毕业设计（论文）-轿车快速插接头结构设计及仿真.pdf

诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导 下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中 列出。 本人签名：年月日 毕业设计任务书毕业设计任务书 设计题目：轿车快速插接头结构设计及仿真 系部：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化学号：112011139 学生：史芳颖指导教师（含职称）：王喜刚（副教授） 1课题意义及目标 我应通过本次毕业设计，综合运用自己所学过的基础理论知识，深入了解常用机 械加工设备应用以及多种机械结构原理、熟练掌握机械及相关产品及其零部件结构等 方面的设计方法及设计思想等内容，为学生在毕业后从事结构设计等方面的工作打好 基础。 2主要任务 （1）通过对现有的各种汽车快插接头结构的熟悉了解，测绘出典型的快插接头 的结构，并绘制该结构的总体结构图。 （2）根据总体结构图，设计所有非标零部件结构图。 （3）对所有非标零部件结构进行尺寸设计计算。 （4）熟悉一套软件，制作快插接头使用的仿真过程。 （5）针对以上设计过程，完成设计说明书一本。 3主要参考资料 1. 王伯平. 互换性与测量技术基础M. 北京: 机械工业出版社，2013 2. 王运炎. 机械工程材料 M. 北京: 机械工业出版社，2014 3. 濮良贵. 机械设计 M. 北京: 高等教育出版社，2006 年 4. 张世昌. 机械制造技术基础 M. 北京: 高等教育出版社 2006 4进度安排 设计各阶段名称起止日期 1 分析题目，确定设计思路3 月 3 日3 月 23 日 2 学习相关知识，收集资料、确定方案3 月 24 日4 月 13 日 3 设计结构总图，及所有非标零件图等4 月 14 日5 月 4 日 4 编写设计说明书5 月 5 日6 月 1 日 5 完成毕业论文及答辩工作6 月 2 日6 月 22 日 审核人审核人：年月日 轿车快速插接头结构设计及仿真 摘要：本设计主要是对轿车快插接头的结构进行设计以及对汽车的轻量化发展整体 认识的一个过程。较为详细地叙述了快插接头的结构设计以及汽车轻量化发展的情 况。 根据现有的快插接头实物，确定了轿车用20 的快插接头结构设计的方案设计过 程。利用 CAD 等软件绘制出快插接头的结构图，然后根据其中各个部件，详细分析各 零部件的结构形式，功能，以及尺寸设计。最后使用三维软件制作了轿车快插接头工 作动作的仿真过程。与此同时，在设计过程中，对所运用的技术，理论，方法以及其 他相关知识进行了详细了解。 通过此次毕业设计， 我在对快插接头结构的设计的同时， 进一步深入了解了快插接头的实际应用以及汽车轻量化的一个整体发展。自己能够综 合应用所学专业知识设计知识来设计机械相关产品及其零部件，也形成了独立熟练检 索文献资料的习惯。 关键词：快速插接头；尼龙管；金属管；汽车轻量化 Structural Design and Simulation of the Cars Quick Plug and Joint Abstract：This thesis focuses on structural design of the cars quick plug connector and an overall recognition on the cars lightweight development. Based on existing real quick plug connectors, the structural scheme design of the cars 20 quick plug connector is determined according to the following