汽车悬架结构保险的发展与应用

汽车悬架结构保险的发展与应用

2.2.1微孔pue模型侧护板安装在车库两侧，保险装置在车前车后，在碰撞过程中起到缓冲和减少损伤的作用。所使用的材料不仅具有刚性和弹性，而且具有灵活性。近年来,开始出现采用微孔PUE制作新型悬架结构保险杠。由于微孔PUE硬度低、压缩率高,通过变形能够吸收80%的冲击能量,其余的冲击能量可转移到底架上,这种保险杠具有质轻、安全、平稳、消音的功效。由于使用PU制造价格较贵,因此,与欧洲国家相比,美国则较普遍使用RIM-PUR或RRIM-PUR,制作汽车侧护板和保险杠(见图11),其中前保险杠用RRIM-PUR,而后保险杠用RIM-PUR,这种材料全部通过了“五英里试验”。目前,在欧洲只将它用作高级轿车的保险杠。国内除有些车型的侧护板使用PUE之外,其他还未使用PU材料。2.2.2经济系数的遗传稳定性现代轿车时速经常达100km以上,最高时速更达200km以上,因此轿车车身设计既要服从空气动力学,要有尽可能低的空阻系数,又要采取措施,在车身前后端安装导流板和扰流板,以保证轿车行驶安全。导流板、扰流板通常具有轻质、高刚性、设计新颖并呈流线型等特点。根据不同车型要求采用RIM-PUR或RRIM-PUR工艺制作。在轿车行李箱盖上后端做成像鸭尾似的突出物,将从车顶冲下来的气流阻滞一下,形成向下的作用力,这种突出物称为扰流板。国内一汽生产的高尔夫轿车采用RIM-PUR扰流板。2.2.3翼子板的制作翼子板(也叫挡泥板)的作用是在汽车行驶过程中,防止被车轮卷起的砂石、泥浆溅到车厢的底部。因此,要求所使用材料具有耐气候老化和良好的成型加工性。斯太尔1491的翼子板采用RIM-PUR或RRIM-PUR微孔PUE制作。现在,翼子板用塑料多为PU类,也有采用树脂制作的。2.2.4制作pc/abs时,采用pc/abs等形式制作,其营造脚踏板是中、重型汽车或客车的重要外饰功能件,因对其强度要求较高,且需具有耐磨、抗冲击的特性,所以有些车选用PC/ABS注塑而成,有些车选用FRP、PUR或SMC制作,如斯太尔王的脚踏板就是用PU制作的(见图13)。2.2.5玻璃包边配方应用RIM工艺,生产汽车玻璃PU包边制品。国内黎明化工研究院已向市场提供5个牌号的玻璃包边用料,其中MDI体系有3个牌号,IPDI体系有2个牌号(见表10)。2.2.6空气滤芯封端用puePUE主要用于制造空气滤清器芯,用于端面密封部位作密封材料。汽车空气滤清器是汽车发动机不可缺少的附件。传统汽车空气滤清器是在滤纸滤芯的两端用胶黏剂黏结金属盖,然后再在金属端盖上面粘上橡胶圈制成。现使用PUE封端空气滤芯,具有重量轻、加工工艺简单、生产效率高、能耗低、密封好等优点。空气滤清器滤芯封端用PUE材料性能(国内某汽车公司企标):制品密度/(kg.m-3),450±150;拉伸强度/MPa,>0.8;断裂伸长率/%,>120;压缩变定(22h,70℃,压缩50%)/%,<20;压缩硬度/kPa,200±150。2.2.7动态疲劳性微孔PUE制件可应用于车辆弹簧系统中的辅助件,作为缓冲止位块具有优异的抗冲击性能,对提高车辆的性能有特别明显的效果,并大大提高减振器的使用寿命。缓冲止位块安装在振动吸收器的活塞杆上,与钢圈弹簧相结合,构成汽车的减振系统,使车辆具有吸收振动的能力,对运行和乘坐的舒适性至关重要。