后也不会影响动力总成部件的维修。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图9  3种GMT材料的力学性能对比

        材料性能试验
        1.材料试验样条制作方法
        GMT材料的力学性能与其加工工艺有着密切的关系,这里无法展开进行详细研究,因此仅以韩华GMT材料试验样条的制备为例,对样条的制作过程做一介绍:
        (1)在GMT原始片材生产线上,根据要求截取尺寸为194mm×194mm×3.8mm的GMT片材;
        (2)将GMT样片放入加热烘箱,在200~220℃的温度下加热2~3min;
        (3)将加热膨胀后的2张GMT样片叠放在模压模具里(模腔尺寸为300mm×300mm×4mm),材料摆放面积占模具面积的50%~70%,模具温度为60℃;
        (4)通过模压设备(如图7所示)进行成型,压力为20MPa,速度为15mm/s,加压时间为60s,得到尺寸为300mm×300mm×4mm的GMT样板;
        (5)对GMT样板进行机加工(如图8所示),得到所需规格的材料性能测试样条。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图10   GMT动力总成下护板样件照片

        2.材料性能试验及结果分析
        3种GMT材料的测试结果见表4,图9(a)~(d)分别为它们的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量及悬臂梁缺口冲击强度比较图。经过比较和分析,可以得出如下结论:
        (1)常态力学性能
        a.在玻纤含量不同的情况下,对比跨骏两种材料的试验结果可知,玻纤含量较高的GMT材料(D100F30)的各项力学性能均优于玻纤含量低的GMT材料(D100F23)。D100F30的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和悬臂梁缺口冲击强度较D100F23的相应性能分别提高了35%、28%、5.2%和46%。
        b.在玻纤含量相同的情况下,韩华RD30材料较跨骏D100F30材料表现出更优异的强度和刚性,其拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量较D100F30分别提高了53%、25%和26%;跨骏D100F30材料的韧性更佳,其悬臂梁缺口冲击强度是韩华RD30材料的1.2倍。
       

GMT材料用于动力总成下护板的研究

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        图11   抗石击试验后的样件照片

        (2)老化前后的力学性能
        a.除跨骏的D100F23材料的湿热老化后冲击强度较常态有较大提高外(提高了22.3%),3种材料的其他力学性能的湿热老化前后结果变化率均在10%以内,说明湿热老化对GMT材料的力学性能影响不大。
        b.3种GMT材料的低温冲击强度较常态均有所升高,体现了GMT材料较好的抗低温冲击性能。
        (3) 热变形温度和吸水率
        3种GMT材料的热变形温度从高到低依次为韩华RD30、跨骏D100F30和跨骏D100F23;3种GMT材料均表现出了较低的吸水率,这也是GMT材料的力学性能受湿热老化影响较小的原因。
        产品试制及性能试验
        1.产品试制及工艺
        两家GMT材料供应商的材料性能虽各有侧重,但均能满足产品设计的要求。综合零件成本、技术实力等方面因素考虑,我们选择韩华RD30材料作为GMT动力总成下护板的试制材料,图10为试制的GMT动力总成下护板样件照片。具体试制过程和试制工艺参数,本文不做详细描述。
        2.产品性能试验
        GMT动力总成下护板的产品性能试验结果见表5。该产品具有较好的刚性、抗冲击性能、耐候性和耐化学腐蚀性,并且经过8万km的实车装配道路耐久性试验后,零件无断裂、脱落等异常现象。
        结论
        我中心试制的GMT动力总成下护板的产品质量仅有1.38kg,而钢制件的质量为3.3kg,相比钢制件,能够实现减重58%,从而有助于汽车轻量化、节油节能和减少排放。该产品性能稳定,耐化学腐蚀性及耐候性优异,且在常温和低温下均表现出良好的抗冲性能,能够满足动力总成下护板使用工况的要求。此外,与钢制护板相比,它还具有模具投入少、设计自由度高以及易加工和免涂装等优势,特别是免涂装优势,不仅可有效简化生产工序,而且减少了环境污染。
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