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发表于 2020-4-14 14:21:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】LFT-D汽车备胎舱的开发
刘鉴锋 刘保公 李永祥 李能文 耿富荣
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州 511434)
摘要:为解决传统汽车备胎舱成型工艺复杂、模具成本高、质量大的问题,选取LFT-D材料进行轻量化开发。通过合理选择零件壁厚、增加凸台、合理布置加强筋以保证刚度和强度;同时集成备胎支架、备胎舱阻尼垫、后保险杠安装支架、防石击涂层等零件,实现功能整合,减少零件数量;同时选用聚氨酯胶粘剂实现备胎舱与白车身的连接。通过性能分析,确保产品满足刚度、模态和强度要求。试验结果表明,该LFT-D备胎舱满足产品性能要求,LFT-D材料可替代钢材实现汽车备胎舱的轻量化开发。
关键词:LFT-D 汽车备胎舱 汽车轻量化
1 前言
环保、节能和安全是汽车工业发展的永恒主题。作为实现节能减排的最有效措施之一,汽车轻量化成为国内外汽车公司的开发热点。轻质高强材料的应用是实现汽车轻量化的重要途径。其中塑料及树脂基复合材料,因其具有比强度与比模量高、设计自由度大、集成性好、耐腐蚀等特点,被越来越多地应用在汽车上。我国塑料复合材料的单车用量占整车总质量的比例只有8%,而欧美这一比例达到15%以上,其中德国更是超过20%[1]。加快塑料复合材料的研究和应用,对我国整车轻量化水平的提高有着积极的意义。
轻质材料的应用并非是对原来材料的简单替换,基于新材料特点的结构设计、产品性能目标设定、工艺变更、试验项目调整等,都是需要思考的问题。相比钢材,塑料复合材料成本更高,因此寻求更具经济性的解决方案、促进产业化应用,也是开发者需要关注的课题。本文以一款乘用车的备胎舱为例,阐述该零部件以塑代钢的开发过程。
2 概述2.1 钢制备胎舱与塑料备胎舱对比
汽车备胎舱即乘用车后部行李箱处的凹形空间,用于存放备用车轮及轮胎撬棒、千斤顶、备胎充气装置等随车工具。传统的汽车备胎舱由后地板、备胎支架、后地板加强板、后保险杠下支架组件、后隔热罩组件等钣金件拼焊而成。钢材价格低、强度高、模量高,易于大规模生产。但是钢制方案零件数量多,需要多道连接工序。通过冲压工艺成型备胎舱,一般需要落料、拉深、切边、冲孔等多道工序,需要多套模具,模具工装成本投入大。钢材耐腐蚀性能较差,需要做电泳处理以防腐。备胎舱底部需要防石击涂层,以抵御路面砂石的冲击。
与钢制备胎舱相比,塑料备胎舱具备以下突出优势[2]。
a.可实现约30%的减重效果。
b.良好的功能整合效果。可集成备胎支架、后保险杠安装支架、备胎舱阻尼垫、防石击涂层等零件,并可为千斤顶、三角警示牌等提供安装特征。塑料耐腐蚀性良好,不需防腐措施。
c.塑料备胎舱拔模斜度一般为3°,相比钣金件,可额外增加约13%的行李箱空间。
d.塑料备胎舱通过模压或者注塑1个工序即可成型,只需要1套模具,从而降低模具工装成本。因此在小批量生产下,该技术具有降低系统成本的优势。
钢制备胎舱通过焊接工艺与白车身连接,而塑料备胎舱在总装车间通过胶粘剂安装固定在白车身上,钢制与塑料备胎舱的装配工序对比如图1所示。塑料备胎舱的应用会带来装配工序的变更,主机厂生产线需做调整。
图1 钢制备胎舱与塑料备胎舱装配工序对比