steps. Firstly, draw the structural graphing of the quick plug connector with CAD software; secondly, specifically analyze structural forms, functions and dimensional design of its components and parts; thirdly, the simulation working process of the cars quick plug connector is worked out with three-dimensional software. Meanwhile, the thesis carries out detailed study on the cars quick plug connector with the applied technology, theory and approach and related knowledge. Through this graduation thesis, I have a further understanding of practical application of the cars quick plug connector and the overall development status of the cars lightweight. In addition, I can design machinery related products and components through flexible application of my professional knowledge. I also develop a good habit of independent retrieving document literature. Keywords: quick plug and joint, nylon tube, metal tube, the cars lightweight I 目录 1前言.1 1.1 轿车快速插接头的概述及用途1 2轿车快速插接头的结构设计.2 2.1快速插接头的分类.2 2.1.1 直型快插接头.2 2.1.2 L 型快插接头 2 2.1.3 其它型快插接头.3 2.2 快插接头的安装使用方法3 2.3 快速插接头的材料设计.3 2.3.1 快速插接头的外壳材料.4 2.3.2 快速插接头零部件材料.4 2.4快速插接头的尺寸设计.6 2.4.1 快速插接头外壳及主要尺寸的确定.6 2.4.2 快插接头内部零部件尺寸的确定.7 3 快插接头的工作环境.8 4 汽车轻量化.11 4.1汽车轻量化发展的概述.11 4.1.1汽车轻量化发展的意义.11 4.1.2 汽车轻量化的实质12 4.1.3 汽车轻量化技术.13 4.2 汽车轻量化技术的分类13 4.3 汽车轻量化的发展现状及前景15 4.4汽车轻量化的实现方法.16 5塑料.21 5.1 汽车塑料的介绍21 5.1.1 汽车塑料的性能21 5.1.2 汽车塑料在汽车轻量化中的应用21 5.1.3 汽车塑料材料与制品的发展趋势23 6尼龙管.24 II 6.1 尼龙管的介绍.24 7 结论.26 参考文献.27 致谢.29 太原工业学院毕业设计 1 1前言1前言 1.1 轿车快速插接头的概述及用途轿车快速插接头的概述及用途 当今世界汽车工业市场上都在走着可持续发展道路，毕竟汽车市场能源的需求量 是非常大的。为了可持续发展的继续实施，汽车工业市场都相继提出了汽车轻量化发 展。在汽车轻量化发展的过程中，汽车本身零部件的改变起到了至关重要的作用，不 少汽车零部件都由之前的金属件换成了塑料件，使汽车本身的重量下降了许多，而在 改变零部件材料的过程中，各个零部件之间的连接又是一个很重要的问题，这时，快 速插接头的产生就起到了重要的作用。 