对于弹簧系统,既要载荷小而形变大,又要载荷大而形变小,即具有一种特定的称之为“渐进性”的特性。微孔PUE就是这种具有渐进性形变和载荷性能的材料。对微孔PUE所作的应力压缩实验表明,在材料受力形变的开始阶段,应力上升很少,直到形变达到35%左右时,应力明显上升,而形变则迅速趋向最高值,这就决定着车辆对道路的适应性和乘坐的舒适性。目前超过90%的轿车都采用微孔PUE减振缓冲块,它与橡胶减振缓冲块相比,具有非常高的可压缩性和变形能力、优良的力学性能及突出的耐动态疲劳性。性能指标:邵A硬度,55±5;拉伸强度/MPa,≥1.0;断裂伸长率/%,≥100;撕裂强度/(N.mm-1),≥5。2.3pu轮胎生产的优势轮胎在汽车所有部件中占据十分重要的地位,对汽车行驶性能影响很大。普通橡胶轮胎在使用过程中暴露出寿命较短、耐磨性和抗撕裂强度较差的缺点,还由于材料中添加有芳烃油类致癌物质,报废后回收再生难度较大,且易造成环境污染。自从1992年法国米其林提出绿色轮胎概念以来,世界各国竞相开发,已成为轮胎行业发展的战略重点。PUE是目前最耐磨的弹性体。与橡胶相比具有优异的耐磨性和耐介质性、较高的抗撕裂强度,加之生产工艺简单,投资少,废旧轮胎回收利用易实现,所以是制造轮胎的理想材料。但是PU材料耐高温性能较差,在紧急制动时胎面热量积累快、升温高,致使轮胎的性能迅速下降(100℃的耐磨性和抗撕裂强度只有常温下的20%左右),成为影响PU轮胎实用化的主要原因。PU轮胎一般采用浇注工艺制造,其结构同目前生产的橡胶轮胎有很大区别。全PU充气轮胎的胎体和胎面分别用不同模量的PUE制作,以适应轮胎不同部位的性能要求。此外,采用子午胎胎体与PU胎面组成的复合轮胎,既能保持子午胎滚动阻力小、安全舒适性高的优点,又具有PUE耐磨、无污染的特点,这种复合轮胎的行驶里程比普通轮胎提高1~5倍。国外从20世纪60年代开始研究PU轮胎,但总的来说在散热方面无重大突破,已批量生产的多为低速轮胎。目前,艾美莱(Amerityre)公司已研制出一种特殊的PU材料,克服了不耐热的缺点。这种材料由多元醇、MDI和添加剂等成分组成。艾美莱公司已经为这种材料申请了专利。艾美莱公司利用其开发的专有配方,采用直接注塑法生产PU轮胎。这种工艺与传统的层式轮胎生产方法不同,它是将PU直接浇入旋转的模腔中,模腔的旋转速度通常为300r/min。利用离心力的作用,可将物料均匀地分散在滚珠和带子的周围,从而使滚珠和带子与模腔的中央形成一个整体结构。通过测试,艾美莱公司的PU轮胎完全符合美国联邦机动车安全标准109的要求。艾美莱公司实物尺寸的PU弹性体备用轮胎已通过美国联邦安全标准FMVSS129的测试,该公司用于小、中型汽车的轮胎已于2005年4月份通过这一标准。可以说,这是PU汽车轮胎向商业化方向迈进的第一步。在取代橡胶轮胎方面,艾美莱公司研制的PU汽车轮胎之所以具有很大的潜力,是因为与其他传统橡胶产品相比,具有非常明显的优势,主要表现在:(1)PU材料的化学结构保证了轮胎具有良好的稳定性。由于PU是一种完全反应的聚合物,其分子间都是通过化学键连接的,从而避免了被氧化或被其他化学品滤取的可能,在理论上延长了轮胎的寿命。而对于橡胶来说,由于在其硫化过程中留下的未键合的部分会随着橡胶的老化继续发生反应,致使橡胶很容易出现硬化、开裂等问题,从而加快了备用轮胎的更换频率。(2)PU轮胎的生产成本更低。