2.2 塑料备胎舱的发展及LFT-D技术介绍
最早出现在市场上的塑料备胎舱是用片状模塑料(Sheet Molding Compound,SMC)模压而成的,目前仍应用在雷诺梅甘娜、风景等车型上。SMC材料价格低、尺寸稳定性好,耐高温和化学品性能优良。但SMC属于热固性材料,不可回收,而且密度大、加工成型时间长。在环保、轻量化和生产节拍的需求下,GMT(Glass Mat reinforced Thermoplas⁃tic,玻璃纤维毡增强热塑性塑料)材料逐渐在塑料备胎舱的应用上占主导地位,GMT备胎舱成功搭载在奔驰C级、奔驰E级、大众迈腾、大众CC、上汽通用林荫大道等车型上。
荷兰Voestalpine Plastic Solutions公司选用朗盛公司(LANXESS)的60%短玻纤增强的PA6材料,通过注塑工艺为奥迪A8生产塑料备胎舱[3]。
LFT-D(Long Fiber reinforced Thermoplastic in Direct processing),是指长纤维增强热塑性复合材料直接在线模塑成型技术(包括在线注射成型和在线模压成型,本文特指在线模压成型)。该工艺首先在双螺杆挤出机中将树脂粒料和添加剂塑化、混合,纤维粗纱经预热、分散后,被导入到双螺杆挤出机,在螺杆作用下被打断成一定长度,并与聚合物熔体混合均匀。然后在模口将混合物裁切,经过传送带,送至模具处模压成型。与SMC、GMT和LFT-G(Long Fiber reinforced Thermoplastic Granules,长纤维增强热塑性塑料造粒技术)相比,LFT-D技术具备以下特点[4-5]。
a.直接选用树脂粒料、添加剂和纤维粗纱进行生产,省去了半成品的制造、运输和储存费用,成本更低;
b.只有1个加热过程,降低能耗,减少材料加热过程中的性能损失(与GMT/LFT-G相比);
c.废料可在线回收;
d.产品内纤维分布均匀,力学性能优良;
e.纤维种类、纤维含量、树脂及添加剂可按产品技术要求灵活调整。
近年来LFT-D技术发展迅速,已被用于制造后背门内板、仪表板骨架、前端模块、底护板、备胎舱、后防撞梁等汽车零部件[6-7],具有广阔的应用前景。本文选取LFT-D技术方案,对汽车备胎舱轻量化展开探讨。
3 材料选择
本案例选取的LFT-D材料以聚丙烯树脂为基体,以玻璃纤维为增强相,其主要物性见表1。
4 结构设计
该款乘用车钢制备胎舱结构如图2所示。该结构的底部和侧面,分布有连贯的加强筋,筋的高度为5 mm,以提高刚度和局部模态。底部中间位置有备胎支架,用于固定备胎。备胎舱底部分布有4个电泳漏液孔,在翻边左右两侧各有1个焊装定位孔。
表1 LFT-D材料的基本性能


图2 钢制备胎舱结构

4.1 零件壁厚
钢的杨氏模量为210 GPa,该钢制备胎舱壁厚为0.8 mm。按照等刚度设计原则,LFT-D备胎舱的壁厚应为2.65 mm。实际应用的塑料备胎舱壁厚一般为2.5~3.0 mm。本案例结合轻量化目标,将主体壁厚确定为2.8 mm。
4.2 加强结构设计
在成型时,LFT-D材料的流动性极好,设计自由度大,能实现一些钢板冲压无法成型的结构。根据周边环境约束,先定义出备胎舱最佳的基本结构形式。本例由于排气管路布置的约束,备胎舱侧壁转角处距离左右纵梁和中地板较远,造成LFT-D备胎舱翻边过长。翻边过长一是影响强度,二是容易翘曲变形,因此增加了1个台阶结构(图3a)。
在不增加制品壁厚的情况下,加强筋的布置可显著改善产品的刚强度。在实际使用中,汽车备胎舱主要受上下载荷作用,备胎舱底部为受力恶劣区域。为提高对上下载荷的承受能力,在备胎舱底部布置波纹形状的截面加强筋,加强筋高度为20 mm;同时在背面中间处布置十字型加强筋,并做圆形加强筋与之错开,避免在筋的交汇处产生材料积聚(图3b)。在备胎舱侧面周向布置13条加强筋,加强筋从备胎舱底部一直延伸至翻边。加强筋的拔模斜度至少为1°,采用圆角过渡有利于玻纤的流动,内圆角R一般≥0.5 mm。
图3 LFT-D备胎舱加强结构设计

4.3 备胎支架集成设计
钢制备胎舱中,备胎固定螺栓与备胎支架上的背焊螺母相配合,实现备胎固定。
在本案例中,在模具中预埋带内螺纹的金属嵌件,与LFT-D备胎舱一体成型,沿用原备胎固定螺栓,实现对备胎的固定。嵌件不能有锐边,以减少应力集中。需要保证嵌件的法兰面尺寸及其周围料层厚度,确保熔体能顺利流动并对嵌件形成有效包裹,使得嵌件有足够的拔脱力和扭矩,以满足备胎舱的使用要求。
4.4 新增备胎舱横梁
塑料备胎舱通过胶粘剂与白车身连接。需要在后围外板上,焊接1条横梁与塑料备胎舱相匹配,以提供涂胶面(图4)。左右纵梁、中地板与横梁共同组成与塑料备胎舱匹配的胶接区域。
图4 新增备胎舱横梁