汽车快速插接头一般安装在汽车底部，用于汽车燃油管道系统中，用于油箱金属 管和油箱外部尼龙管之间的连接，再用绳扣固定于汽车底盘。很好的解决了金属件与 非金属件之间的连接问题。极大推进了汽车轻量化的进行。 太原工业学院毕业设计 2 2轿车快速插接头的结构设计轿车快速插接头的结构设计 2.1快速插接头的分类2.1快速插接头的分类 2.1.1 直型快插接头2.1.1 直型快插接头 最常规的一种快插接头，用于所连接的金属管和尼龙管处于同一直线状态及安装 环境平坦的条件下。例如： 2.1.2 L 型快插接头型快插接头 用于拐角处的安装环境，所安装的金属管与尼龙管不处于同一直线状态。例如： 太原工业学院毕业设计 3 2.1.3 其它型快插接头2.1.3 其它型快插接头 （1）T 型快插接头，用于一根金属管和两根尼龙管同时连接的连接件；（2）三 通型快插接头，用于三根尼龙管同时连接的快插接头；（3）弯型快插接头，类似于 L 型快插接头，也是用于不处于同一直线上的金属管与尼龙管的连接。 2.2 快插接头的安装使用方法2.2 快插接头的安装使用方法 快插接头前头带有竹节状的管是用于连接和固定尼龙管的，下端方形的部分是用 于金属管的连接各固定的，尼龙管端的连接：先是把尼龙管加热至软化膨胀，然后套 进竹节端的那一头， 然后用卡套卡在竹节处， 把尼龙管固定住， 直到尼龙管冷却缩紧； 金属管的连接：即将金属管插进快插接头带有自锁扣的方形部分，直至金属环的卡扣 和快插接头的自锁扣互相扣紧，金属管的连接也就完成了。最后再用绳套把快插接头 固定在汽车底盘，这样快插接头的安装也就结束了。 2.3 快速插接头的材料设计2.3 快速插接头的材料设计 太原工业学院毕业设计 4 本次设计确定是直型快插接头的结构设计。 2.3.1 快速插接头的外壳材料2.3.1 快速插接头的外壳材料 为了体现汽车轻量化，所以材料也应尽可能选择轻型材料，而连接件外壳的材料 需要具备的性能为： （1）耐高低温；因快插接头固定于汽车底盘，将常年经受高低温的考验。 （2）耐腐蚀性；因快插接头是位于燃油管道的连接，耐汽油腐蚀性能要求很高。 等等。 所以，按照 SAE J2044-2009标准，选择尼龙 PA11塑料材料作为快插接头的外壳 材料。 2.3.2 快速插接头零部件材料2.3.2 快速插接头零部件材料 快速插接头的零部件分为杉树环、外 O 型密封圈，隔离环，内 O 型密封圈，安全 环和自锁扣。 杉树环，外（内）O 型密封圈都起密封作用，所以均采用橡胶材料； 隔离环，安全环，自锁扣，本着轻量化原则，也采用尼龙 PA11的塑料材料。 杉树环，密封圈等橡胶圈： 太原工业学院毕业设计 5 隔离环： 安全环： 太原工业学院毕业设计 6 自锁扣： 2.4快速插接头的尺寸设计2.4快速插接头的尺寸设计 2.4.1 快速插接头外壳及主要尺寸的确定快速插接头外壳及主要尺寸的确定 （1）由实物量得尼龙管连接处竹节段长度，取近似值为 L1=80mm， 市场尼龙管直径一般为1820mm，取竹节段直径为：1=19.7mm，竹节高 度为0.85mm； （2）已定金属管插入直径为2=20mm， 考虑自锁扣及外壳厚度，取方形外壳边长为 a=40mm； （3）实物量得自锁扣部分外壳长度，取近似值为 L2=20mm； （4）实物量得快速插接头固定部分及内部环部分的外壳长度，取 L3=21.6mm； 接头固定部分长度量得 l=5mm。 (5)L（总）=91.6mm 太原工业学院毕业设计 7 2.4.2 快插接头内部零部件尺寸的确定2.4.2 快插接头内部零部件尺寸的确定 （1）杉树环的尺寸确定 杉树环材料是橡胶，起密封作用 杉树环外环尺寸=竹节段直径=1=19.7mm 内环尺寸=竹节段直径-竹节高度=1-0.85*2=18mm （2）外（内）O 型密封圈的尺寸确定 杉树环起尼龙管的密封作用，外（内）O 型密封圈就相对应的起到了金属管的 密封作用， 外（内）O 型密封圈的内环尺寸=金属管直径=2=20mm 外环尺寸 =内环尺寸+23=26mm （3）隔离环的尺寸确定 隔离环是塑料材料 尺寸确定为直径=金属管直径=2=20mm，厚度为 2mm，宽度为 3mm。 （4）安全环的尺寸确定 安全环与前面三个零部件固定在一起 安全环内环直径尺寸=外（内）O 型密封圈=隔离环=2=20mm 又实物量得安全环厚度为 4mm， 实物量得安全环外圈直径为 30mm， 实物量得各个凹槽宽度为 2mm，深度为 3mm。 （5）自锁扣的尺寸确定 自锁扣是为了固定金属管， 自锁扣的扣的长度应比金属管直径略短，取 l=18mm， 太原工业学院毕业设计 8 3 快插接头的工作环境3 快插接头的工作环境 汽油和柴油的油箱和发动机传动系统，或甲醇，乙醇，天然气运输系统，或排汽 或挥发排放控制系统 运转压力最高达 500 kPa、5 bar、（72psig） 运转真空度低至-50 kPa、-0.55 bar、（-7.2psig） 运转温度范围-40 （-40F)到 115 （-239F)，短时间内的 150。 太原工业学院毕业设计 9 太原工业学院毕业设计 10 太原工业学院毕业设计 11 4 汽车轻量化4 汽车轻量化 4.1汽车轻量化发展的概述4.1汽车轻量化发展的概述 4.1.1汽车轻量化发展的意义4.1.1汽车轻量化发展的意义 （1）汽车轻量化是人类社会发展的需要 随着汽车工业的持续快速发展，汽车保有量有了大幅增长，全球汽车总量已超过 10 亿辆。汽车工业已成为世界能源被消耗和被污染的主要原因。当前在全世界汽车 工业可持续发展上有着两大困难，即能源匮乏和环境污染，这两个问题在中国体现的 更加突出。各发达国家从整体出发，都制订了严格的规章制度来限制车辆的燃油消耗 和温室气体排放，我国也相应地公布了强制性减少油耗的国家准绳乘用车燃料 消耗量限值(GB19578-2004)。这是一个为我国降低能源消耗、减少污染和节约有限 资源的十分重要而紧迫的课题。 研究表明：减少汽车本身重量是抬高汽车的燃油经济性、减少能耗、削减污染的 重要措施之一。欧洲铝业协会颁布的资料讲明，1每下降 100 kg 汽车自身重量，每 一百千米可节省 0.6 升燃油；许多含有铝合金材料的汽车， 平均每辆汽车可以减少本 身重量 300 公斤（ 从 1 400 公斤到 1 100 公斤），在寿命期内排放可降低 20%。所 以，上个世纪 90 年代以来，许多研究开始规划开始积极推动汽车轻量化技术的研究， 为应对石油资源和环境污染等问题的不足的一个非常重要的技术。如美国的汽车合作 伙伴的新一代计划(PNGV) 规划1、国际钢铁协会机关的超轻钢制车身(ULSAB) 3 和超轻钢制车身先进概念型车型(4ULSAB-AVC)研究计划 等等。对汽车结构轻 量化带来的“减肥”，而且还可以降低汽车的能源和传动系统的质量。亚琛工业大学 汽车研究所（IKA）结果表明，1.229 T 参考汽车的整车重量，铝合金后，由于重要的 “减肥”和次要的“减肥”，终极质量可降至 785 kg5。 （2）汽车轻量化是汽车用户的需要 太原工业学院毕业设计 12 按照相关数据显示体现, 如果将汽车总体质量下降 10%, 燃油的效率能够相应抬 高 6% 8% ;如滚动阻力削减 10%, 燃油的效率将可相应抬高 3% ;若传动效率高，增 加百分之十在车桥和变速器等部分 , 燃油效率可抬高百分之七。因此, 轻量化的显 著优点就是显著降低燃油消耗。汽车车辆自身大概占汽车总重量的百分之三十 , 在 空载状态下, 大概百分之七十 的油耗是用在车辆自身质量上, 所以车身的轻量化发 展对减少汽车自重,提高整车燃料的经济性至关重要。 此外，从驱动方面，降低车辆的重量，不仅可以提高加速度，在稳定性、噪音、 振动等方面也有提高。