通常,生产橡胶轮胎的过程很复杂,往往需要使用昂贵的设备,如密闭式混炼机、压光机、挤出机及平板硫化机,而且其硫化过程周期长达30~40min。艾美莱公司生产PU轮胎的加工工艺则完全取消了上述过程,它只需要一个简单的旋转注塑操作过程(图17),且每3min就可生产出1个新轮胎。若想利用此工艺每年生产100万个轮胎,则全部投资仅需500万美元即可。与具有相同产能的传统轮胎工厂相比,尽管上述2种原材料所耗费的成本差不多,但凭借如此高的生产效率,可使投资减少10%。因此,使用艾美莱公司的制造工艺生产出的PU轮胎,其成本将显著降低。(3)PU轮胎的性能好。长久以来,通过原工艺生产的PU轮胎在测试过程中总存在着诸如抗湿滑、刹车时熔融等方面的问题。据介绍,使用艾美莱公司配方生产的PU轮胎完全能够达到同橡胶轮胎一样的所有测试指标,甚至还超过橡胶轮胎所具有的性能值。仅就轮胎的滚动阻力指标而言(这是轮胎的关键指标),艾美莱公司的PU轮胎比传统轮胎要小45%,这是由于PU轮胎可被制得非常圆,从而有利于减少滚动阻力。因此,据估计,装配有PU轮胎的汽车可比装配传统橡胶轮胎的汽车节省10%的燃油费用。固特异公司曾得到艾美莱公司允许,利用上述材料试制新一代PU轮胎。经实验证明,新产品在安全性、均匀性和耐磨性上均比普通橡胶轮胎好,且不易产生胎面剥离和爆胎。此外,由于氨基甲酸酯基含量高是导致PU高温性能较差的主要原因,国外研制出由三聚异氰酸酯作原料的PU弹性体,通常可耐170℃的高温。相信通过不断的开发研究,随着PU材料性能及其轮胎制造工艺的改善,大规模生产PU轮胎会在不久的将来成为现实。米其林北美公司的PU轮毂一体型轮胎——Tweel轮胎曾经装在奥迪A4车上试驾。国内报道有上海某轮胎企业组织了PU轮胎技术鉴定。华南某高校研究开发成功PU-橡胶复合轮胎,该轮胎胎面的耐热性能和动态性能达到相关要求,PU胎面与橡胶的黏合性良好,因此它既保持了橡胶轮胎安全、舒适的特点,又具有PU胎面耐磨和无污染的优点,行驶里程比普通橡胶轮胎延长1~5倍。2.3.2“自愈合”型拜耳公司开发的牌号为TexinDP7-3007的脂肪族TPU,属于结晶透明挤出品级,曾用于生产宝马Z8Roadster款轿车的浅色后窗。这种透明TPU材料的无定形结构部分与普通的TPU材料有所不同,它具有很高蠕变性即自我愈合能力。这种后窗较普通后窗有很强的抗刮伤能力,并可经受自动洗车时的冲击。高抗挠屈性和耐折性并不影响车窗的透明性,与玻璃相比还可减轻质量。2.3.3well-sield汽车气藏型产品汽车保护膜主要用于汽车发动机罩前缘、前后保险杠、车门下围板、钥匙锁装置、门锁把手等的包覆,以及其他需要保护免受石片打击、耐磨和保护汽车面漆等场合。目前美国AveryDennison工业汽车产品北美公司推出了StoneShield汽车保护膜产品。StoneShield汽车保护膜由0.2mm厚的透明脂肪族TPU制成,其一面涂有压敏胶和离型纸衬。AveryDennison公司采用特殊的热处理工艺,使得保护膜有非常高的光泽与汽车的亮涂层相匹配。该薄膜具有光稳定性,抗紫外光降解,不受气候和温度变化影响,另外,它具有极好的光学透明度,透光率高达94%,而雾浊水平低于1%,因此能透过保护膜显示出汽车的本色。2.3.4化学成分材料汽车防滑链设置是为了在冰雪路面上保证汽车安全行驶,以前大多采用铁链,质重、噪音大、易损轮胎和路面等。