4.5 取消漏液孔及堵盖
钢制备胎舱随白车身过电泳,备胎舱底部有4个漏液孔,电泳后匹配橡胶堵盖以保证密封性。塑料备胎舱在总装车间安装,取消漏液孔及堵盖。
4.6 集成阻尼垫
塑料自身声辐射系数低,应用塑料备胎舱后,备胎舱区域无需再布置阻尼垫。
4.7 后保险杠安装支架集成设计
钢制备胎舱方案中,通过3个焊在备胎舱或后围板上的钣金支架,实现后保险杠总成与后地板的安装固定。塑料备胎舱方案中,延长后保险杠或后保险杠下饰板的搭接翻边,在备胎舱上设计凸台,通过自攻螺钉实现安装固定。一般2个安装点可满足使用要求。
4.8 安装定位
钢制备胎舱通过焊装定位孔定位,然后焊接固定。应用塑料备胎舱后,取消该定位孔,与白车身的安装定位可通过3-2-1原则实现。将塑料备胎舱定位点选择在与备胎舱横梁搭接处,备胎舱翻边左右各带1个定位销,在横梁对应位置分别开圆孔、腰形孔,定位X向和Y向。
4.9 连接方案
选用聚氨酯胶粘剂实现塑料备胎舱与白车身的连接,胶粘剂同时也起到密封作用。胶接接头如图5所示,是典型的单搭接接头,胶厚设计为3 mm。在胶接方案基础上,可在备胎舱4个角位置,各增加1个螺栓点。螺栓连接能承受更大的载荷,同时提高接头的抗剥离能力,连接可靠性更高。缺点是增加装配成本,同时开孔会带来应力不均匀。本案例只考虑胶接方案。
图5 LFT-D备胎舱与白车身的胶接接头

LFT-D材料的基材为非极性的聚丙烯树脂,需要在胶接区域做火焰或等离子处理以提高表面能,改善胶接效果。表面处理具有时效性,需要施加底涂。如施加长效底涂,运到主机厂后即可涂胶装配;而施加短效底涂的,需要在涂胶装配前再次施加。
5 性能分析
通过研究原钢制备胎舱的受力状况,并结合样件对标试验,确定塑料备胎舱的性能要求如下。
a.刚度,约束状态下,往备胎舱底部中间位置加载200 N,位移量≤4 mm;
b.约束模态,约束状态下,一阶模态≥50 Hz;
c.强度,带备胎及工具箱(本案例共28.6 kg),在向上4 g、向下6 g、制动1 g及拐弯1 g强度工况下,备胎舱结构不得出现破坏。
其中LFT-D备胎舱的约束状态如图6所示,LFT-D材料的应力-应变曲线如图7所示。采用Hypermesh软件对仿真模型进行前处理,以Abaqus作为求解器,对LFT-D备胎舱分别开展刚度、约束模态和强度分析。刚度分析结果如图8所示,其中加载点位移3.06 mm,小于目标值4 mm,满足要求。约束模态分析结果如图9所示,一阶约束模态67.38 Hz,大于50 Hz,满足要求。强度分析结果如图10所示,向上4 g强度工况下,得到最大应力值52.36 MPa。该应力值远小于材料的拉伸强度97.1 MPa,表明备胎舱结构满足强度设计要求。
图6 LFT-D备胎舱边界约束

图7 LFT-D材料应力-应变曲线

图8 刚度分析

图9 约束模态分析

图10 强度分析(最大应力)

6 试验验证
LFT-D备胎舱试验验证包括零件台架试验、环境试验及整车试验。对该LFT-D备胎舱开展刚度、约束模态、高低温存放、高强耐久等性能试验,具体试验项目及试验结果见表2。
表2LFT-D备胎舱性能试验


7 结束语
LFT-D技术采用直接一步法成型,简化工序,降低能耗,更具经济性。试制的LFT-D备胎舱质量只有4.2 kg,相比原钢制产品减重35%,通过集成底护板、备胎支架、备胎舱阻尼垫、后保险杠安装支架、防石击涂层等零件,综合减重可达5 kg,有助于实现汽车轻量化。通过性能分析及试验验证,该LFT-D汽车备胎舱结构满足使用要求。
塑料备胎舱具有轻量化、多部件集成、设计自由度大、模具工装成本低等优势,相信在将来会得到进一步的推广应用。


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