当车辆行驶时的颠簸感会明显减少，因为底盘重量降低,而且 所有整个的车辆会更平稳;从安全方面思考，发生冲撞的时候惯性很小，缩短刹车间 隔，冲击发生的时候，塑性材料的影响明显轻得多，且轻量化的能吸收冲击能量的材 料, 也可以有效地提高耐冲击性。所以更加安全。因此，发展汽车轻量化节约能源、 减少废气排放的优点，对不仅是我国，乃至世界汽车工业实现可持续发展战略都具有 十分积极的意义。 4.1.2 汽车轻量化的实质4.1.2 汽车轻量化的实质 汽车轻量化的内涵实质: 选取当今计划的方式及有用技术措施对汽车生产产品 采取全面优化设计的方式,或者采纳新型质料在保证汽车整体综合性能的目标达标的 前提下,尽量降低汽车自身质量, 以完成减重、降低消耗、保护环境、安全等的综合 指标。 然而, 汽车轻量化不仅仅是简单的汽车产品的小型化。第一，汽车的整体性能应 不受影响，, 它不仅降低汽车本身的重量, 也保证了驾驶的安全性、抗振性、抗冲击 性和舒适性,同一时间，汽车本身的成本还无法提高, 避免造成经济压力。 4.1.3 汽车轻量化技术4.1.3 汽车轻量化技术 汽车轻量化技能蕴含：汽车构造的合理性规划和轻量化原料的选用两个主要方 面。一方面轻型汽车与其材料的选取密切相关;第二个方面, 优化汽车本身的结构策 划亦是达成汽车轻量化的有用路径。和车本身的重量降低相互对应, 车辆轻量化技术 太原工业学院毕业设计 13 不断进步和成长, 主要是在: ( 1)轻质材料的被使用量持续升高,铝镁钛合金，高强度钢，塑料，粉末冶金， 生态复合材料和陶瓷的利用次数越来越多，使用范围广； （2）汽车结构设计方案和模块化设计各部分汽车水平继续提高，例如：你可以 使用前轮驱动，超轻的悬挂结构，高刚性结构实现目标轻量化。 ( 3)轻型车辆的增长也推动汽车制造业在形成和连接形式技巧的不断更新。 4.2 汽车轻量化技术的分类4.2 汽车轻量化技术的分类 汽车的轻量化技术可以分为三个主要方面，如：先进的制造工艺、结构优化设计 和轻质材料的应用， 如图 1 所示。 其中， 先进制造技术包括： 液压成型和激光焊接； ； 布局优化设计技术包括：汽车布局的尺寸优化、形状优化、拓扑优化和多学科设计优 化等，轻型材料的利用方面包括：高强度钢、铝镁合金、增强塑料和复合材料等。 太原工业学院毕业设计 14 （1）结构优化设计 上个世纪 70 年代后，随着计算机硬件和计算力学的发展，美国汽车有限公司开 发出了应用有限元法对汽车设计的可行性。在上个世纪 90 年代，CAE（计算机）软件 逐步发展，在车辆整车和零部件的计划中的应用日益增多。2000 后，CAE 技术已被广 泛应用于结构布局设计汽车零部件及整车6-9。基于 CAE 分析，汽车结构优化设计 中得到了广泛应用，并逐步发展成为首选的汽车轻量化方法。的戈比等10的优化方 法及其在汽车轻量化中的应用进行了总结。在过去几年中，对汽车轻量化的理论和软 件工具应运而生，各汽车公司已经能够利用结构优化设计实现汽车的轻量化。汽车的 布局优化设计分为：尺寸优化、外形优化、拓扑优化、多学科设计优化等等。 （2）轻量化材料的应用 除布局优化设计以外，轻型材料的开发选择及利用亦是当前汽车的轻量化技能的 另外的主要钻研目标。轻量化材料的研究是目前国内外汽车材料领域最为活跃的研究 目标之一。在美国 PNGV 计划明确提出：轻质原料的使用（高强度钢，铝，镁，钛合 金，塑料和复合材料）为了实现轻型车辆的目标，并且用先进的轻型材料作为迫切需 要开发的技术范畴。PNGV 累样品虽然是高强度钢制造的全身，但质量仅为 218 kg， 与相同质量的路合金车身相同。在轻量化材料的选用方面，先进的高强度钢和镁的使 用、成为车辆制造主轴承的材料的一种发展趋势，已成功替换掉普通钢。高强度钢目 前已被大批应用于汽车车身、底盘、转向和悬架零件上11。除此之外，一方面为了 满足车辆碰撞结构的安全性要求，而另一方面又不增加额外的质量，泡沫铝、编织复 合材料等性能优越的新型吸能材料被广泛应用于车辆结构中。