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发表于 2015-9-6 03:46:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
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LGF-PP在汽车支架类制件中的应用

LGF-PP在汽车支架类制件中的应用

        LGF-P1G6H材料在150℃环境下的力学性能演化

        长玻纤增强聚丙烯(Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene, LGF-PP)具备优良的综合性能,可取代传统材料应用于汽车的支架类部件。本文介绍了浙江俊尔新材料有限公司(以下简称“俊尔”)开发的两种LGF-PP材料的特性,以及它们在汽车前端框架与换档器底座等支架类部件中的应用。
        前言
        LGF-PP是一种连续纤维在粒子长度方向定向排列的材料,典型的粒子尺寸为12?mm,玻纤长度等于粒子尺寸。与普通的增强材料相比,LGF-PP的各项力学性能都有较大的优势。这是由于玻纤长度在制品中得到了更好地保留,较长的玻璃纤维会在制品中互相缠结,形成3D网络结构,这种结构能使制品承重时迅速将外力分散到较大区域。此外,纤维端部是裂纹增长的引发点,长纤维端点数量少,也使材料的强度得到进一步提升。
        目前,LGF-PP材料已大量应用于汽车领域制造半结构或结构部件。与传统的金属、增强尼龙和热固性树脂等材料比较,它具有轻量化、综合性能好及可回收利用等优点。其一大趋势是在汽车支架类部件,如前端框架、换档器底座中的应用,特别是在集成度较高的前端模块应用中,LGF-PP更具有明显的优势。
        在前端框架中的应用
        前端框架位于汽车的车头一侧,它作为发动机的安全屏障,需要承受巨大的载荷与振动冲击。为了满足使用要求,汽车制造厂最初使用钢铁材料,但随着汽车轻量化的发展,以及出于行人保护等多方面因素的考虑,汽车前端框架材料的使用也在不断创新。由铝合金、镁合金、增强尼龙、SMC和GMT等各种轻质材料制成的前端框架纷纷出现在各大汽车公司的车型上,显示出各自的优势和特点。
        传统的汽车前端由上百个散部件组成,这些散部件需由装配厂的总装线按工序逐一进行装配。随着汽车制造技术向更高的集成化方向发展,汽车前端逐步趋向模块化,即可将汽车的前照明系统、冷却系统、减振装置以及空调冷凝器等零部件组装在一起并集成在一个模块内。这种方法大大简化了汽车总装生产线中的组装过程,并对汽车的设计和制造产生了很大影响。
        目前,全球汽车制造业都在对汽车前端进行不同程度的模块化制造,在中国的合资品牌如通用、福特、大众和马自达等,以及自主品牌如华晨、长城和长安等汽车公司也都在扩展这方面的应用。汽车前端模块的核心技术是前端框架的设计、集成和制造。由于前端框架要安装多种次模块和散部件,因此它的结构、强度将是影响汽车质量的关键因素之一。LGF-PP具有非常优越的综合性能,可支持设计轻质、功能性的结构部件,而且能够解决汽车前端框架复杂结构的成型与模块装配问题,从而实现汽车减重、提升生产效率,并降低整体成本。
       

LGF-PP在汽车支架类制件中的应用

LGF-PP在汽车支架类制件中的应用

        汽车前端框架位于发动机舱内,长期工作在较高的温度环境中,这要求材料在热环境下具有优良的力学性能,并需要保持其性能的稳定。俊尔开发的一种LGF-PP材料——LGF-P1G6H前端框架材料能够在150℃的环境下存放1?000?h以上,而不发生粉化现象。从表1可以看出该材料的高温力学强度与低温韧性相对接近于常温数据,这可以减少设计人员对框架安全系数余量的考虑,也能够确保部件在更加恶劣天气下的安全使用。从加速老化的条件下力学性能的演化图(如图所示)中可发现,材料的拉伸强度在1?000?h老化之后有一定的降低,而材料的模量有一定的上升,但是变化比较平稳,从而对部件长期使用过程中的稳定性具有较好的保障作用。
        LGF-P1G6H可用来一次成型前端框架部件,这种前端框架部件集成化程度高,耐腐蚀性能好,表面无需进行喷漆等后处理,并可实现汽车的轻量化。此外,它还具有优良的耐冲击性能,能够承受模块与支点以及零部件间的振动冲击力。但需要注意的是,采用该材料替换传统的金属等高强度材料时,在模具设计上必须适当调整整体结构以及特殊部位的厚度,以确保使用的稳定性。
        在换档器基座中的应用
        汽车换档器质量直接关系到车辆的控制是否平稳,严重时甚至危及到人身安全。它是驾驶者向车辆发送指令的窗口,因此必须确保换档器总成的各部件在汽车安全行驶期限内稳定工作。
        换档器基座是换档总成的关键部件,主要起到支撑与定位的作用。对于该基座,目前仍有很多生产商采用传统的增强尼龙(PA6-GF30)材料来制造。实际上,俊尔开发的另一种LGF-PP材料——LGF-P1G8具有类似于PA6-GF30的性能,而且由于PP树脂本身的特性,使其受到使用环境的影响更小。从表2中可以看出,干态增强尼龙材料具有很好的刚性,吸湿后,材料虽表现出更好的韧性,但拉伸强度与弯曲模量等数据相应下降,而LGF-P1G8基本上不受此类因素的影响。此外,LGF-P1G8与PA6-GF30材料的收缩率也十分接近,可以在基本上不改变原有制品结构的条件下替换使用。
        在材料的使用过程中,LGF-P1G8还具备更多的优势。如表3所示,使用LGF-P1G8材料成型的制件要比增强尼龙材料轻大约8%~12%。而且,LGF-P1G8材料使用更加方便,在成型之前,可以不用烘料而直接注塑,且成型温度稍低于增强尼龙材料,脱模后也不需要进行蒸煮等后处理工序,自然冷却即可。这些特性都可为客户节省更多的材料成本与管理成本。不过,由于聚丙烯树脂的结晶速度相对较慢,LGF-P1G8材料在使用过程中,需根据产品的实际情况,适当延长冷却时间。
       

LGF-PP在汽车支架类制件中的应用

LGF-PP在汽车支架类制件中的应用

        针对换档器基座的测试,主要有2种:一是,在模拟换档动作下测试材料的疲劳寿命,以验证基座材料是否具备较好的耐磨损性能,以及是否能够在长期的工作中基本保持原有的间隙配合正常工作。LGF-P1G8材料因具有很高的强度与表面硬度,可以确保换档器在使用数百万次后,只产生很少的表面磨损。二是,在高低温、大受力等极限条件下对其进行性能稳定性测试。由于LGF-PP材料会在制品中形成3D玻纤网络结构,所以能够在很宽的温度范围内,较好地保留各方面的性能。LGF-P1G8还比普通增强材料具有更好的抗蠕变性能,特别是在高温条件下也不会产生明显的蠕变。
        为了进一步发挥该材料的功能,建议根据长玻纤材料的特点,将模具的浇口、流道等位置做适当的修改,以获得具备更好性能的换档器基座产品。
        结语
        LGF-PP兼具高刚性与高韧性,在高温环境和长时间低负荷条件下不会产生变形,可使汽车支架部件基本保持原有的结构。与传统的金属材料比较,该材料具有轻量化、比强度高、耐腐蚀和易成型的优势;与热固性材料比较,具有成型时间短、可回收利用的优势;与增强尼龙比较,则具有重量轻、无需前后处理工序等优势。因此,LGF-PP是制造汽车支架类部件的理想材料,其发展潜力十分广阔。
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