浅谈汽车塑料件的结构设计原则

浅谈汽车塑料件的结构设计原则

摘要现阶段，我国汽车产业发展迅速，塑料制品更为广泛的被应用于汽车的外形设计及内饰，塑料件的类型及结构趋于多元化。塑料在汽车领域的应用已渗透至汽车的整体性能，减少了汽车的自重量与燃料耗费。

关键词汽车；塑料件；结构设计；原则

前言

随着汽车工业向轻量化方向的发展，塑料在汽车上的用量日益增加，利用塑料质量轻、性能好、尺寸稳定、吸振、设计自由度大等特点，现代汽车用塑料结构件取得了长足的发展，并且是今后的重点发展方向之一，本文主要介绍了在实际的汽车塑料件产品开发中，塑料件常见结构设计原则。

1 汽车塑料化趋势

在同等大小的汽车零配件中，塑料产品比钢材在质量上普遍可减轻30%～40%，具有相当明显的轻量化优势。除此外，塑料材料还有设计空间大、制造成本低、功能广泛等优势。因此，在技术不断取得突破下，汽车塑料产品应用逐渐增多。从外装饰件到内装饰件，从功能件到结构件，甚至出现了全塑车身，塑料产品在汽车的覆盖范围越来越广，汽车塑料件行业迈向高速发展。与此同时，塑料制品在汽车中的用量，逐漸成为衡量一国汽车工业发展水平的标志之一。全球范围来看，德国、日本在汽车中使用的塑料制品量大幅领先其他国家。据统计，德国每辆汽车平均使用塑料制品近300kg，日本每辆汽车平均使用塑料为100kg。相比较而言，我国每辆汽车使用塑料制品最多的也仅有70kg，未来还有很大提升空间。从数据可以看出，即便汽车工业发达的德国，塑料制品的使用量仍较为有限。归咎其因，在于汽车塑化推广存在很大障碍。一方面，高强度及高性价比的材料供给存在难题。相比金属，塑料疲劳期更短，在高温或接触汽油时老化现象严重，同时在传力部位的应用强度不够。另外，在技术限制下，汽车塑料产品成本居高不下。另一方面，汽车塑化还面临着生产改造成本、回收等问题。换言之，在利益最大化考量下，汽车厂商对汽车塑料件认可度并不高。在技术不断突破、材料品质和工艺持续提升下，汽车塑料件存在的问题将逐步得以解决，并通过政府、车企、零部件供应商、材料生产商等多方努力，迈向大规模推广应用阶段，未来发展前景可期[1]。

2 汽车塑料件壁厚设计原则

合理的确定塑件的壁厚是很重要的。塑件的壁厚首先决定于塑件的使用要求：包括零件的强度、质量成本、电气性能、尺寸稳定性以及装配等各项要求，一般壁厚都有经验值，参考类似即可确定（如熨斗一般壁厚2mm，吸尘器大体为2.5mm），其中注意点如下：

（1）塑件壁厚应尽量均匀，避免太薄、太厚及壁厚突变，若塑件要求必须有壁厚变化，应采用渐变或圆弧过渡，否则会因引起收缩不均匀使塑件变形、影响塑件强度、影响注塑时流动性等成型工艺问题。

（2）塑件壁厚一般在1—5mm范围内。而最常用的数值为2～3mm。

（3）常用塑料塑件的最小壁厚及常用壁厚推荐值：（mm）。

（4）尽量不要将加强筋和螺钉柱设计的太厚，一般建议取本体壁厚的一半较保险，否则容易引起缩影等外观问题[2]。

3 汽车塑料件加强筋设计原则

在对汽车塑料件加强筋设计前，要控制好三个部分的布局：a.从加强筋的拔模角度分析。加强筋的拔模角度设置值要在指标范围内，若角度设置小，汽车塑料件对模具型芯的包紧力会提高，需要调节模具顶出力，不谈很可能会发生汽车塑料件表面有顶白的情况，角度设置过大，会致使加强筋顶端太薄，只能够利用加压及加温才可以确保物料填充。因此要科学的控制拔模角度，控制好汽车塑料件的成型及品质，降低生产成本。角度最好控制在0.25度～2度之间；b.从加强筋的厚度设计来分析。加强筋厚度设计过程中要依附于以下几点：在加强筋及汽车塑料件壁的交叉位置画圈，词语安全会与加强筋和汽车塑料件壁有三个交点，处于汽车塑料件壁的壁厚处与加强筋底部两端内角位置。此圆圈的直径要小于汽车塑料件公称壁厚的两倍，设计过程要注意的是正确判断加强筋的最厚处。汽车塑料件的加强筋厚度要在1～1.5MM。c.汽车塑料件的结构设计过程，加强筋的高度的极值即公称壁厚的3倍，最小值是公称壁厚的2倍，三角筋同上；d.加强筋的有效布局要择取十字交叉的方法，所以此方法能够有效适用于多种差异化的结构，同时可应付差异化的负荷变化及承受力，能够有效保障汽车塑料件成品的应力分布的均匀[3]。

4 塑件的圆角设计

在塑件设计过程中，为了避免应力集中，提高塑件强度，改善塑件的流动情况及便于脱模，在塑件的各面或内部连接处，应采用圆弧过度。另外，塑件上的圆角对于模具制造和机械加工及提高模具强度，也是不可少的。在塑件结构上无特殊要求时，塑件的各转角处均应有半径不小于0.5～1mm的圆角。允许的情况下，圆角应尽量大。对于内外表面的拐角处，外圆角应为内圆角加壁厚，可减少内应力，并能保证壁厚均匀一致。

5 汽车塑料件内外造型设计中3D打印的应用

当前，在造型设计方面，多选用油泥模型对实车效果进行系统化模拟，而对于那些采用油泥模型无法成型的塑料件，则改用3D打印，用此种方式完成要表现出效果的整体模拟，比如光亮饰条、标牌、格栅等，在实际造型阶段，由于造型变化比较快，因此需同时制定多个方案，以比较的方式来展示。应用3D打印，

能够显著缩短各零件的整体制造周期，此外，还能将造型细节较充分地展示出来。如若能将3D打印的优势最大化发挥出来，则能实现多材料的集成制造，也就是能将多种材料一次成型。在轮胎、轮毂的造型设计中，轮胎所用的是橡胶材料，而轮毂用的是ABS塑料代替金属，做到两种成分的一体成型，最终得到呈组合件状态的造型制品。相比传统机加工，采用3D打印所得到的样件，还能省去去样件上色这一工序，直接得到双色双料件。

6 结束语

通过对合理的结构设计，可以使汽车塑料件在后期的生产制造过程中，避免诸多因外观质量缺陷而导致零件报废，对提升汽车塑料件的外观品质和企业的竞争力变得尤为重要。

参考文献

[1] 谈桂春，张晓云，赵志鸿，等.2005年我国工程塑料加工技术进展[J].工程塑料应用，2016，34（6）：62-67.

[2] 张友根.全套方案实现汽车塑料件绿色化的研究[J].现代塑料加工应用，2013，25（01）：58-60.

[3] 谢彤，张米雅，姚建飞.汽车注塑件3D打印快速成型机控制系统设计[J].浙江交通职业技术学院学报，2016，17（2）：49-53.