汽车保险杠薄壁化材料的应用研究


作者:东风汽车公司技术中心 黄骏霖 刘洲 张二荣 高祥达 陈超 李亦琛 日期:2017/10/31 来源:AI《汽车塑化》

近年来,汽车部件的薄壁化技术发展较为迅速,这不仅有助于提升操控性能,还减轻了整车重量,降低了油耗。对汽车零部件厂商而言,薄壁化还有助于缩短成型周期,降低生产成本。当然,对汽车保险杠蒙皮(以下简称“保险杠”)进行薄壁化设计也同样具有这些优势。

保险杠薄壁化的现状及发展趋势

目前,塑料保险杠主要通过注塑成型生产,采用的主流材料为改性聚丙烯(PP)。欧美主机厂出于高安全系数的考虑,量产车型保险杠壁厚一般为2.7~3mm,但正在向2.5 mm靠近。日系车的塑料件更多考虑到降低燃油消耗,主机厂在保险杠薄壁化方面起步较早,目前保险杠主流壁厚为2.2~2.5 mm,也有多款设计的实际零件壁厚已达2mm,且仍有下降趋势,其材料多是与材料供应商同步开发,研发阶段车型的保险杠壁厚甚至达到1.8~2 mm。国内主机厂量产车型保险杠壁厚多为3mm左右,而已知的国内自主品牌汽车的塑料件最薄壁厚为2.6mm。

实际上,主机厂对保险杠制品的要求不断变化,2003年到现在,对于保险杠的要求主要朝着降低综合成本、壁厚减薄至2.0~3mm、能快速成型、产品轻以及刚性好等几个重点方向发展。

保险杠薄壁化材料的性能与分析

据市场调研的结果,基本壁厚为2.5mm的保险杠主要采用的材料是PP+EPDM-TD15,如基本壁厚减薄至2.2mm主要采用的材料是PP+EPDM-TD20。对国际和国内的4家改性PP材料商(A公司、B公司、C公司和D公司)共计8个牌号的材料性能进行了测试,结果见表1和表2。与传统的保险杠用改性PP相比,薄壁化材料有高模量、高韧性和高流动性的特点。

1. 高流动性

壁厚减薄,熔体充模时要受到更大的阻力,同时,熔体冷却速度的加快也容易导致充模不足,这意味着以相同材料注满薄壁型腔需要更大的压力,因此需要提高材料的流动性。材料流动性的提升降低了由于壁厚减薄对注射压力、成型温度和模具温度等条件的影响,同时还可以避免缺胶问题。表征改性PP材料流动性的参数通常是熔融指数,据表1和表2中展示的8款薄壁化材料的熔融指数可以看出:

(1)PP+EPDM-TD20的熔融指数均在30g/10min以上,流动性特别优异的甚至在40g/10min以上;

(2)PP+EPDM-TD15的熔融指数大多在25g/10min以上,C公司的材料稍低于此值,但据悉在某合资品牌车上已量产应用;

(3)A公司的PP+EPDM-TD15和PP+EPDM-TD20熔融指数很接近,但并没有因为后者应用于壁厚更薄(2.2mm)的应用而明显提升材料的流动性,这可能是因为各公司都需要保证材料的刚性、韧性等方面的综合性能,且与各公司的材料配方体系、基料的选择等有关系。

2.高模量

壁厚减薄会导致制品刚度下降。汽车保险杠喷涂后的外观效果要求限制了其背面做加强筋这方面的结构设计,因此,要保证制品的刚度不下降,必须通过提高材料的弯曲模量来弥补制品刚度的不足。理论刚性计算公式如下:

Stiffness(刚性)=E.(b·H3)/12

式中:E为弯曲模量,b为承载宽度,H为壁厚。

要使壁厚不同的两种材料刚性相同,则:

E1H13=E2H23

即H1/H2=(E2/E11/3

据此,图1中给出了等刚性下模量与壁厚的变化关系,可以看出,模量增加10%对应壁厚降低3.5%,模量增加20%对应壁厚可降低7.2%。

对于同一种材料,壁厚不同,缓冲系统的模态也会存在差异。图2取自对保险杠进行CAE模拟振动分析时的振动图像及分析数据。由图2可以看出,蒙皮厚度对保险杠系统模态的影响呈线性上升关系,即保险杠越厚,一阶共振振动频率越高,刚性越大。当壁厚从传统的2.8mm减少到2mm时,一阶模态分析的频率从24.8Hz降低到23.05Hz。因此,在减薄保险杠厚度的情况下,需要大幅提高材料的弯曲模量。通过等刚度下模量与壁厚的换算,模拟分析不同壁厚下的保险杠系统模态,可以有效预测壁厚减薄带来的设计失效风险。

传统保险杠材料用改性PP的弯曲模量一般为1200~1300MPa,而保险杠壁厚减至2.5mm则要求改性PP材料弯曲模量为1500MPa以上,若壁厚减至2.2mm则材料弯曲模量要求在1800MPa以上甚至更多。从表1和表2中展示的8个薄壁化材料的弯曲模量可以看出:

(1)对于PP+EPDM-TD15材料,A、B和C三家公司的材料刚性相当;D公司的材料刚性明显优异,甚至达到了PP+EPDM-TD20材料的级别。

(2)对于PP+EPDM-TD20材料, 依然是D公司的材料刚性最优,A公司和C公司稍逊一筹,B公司材料仅略超过1800MPa。

3.高韧性

汽车保险杠属于被动安全件,是汽车的安全防护装置之一。不仅如此,在汽车与行人发生事故时,保险杠还可以起到一定的保护行人的作用。因此,无论是传统保险杠还是薄壁保险杠都要求材料具有高韧性。通常用材料的冲击强度表征其韧性,传统的保险杠材料冲击强度一般要求在35kJ/m2以上,更严些的要求在40kJ/m2以上;薄壁化材料的冲击强度要求有所下降,但通常也在30 kJ/m2以上。从表1、表2中展示的8个薄壁化材料的冲击强度可以看出:

(1)对于PP+EPDM-TD15材料,冲击强度都在30kJ/m2以上,B公司的材料最优

(2)对于PP+EPDM-TD20材料,冲击强度也都在30kJ/m2以上,其中D公司和B公司的材料冲击强度最优,甚至达到了传统保险杠料的水平。

除用冲击强度来表征材料的韧性外,一些主机厂还用多轴冲击来反映材料的延展性,以预测高速碰撞时保险杠是否会有碎片飞溅。根据ISO 6603-2标准,试验条件为:温度-20℃;落锤直径20mm;落锤配重11.32kg;试样厚度2mm。冲击速度有两种:一种是4.4m/s,另一种为冲击速度2.2m/s。

在此标准中,据材料的破裂形式将延展性由高到低排序为:YD>YS>YU>NY,其中NY代表脆性破裂、无延展性,其他3种均视作韧性破裂。表3给出了这8个牌号在4.4m/s冲击速度下的多轴冲击结果,可以看出:B公司的PP+EPDM-TD15延展性最好;C公司的PP+EPDM-TD15虽然冲击强度超过30kJ/m2,但在-20℃时呈脆性破裂,将冲击速度下降为2.2m/s的结果才呈YU型破裂。这充分说明,评价材料的韧性不仅要考察冲击强度,同时也要考察材料的多轴冲击性能。

总结

薄壁保险杠所用材料具有高模量、高韧性和高熔指的特性。其中,高模量是为了满足制件减薄后的刚性要求,高韧性是为了满足零件碰撞吸能和无脆片飞溅方面的要求。另外,在壁厚减薄的前提下,材料的加工性能必然要求更高,对此高熔指成为了一个必要条件。目前,国内自主品牌已在保险杠薄壁化方面有了应用实践,某些车型已经量产,但基本壁厚大多在2.5mm的阶段。随着应用的成熟以及轻量化发展趋势的推动,一些车型将朝着壁厚2.2mm甚至更薄的方向发展,这对提升PP基料的水平和改性技术提出了更高的挑战,如采用综合性能更好的PP、弹性体以及复配型的高强度填充体系。