非金属防滑链采用TPU塑料,具有重量轻、耐低温、耐磨损及较大的抗拉断能力等性能。设计采用防滑性能最好的网状结构,触地面预埋高硬度合金钉,360°全方位防滑,起步不打滑、刹车不跑偏、破冰雪不损路面、无震动,汽车驱动轮安装即可(见图18)。2.3.5碳纤维调湿罐目前使用的高压天然气贮罐体积大,成本高或容量小,使得以压缩天然气为燃料的汽车行程只有160km左右,Chrysler汽车公司和JohnsHopkins大学应用物理实验室合作,开发了一种轻质贮罐,用高密度PU泡沫与碳纤维制成,能被放在泡沫底座中,与常规汽油贮罐相似。Chrysler汽车公司称,该类贮罐能装载足够量25MPa压力的压缩天然气,使汽车行程可达到480km左右。2.3.6车辆污染物BASF公司、Huntsman公司已开发出用于汽车内部装饰的PUE表皮,它的性能优于目前采用的PVC及其他表皮材料。PUE表皮材料具有优异的机械性能,表皮厚度仅0.8mm,质轻约30%,有非常好的皮革粒面感、优异的耐久柔韧性,易于双色调处理,同时有良好的耐温差和耐候能力。该材料可用于汽车面板、仪表板、门内板、中央控制板等(见图19)。目前已用于BuickPakyAvenue、OldsmobileAurora及CadillacCTS等轿车仪表板和门内板,还将用于CadillacSeville和CadillacDeville等车型。HuntsmanRIMPUE表皮的典型性能:相对密度,1.13;邵A硬度,76。最初性能:抗拉强度/MPa,6.65;延伸率/%,190;直角撕裂强度/(N.mm-1),45.7;裤形撕裂强度/(N.mm-1),4.34。湿老化后性能:抗拉强度/MPa,6.7;延伸率/%,205;直角撕裂强度/(N.mm-1),28;裤形撕裂强度/(N.mm-1),26。120℃,500h后:抗拉强度/MPa,7.04;延伸率/%,320;直角撕裂强度/(N.mm-1),37.3;裤形撕裂强度/(N.mm-1),13.44。法国Faurecia公司曾使用CPU表皮为Mercedes公司的奔驰S级汽车生产仪表板、门板和中央贮藏柜,该级别轿车在2005年9月的法兰克福汽车展会上展出过。2.3.7可选用pu材料来制作在汽车上安装安全气囊是现代汽车工业发展的必然趋势,对保护驾驶员的生命安全有着重大作用。安全气囊必须具有一定的强度,能够承受高速冲击,还要求有较好的低温柔韧性,因此适合采用PU材料来制作。气囊的皮层选用PUE,背面衬以PU泡沫,此外也可使用自结皮PU泡沫塑料,每个安全气囊的材料用量为200~400g。2.3.8汽车点火线圈PUE联轴节与普通橡胶联轴节相比,不仅具有优异的耐磨、耐油及减振缓冲性能,而且还有噪音小、传动扭矩大、运转平稳、强度高、使用寿命长等特点,在汽车上已获得广泛应用。随着市场需求不断增加,各种新型PUE应运而生。美国EAR特种复合材料公司生产的IsolossHD高性能阻尼PUE,在-17.8℃的低温环境中仍具有高阻尼性能,而且机械强度高,尺寸稳定性好,能够耐多种溶剂,用其制成的胶垫、密封件、套环、缓冲件及轴封等都具有很好的阻尼作用。最近,BASF公司开发出一种名为Elastoskin的PUE,可用于制作汽车表面装修材料,性能优于目前的PVC或其他类似的材料,具有良好的耐温性和耐候性,坚固耐用,价格低廉,能够实现多次重复利用。