工程塑料在汽车零部件轻量化领域的应用论文_莫毅明

工程塑料在汽车零部件轻量化领域的应用论文_莫毅明

莫毅明

深圳市银宝山新科技股份有限公司 518108

摘要:近年来,在我国本 土汽车工业迅猛发展的带动 下,塑料、木纤维等低密度的材料在汽车行 业的应用越来越广泛。塑料零部件在 汽车上的应用有效减轻车身 重量,实现汽车的轻量化,从 而节省燃油,是汽车是 实现节能环保的有效途径。文章以发动机所 配的进气岐管和车身及部件为例,对当 今汽车零部件如何发挥轻质材 料、特别是塑料复合材料的作 用,及提升其应用水平进 行探讨和分析。

前言

实现汽车轻量化 已成为当今国内外汽车产业 界的一个战略目标,而作为 轻量化的主要方式之 一,借助车身、各大总成和 零部件采用轻质材料来减 重,已经取得了长足的进 步。但客观地说,这一领域不但 尚有诸多技术难题有待攻克,对于一些国内企业来 讲,还需解决若干理念上的问 题。其中之一就是在实施 轻量化过程中务必同时考 虑制造成本等涉及工厂运行的 核心问题,若为了取 得有限的节能减排的效果而 付出了过高的成本代价,甚至 影响到产品的安全性,那 显然是不可取的。因此,在 确保轻量化零部件基本功能 的前提下,按量材选用、量 体裁衣的原则,选择相对 经济、适用的复合材料才是正 确的途径。

1工程塑料在汽车上应用的实际意义

塑料零部件在 汽车上的应用可以有效减轻车身 重量,实现汽车的轻量化,从 而节省燃油,是汽车实现节 能减排的重要途径之一。塑 料的特性表现在质量 轻、不会锈蚀、耐冲击性 好、透明度高和耐磨耗性、绝 缘性好、导热性低,一 般成型性着色性好、加 工成本低等等,在汽车设计 中采用大量的塑料,可以 综合地反映对汽车设计 性能的要求,即轻量化、安 全、防腐、造型和舒适性 等,而且有利于降低成本,节约材料资源。据研究 表明,乘用车整车重量每 减少10%,至少可降低油 耗8%,甚至10%或更多,并 使燃油效率提高5.5%,排 放降低5%~6%;若汽车 整体重量每台能减少100kg,则 每百公里的燃油消耗可降低0.3~0.6L。对于作为汽车最重要大总成的发动机,减重的意义也很大。以一台诞生于21世纪10年代初期的 新一代小排量汽油发动 机与其前一代同类产品的对比为 例,前者更多地采用了 如铝合金一类的轻质材料,在零 部件的模块化和结构 优化上也有了很大的突破,其重 量轻了22kg,减轻18%,燃 油消耗相应下降 了8%左右,而且减排效 果也很明显,每公里CO2的 排放量约减少10g。而且塑料本 身又是可回收利用的,所以 汽车零部件的回收利用是汽车 塑料行业可持续发展的一件 头等大事,在节约能源,促进环 保,加快和谐发展方面意义重 大。

2工程塑料在汽车零部件轻量化领域的应用

塑料在汽车上的应 用十分广泛,按功能应用 主要分为三类:内饰 件、外饰件、功能结构件。外饰件以塑代钢,增加塑料产品的应用量,减轻汽车重 量,达到节能的目的,如乘用车的翼子板、尾门及非乘用车 保险杠等。内饰件以安全、环 保、舒适为应用特征,用 可吸收冲击能量和振动能 量的弹性体和发泡塑 料制造仪表板、座椅及骨架、头枕等产品,以减轻碰撞时对 人体的伤害,提高汽车的 安全系数。功能结构件多采用 高强度工程塑料,减轻 重量,降低成本,简 化工艺。如用塑料燃油 箱,发动机、前端框架和底盘上的一 些管类零件等等。下面仅介绍工 程塑料在汽车动力系统及车身 上的应用。

2.1工程塑料在发动机中应用

早已作为汽车内饰件优先选用材料并不断扩大应用作汽车外饰件材料,现在又开始令人瞩目的应用于制造汽车发动机室内的功能部件,将来可能取代金属制造汽车动力系统的几乎每一种零件。现在,轿车、面包车、小卡车上使用的塑料,大约25%用于发动机室内,发动机和燃油系统有越来越多的金属件改用塑料制造。

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汽车发动机是产生高温和动力的地方,所以其零件宜用塑料制造。目前,塑料正在美国产汽车的气门套和进气总管制造中取得新的进展。新型玻纤增强尼龙6和66以及热固性乙烯基酯化合物正在取代金属气门套(也称作摇杆或凸轮盖),具有质量轻、成本低、设计灵活等优点。

汽车发动机室内进气歧管是最有可能用工程塑料和热固性塑料包括聚苯硫醚、尼龙、聚醚整体塑料(BMC)和酚醛塑料制造的部件。在美国,应用工程塑料制造进气歧管、气缸盖和油底壳等零部件,使汽车轻量化是种发展趋势。使用新型工程塑料制造的进气歧管,其重量可以降低2kg。预计仅发动机系统就可以通过应用工程塑料减轻自重12kg。由于工程塑料在减轻汽车重量方面有很大优势,预计今后几年工程塑料会在汽车行业得到大量应用。

