浅谈汽车塑料件的结构设计原则

1、浅谈汽车塑料件的结构设计原则朱志冬 李敢 刘振玲郑州日产汽车有限公司 河南省 郑州市 450016【摘 要】本文主要从壁厚、加强筋、螺钉安装柱、定位销等方面,介绍了汽车塑料件的结构设计原则。【关键词】 汽车塑料件、结构设计原则Abstract: From the part wall thickness, rib, screw installation column, pin. this paper mainly introduces the structure of the automotive plastic parts design principles.Key words: Plasti

2、c parts, Structure design principles1 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。2汽车塑料件的结构设计原则2.1 壁厚均匀的原则对于热塑性塑料部品,壁厚设计应均匀一致,如果零件中壁厚之间的差别超过了25% ,将在零件中产生很高的内部应力,从而进一步导致零件发生缩痕、气泡以及变形等缺陷,即便是在遵守了壁厚差别不超过25%的情况,壁厚的变化也应该

3、逐渐过渡,且在模具填充时,应使物料从零件比较厚的部分向比较薄的部分流动。下图1(a 就是一个设计不当的例子,零件左边有个较厚的转角部分,它比较薄的中间部分需要更多的时间来凝固。零件的右边是一个更厚的部分,也需要更多的时间才能凝固。很明显,零件不会按照图形中的尺寸做出来。从模具中出来的零件会产生气泡、变形以及缩痕,如图1(b 所示。 图2 改进后的设计2.2 加强筋的设计原则在零件上使用纵向筋和盒状筋可以大大地增强零件的强度。在加强筋的设计过程中,需要考虑加强筋的拔模角度、加强筋厚度与根部圆角的关系以及加强筋的布局等因素。(1加强筋的拔模角度如果加强筋的拔模角度设定过小,零件对模具型芯的包紧力变

4、大,需要加大模具的顶出力,这样有可能造成零件顶出后表面出现顶白问题。而拔模角度过大,有可能造成加强筋顶部厚度太薄,物料难填充,需要提高温度或压力才能填充物料。因此,合理的拔模角度有助于零件成型、减少产品缺陷、节省成本。在实际的汽车塑料件设计中,加强筋的拔模角度一般在1/4°2°之间。(2加强筋设计中的25%原则在加强筋壁厚设计的过程中,基本设计原则如下图3所示,在加强筋和零件壁的交叉位置画上一个圆圈,这个圆圈与加强筋以及零件壁有三个接触点,分别在零件壁的公称壁厚位置以及加强筋根部两边的内角位置。这个圆圈的直径(D 不能超出零件公称壁厚(W 的1.25倍。图3 加强筋设计中的

5、25%原则这种设计方法同样也适用于两个加强筋的交叉、相邻凸台以及筋与凸台等。在设计过程中,一定要仔细分辨出加强筋的最厚部分,比如,对于两个加强筋相互交叉的情况,这个圆圈一定要穿过加强筋在对角线上的半径。如果加强筋的内角过渡太快,将导致在零件中产生内部应力。通过对图3中(a 和(b 的进行分析,图3(a 的内角半径为0.25W 所对应的应力集中系数约为2.3,图3(b 的内角半径为0.5W 所对应的应力集中系数约为1.5,如下图4所示: (a 应力集中系数(R/W :2. 3 (b 应力集中系数(R/W:1.5图4 应力集中系数(R/W 虽然相对于图3(a 中加强筋的底部厚度Y 1,图3(b 中

6、加强筋的底部厚度Y 2减少了,它提供的加强力也将减少,但是,因为图3(b 内应力降低了,加强筋所提供的总体加强作用可能增强。在实际的汽车塑料件设计中,加强筋的根部厚度一般在1.01.5mm 左右,而加强筋的根部圆角一般在0.51mm 左右。(3加强筋的高度与间距 H=3WWR=0.25W R=0.5WY 1 Y 2D=1.25W (a (b在汽车塑料件的设计中,建议使用的加强筋最大高度是公称壁厚(W的3倍(再增加高度也不会明显地增加加强筋的强度,加强筋之间的最小间距为公称壁厚(W的2倍,如图5(a所示。(a多重加强筋的高度与间距(b三角筋的推荐尺寸图5 加强筋的高度与间距而对于三角筋,推荐的设

7、计结构如上图5(b所示。如果三角筋的高度超过壁厚2倍,并不能明显地增强零件的强度。三角筋之间的最小间距同样为公称壁厚(W的2倍。(4加强筋的布局对于加强筋的布局,十字交叉结构是最好的,因为它能应付许多不同的负荷排列变化,正确设计的可承受预期应力的十字结构,可以确保在整个制品上的应力均匀分布。但由于十字交叉处形成的节点存在着材料的积聚,这样可能会导致产品表面出现缩痕问题。我们可以通过把节点挖空来防止这一问题的产生,如图6所示。同时,还必须注意,不要在组件的边相交的地方形成材料积聚,如图7所示。 图6 十字加强筋结构的改良设计图7 组件边相交的加强筋改良设计2.3 螺钉安装柱的设计原则汽车塑料件的

8、螺钉安装柱结构设计要点,主要是考虑螺钉安装柱的拔模斜度和防止零件外观面产生缩痕。通常,为了便于产品脱模,螺钉安装柱的外部尺寸A在拔模时应拔小,内部尺寸B应拔大,拔模角度通常在0.5°1°之间,如下图8所示。 (a无脱模斜度 (b有脱模斜度图8 螺钉安装柱的脱模斜度为了防止螺钉安装柱的外观面产生缩痕,需要对螺钉安装柱进行局部减胶处理,也就是通常我们所说的做“火山口”,如下图9所示。3WW2W最小30°W2WA:外部尺寸B:内部尺寸图9 螺钉安装柱的“火山口”结构在上图9中,零件的公称壁厚与螺钉安装孔径的尺寸关系,如下表: 公称壁厚W/mm3 4 5 螺钉安装孔径D/mm 2.52.6 3.43.5 4.24.42.4 定位销的设计原则汽车塑料件的定位销结构设计要点,主要是考虑防止定位销处的制品外观产生缩痕(如图10,以及在装配过程中定位销头部要有导向C 角,同时对应的安装孔也要倒斜角。(a会产生缩痕的定位销结构 (b改良后的定位销结构图10 定位销结构 3 结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