2.3.9点火线圈干式点火线圈是汽车点火线圈的发展方向,其中软灌封工艺采用PU作为灌封材料,如美国EPIC公司的双组分PU灌封材料。据该公司网站公布的资料,共有12种牌号的产品,其中S7207绝缘强度达到26.97~29.72MV/m(厚度1.27mm)。使用PU灌封材料封装的点火线圈环境适应能力较强,抗震性能和耐冷热循环性能特别优越,能够较好地适应汽车点火线圈高性能化发展的要求。特别是解决了环氧树脂与内部构件热膨胀系数相差较大,造成应力集中而产生细微裂缝的问题。目前国内干式点火线圈的产量约为几百万只,有研究者认为中国将成为全球干式点火线圈的制造中心,预计未来几年产量将会超过1000万只。黎明化工研究院已经批量提供牌号R1005双组分绝缘灌封材料,用于各种点火线圈的封装。2.4.1改性pu私家车用玻璃胶采用橡胶密封条来实现车窗玻璃与车身的固定密封,仍是目前载货车广为采用的方式,与此同时,轿车和豪华客车的生产已普遍应用单组分湿气固化PU胶的“直接粘接法”,该工艺不仅能够将车窗玻璃和车身牢固结合成为一个整体,增强车体刚性及抗扭曲能力,使密封性能和安全可靠性明显提高,而且可减轻车体自重,有利于车体动力学设计。目前单组分湿气固化PU挡风玻璃胶通常要与清洗剂、玻璃底剂、漆面底剂配合使用,底剂的采用能够与PU胶形成化学键结合,提高被粘物表面的附着性,在被粘物与胶黏剂之间发挥桥梁作用,起到增加粘接强度和耐老化性能的作用。挡风玻璃粘接密封剂主要有聚硫、PU和有机硅密封胶。国内除高档轿车用引进的单组分高模量PU胶外,多用双组分PU密封胶和三组分聚硫密封胶。在过去较长一段时间内,我国汽车挡风玻璃胶一直依赖进口,“八五”期间,开发这一品种被列入国家重点科技攻关项目,经过相关研究和生产单位的积极努力,该产品已实现了国产化。近年来,国外PU挡风玻璃胶已发展到无底剂阶段,取消漆面底剂,简化了操作工艺。瞬时定位型挡风玻璃胶的研究也有报道。在车窗装配时通过配备加热涂布装置,使微热的胶料对被粘物立刻产生较高的初粘强度,保证车窗玻璃的定位,然后逐步达到完全固化,从而解决了PU胶固化速度慢,需要夹具配合装配的不便。2.4.2水性pu胶车顶压机汽车内饰用泡沫背衬乙烯基塑料、织物与纤维板和其他硬质基材的粘接,过去一直使用溶剂型胶黏剂,随着环保法规日趋严格,世界各国大力开发水性胶黏剂升级产品。水性PU胶具有耐水性和耐介质性、粘接强度高、贮存稳定、低温环境下成膜性好等特点,加上安全环保的优势,使之成为水性胶黏剂的主要发展方向之一。目前世界上超过1/3的汽车顶棚内衬胶黏剂都属于该类产品,国内轿车生产也相继采用这一技术。一汽长春富奥-江森自控汽车饰件系统有限公司投入巨资,从意大利进口全套水性PU车顶棚内衬黏合剂及汽车顶棚制造设备,现已具备了自主生产高质量环保汽车顶棚的能力和给汽车配套豪华内饰的条件。水性PU顶棚内衬黏合剂的有效成分是水基活性PU,它将毛毡和棉布紧密地黏合在一起,使汽车内部环境更为舒适。该产品属于水性PU,其技术含量与同类产品相比处于领先地位。水性PU黏合剂由于不含溶剂,因此不会释放甲醛和苯,而且其性能优越、安全环保、不污染环境,在使用时不会危害人体健康,尤其不会危害乘车人的健康。目前,这种新型环保黏合剂已在一汽、上汽等国内汽车制造商生产的轿车上采用。目前发达国家正进一步致力于水性PU胶降低成本、提高性能的研究工作。