发动机气缸盖罩是汽车发动机室内最适合用工程塑料注塑制造的部件之一。许多公司都主要选用增强乙烯基酯和酚醛树脂模塑的热固性塑料结构,因其耐热性高,防火安全性能好。

2.2汽车车身的工程塑料部件

塑料汽车的特点是重量轻、节省燃料;生产所用的模具简单,易于成形,成本较低。汽车轻量化的关键在于汽车车身,用塑料制作车身覆盖件可以一次成型,不需要进行后处理和机械加工,可降低成本。塑料已经在装饰件及车身一些结构功能部件(如前端框架、加油口盖、落水槽等)上得到广泛应用,可是人们的追求的目标是应用在整个车身外壳上。塑料汽车的关键是汽车的稳定性以及车架的强度,经过多年的研究,已基本上解决了生产难题。最具有名声的全塑汽车是美国通用公司的土星汽车,其车身和车架采用新型增强塑料。还有德国尼奥普兰公司的全塑壳大型轿车,质量只有普通轿车的43%,可节省燃料20%~30%。它的一辆试验车横穿撒哈拉沙漠,能耐70℃的高温。且与4lkm/h时速的载货汽车相撞时,驾驶员和乘客均无损伤。福特汽车公司将复合材料底盘应用在一辆叫”探索者”的小皮卡样车上。

3工程塑料在汽车领域的发展趋势

随着塑料制品在 汽车应用上的范围扩大、用 量增加,预计在今后的l0 年里,我国汽车工业 对塑料制品的需求量将达 到年均10%的增长率。我 国汽车消费的各种塑料排列次 序为聚丙烯、聚氯乙烯、聚 氨酯、不饱和聚酯、ABS、酚 醛树脂、聚乙烯和聚酰胺。资 料显示,PP、PE等通用塑 料的改性品种由于性能 高,质量好,其应用正 在加快发展。纤维增强聚合 物FRP等新品种由于技术 的成熟,用量也在迅速增 加,而PVC、ABS等则会部分 地被热塑性聚烯烃弹性 体GFPA、TPO等新材料所代 替,因而会相对放慢增长 速率。

在车用塑料零部件成型领域,近年来,我国也开发了不少行之有效的新技术,包括气体辅助注射成型技术、可熔型芯技术、三维和多层中空成型技术、表面处理技术等。但国内汽车用塑料复合材料无论用量、品种还是成型技术都还处于较低的水平,主要存在的问题有:原材料供应不畅、专用树脂牌号少、材料标准不一、成型工艺及模具制造等有关工艺、技术问题还未能得到很好的解决。因此,从总体上看,我国汽车用塑料制品的发展趋势是,增加塑料原料品种和牌号,尤其是在工业上用作功能件、结构件的品种有待开发,提高模具开发和制造能力。

随着汽车负荷的增大,普通塑料已无法满足高应力零件如悬架弹簧、高温零件,如活塞等发动机零件,以及对表面质量要求越来越高的外板等部件的使用要求。复合材料有着极为明显的优势,其拥有更低的密度和更高的比强度,成型工艺性能等更为良好。目前市场上比较常见的复合材料主要有:一是采用纤维增强型复合材料;二是采用高级工程塑料EP及较简单的加工方法则是人们所期望的。高级工程塑料EP的特点:不仅机械强度高,而且综合机械性能好;耐热性、耐久性优良,寿命长,可靠性好;某一方面性能特别好。高分子材料的发展方向除了高性能化外,高功能化也是很有前途的。早期主要用于汽车的内外装饰,如今这些材料已经应用到了汽车的结构件上,为汽车的轻量化做出了巨大贡献。目前塑料在汽车上的使用主要体现在仪表板、车门内板、油箱、风扇叶片、挡泥板等基础构件上。其未来的发展则是朝着研发机车结构构件上进行,通过制造出高性能的塑料来获得更加可靠的汽车构件。

3 结 论

汽车 工业中大量使用塑料,以 代替各种有色金属和合 金钢材,是汽车工业提高 设计的灵活性,降低零部 件加工、装配和维修费 用的有效途径。同时,采 用塑料生产汽车车身和零 部件也是实现汽车轻量 化、节能化的方向之 一。汽车应用塑料车 身及其他塑料零部件,还能 减少工厂设备的投资,减 轻劳动强度。可以预料,塑 料将在汽车工业上的应用越 来越广泛,开发并使用全塑 汽车已不是梦想,一个塑 化的汽车工业时代即将 到来。

参考文献

[1]张文毓,侯世忠.车用新材料及其应用进展[J].现代零部件,2013(5).

[2]闫辉.汽车车身轻量化材料的应用研究[J].机械研究与应用,2013(1).

[3]塑料在“轻量化”汽车中的应用及发展趋势[J].刘西文.中国塑料.2010(12)

[4]高性能工程塑料在汽车领域中的应用与发展[J].杨挺.中国石油和化工经济分析.2010(12)

论文作者:莫毅明

论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第33期

论文发表时间:2019/3/7

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