美国LeungPakT等开发适用于热成型层压工艺的水性PU胶,粘接强度和耐热性能远高于目前使用的溶剂型或其他水基胶所粘接成型的外覆PVC膜的制品,可用于制造汽车仪表板、门板及其他内饰件。日本针对水性PU胶初粘力小的问题,在PU中引入环氧树脂,成功地研制出具有良好初粘性能的产品。2.4.3聚苯胺胶黏剂用于聚对车悬架的粘接结构型PU胶黏剂用于汽车部件的粘接,最初成功地作为PU结构胶用于汽车者是美国Goodyear公司的pliogrip,它系无溶剂双组分反应型胶黏剂,1967年用于载重汽车的5MC型发动机罩的粘接。随后GM,Ford,Mack等公司相继于大型载重卡车的SMC部件上以其进行粘接,接着又推广到FRP部件。日本从美国引进技术,并进行改性。1984年用日产PU胶粘接丰田汽车塑料结构件,效果令人满意。它可随配方调整而有不同结构和组成,制造出具有不同用途、不同黏度和不同抗下垂性等特性的胶黏剂,而其粘接强度不变;其剪切强度与环氧树脂相当,同时又显示出较高的剥离强度。2.5涂料领域的应用与在其他领域的广泛应用类似,PU涂料因其涂膜具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐化学品性、硬度大、高弹性等优点,在汽车涂料领域也具有广泛应用及良好的发展前景。汽车制造中使用的涂料范围很广,根据使用部位不同,习惯上分为3种:一为车体零部件、内饰件、外装件等使用的涂料;另一类为车身表面涂装使用的涂料,即通常所谓汽车漆;此外,还有用于汽车车身修补的修补漆。PU涂料在这三者中均占有一定地位,特别是水性PU涂料,以其优越的性能、对环境影响小等特点,极具发展潜力。2.5.1不同涂料品种的选择和使用车体零部件、内饰件、外装件种类较多,对涂料的要求各不相同,主要依据基材的特点和使用要求选择不同的涂料品种。如保险杠使用丙烯酸PU涂料;挡泥板、侧护板和保险杠下护板使用PU底漆;车轮罩、扰流板、车门把手采用PU涂料;奥地利VianovaResins公司用于汽车内部装饰的是双组分PU涂料等。2.5.2汽车底漆和面漆的选择用于车身表面涂装的涂料具有特殊的应用要求,主要有2点,一是极高的表观要求;二是很高的防腐蚀要求和防损伤要求。但耐用、美观、环保是其共同的发展方向,特别是近年来世界各国对环保要求愈来愈严格,对汽车涂料的VOC提出了苛刻要求,一些新型PU涂料如水性、高固体份、粉末PU涂料正是符合这一要求的有着光明前景的涂料品种。用于车身表面涂装的涂料通常分为底漆、中涂漆、面漆3层,均可使用PU涂料或改性PU涂料。(1)汽车底漆目前使用的底漆基本上均为阴极电泳涂料。PU电泳涂料主要有3类,即水性PU树脂电泳漆、PU改性水性树脂电泳漆和水性封闭多异氰酸酯。其中,水性封闭多异氰酸酯作为各种电泳漆的交联剂使用最为普遍。近年阴极电泳PU涂料在汽车涂装中使用极为成功,发展十分迅速。为适应产品的特殊要求,一些新型电泳涂料也不断出现,如德国研制的一种低温固化PU阴极电泳涂料,需二次烘干,固化条件为:160℃、10min;130℃、30min;国内对阴极电泳PU涂料的研究与报道也很多,并已成为研究热点之一[25~27]。(2)中涂漆汽车中涂漆也称为二道浆。目前应用的PU中涂漆既有溶剂型的也有水性的,如国内中鄂长颈鹿牌、郑州拓立制漆公司的双组分高填充性PU漆,国外杜邦1020R双组分PU中涂漆,Hoec