这也是一个热门的研究 领域，在世界学术界和工程界。它是“超轻材料和超轻结构（umaus）”。 （3）先进制造工艺的应用 在现如今汽车工业市场大量采用高强度钢、铝镁合金、塑料和复合材料等轻型材 料和结构来实现汽车的轻量化的同时， 和这个相匹配， 汽车的制造工艺也得到了应用， 比如使用于高强度钢板冲压件的热冲压成形工艺，和用于车身结构连接的胶接和胶焊 工艺等。热冲压成形将形成的片材在加热到赤热的状态下冲压成形并在冲压件模具内 冷却淬火， 可以形成高达 1.5GPa 成型强度 的冲压件； 适用于连接塑料和复合材料部 件的胶接工艺，比如宝马最近生产一大批的宝马 i3 纯电动汽车就是在对复合材料车 身部件的连接时选用的胶接工艺，每辆汽车使用 10 公斤左右的强力胶。而另一方面， 有一些新的成型和连接工艺，如液压成型、激光拼焊和激光焊接等可以显著降低汽车 太原工业学院毕业设计 15 结构的质量，例如汽车副车架原先使用冲压焊接工艺的生产过程，需要 6 个冲压件才 能焊接在一起，而采用液压成型技术只使用一个零件，从 12 公斤 变为 7.9 公斤，质 量减少 34%。 因此，液压成型、激光焊接等先进工艺技术已被广泛应用，并成为了汽车轻量化 技术的一个重要组成部分。 4.3 汽车轻量化的发展现状及前景4.3 汽车轻量化的发展现状及前景 经历了几十年的成长,汽车工业中的发达国家在汽车的轻型材料技术的探索与应 用领域获得了突破性进展，它已逐渐形成并完善了一套工业技术，如开发新材料、零 件的设计、制造和材料回收利用等。 1 汽车轻量化材料的开发 国际市场上汽车本身重量与改革之前相比已经从 20%减少到 26%。在接下来的十 年里，汽车本身的重量将继续降低原来的 20%。镁合金、铝合金、工程塑料、复合材 料和高强度钢、超高强度钢等轻型原料的研究与使用在汽车轻量化进程当中将产生巨 大效果。 2 汽车零部件轻量化设计 主要通过新材料的评价技术，以便从材料自身成本(材料成本、制造成本和寿命 周期成本等)，制造工艺性，材料自身性能，重量，在对安全回收利用方面的新材料 进行综合评价，选择零件部分，提供一个全面、客观的评价标准，建立材料性能数据 库，以满足零部件的设计需求。它还需要设计零部件的设计准则，并为新材料的应用 提供了设计经验和设计方法。 3 汽车零部件轻量化制造 经过几十年的发展，在轻型汽车零部件领域已经开发了一系列新的材料加工技术 和设备的先进部分，其中许多已进入工业化使用，比如說金属薄板的激光焊接技术还 有其它先进成形技术，半固态铸造技术，金属液压成型，气体辅助注射成型技术，低 压成型塑料制品，种类不相同的焊接，粘接和衔接等等技术，镁铝合金的熔炼与铸造 技术，铝车身制造技术，镁铝合金和塑料外观处理技术（例如 防腐处理、电镀、油 漆等） 等。 4 材料回收与再生技术 太原工业学院毕业设计 16 如废料的分离、无污染的镁合金熔炼与塑料回收再生技术、回收再生技术等等。 4.4汽车轻量化的实现方法4.4汽车轻量化的实现方法 汽车轻量化的前提是保证汽车综合性能的整体质量不受影响，下降车辆及其各种 成分的质量最大程度，试图追求高输出功率，低噪声，低振动和良好的可操作性，高 可靠性等要求，降低油耗，减少排放污染。通过对汽车轻量化的内容，汽车的重量是 通过合理的布局设计和材料的选择实现的。 1 1 合理的结构设计 当前国际汽车的轻量化技术飞速成长, 这当中经常使用的轻量化方法是通过对 汽车的轻量化的布局设计和剖析,在一开始就以轻量化为目的。在汽车上频繁使用轻 质材料,比如镁，铝，高强度钢，塑料，复合材料和其他与结构的设计和制造相应的 设备，将应用研究，耐腐蚀性和连接工艺连接成一个整体。在现代汽车工业中， CAD/CAE/CAM CAD 为轻量化的发展是非常重要的整合，包括车辆的总体设计和制造。 这些技能来实现轻量化设计和制造汽车。一个轻量化的方法是通过优化汽车的整体结 构的分析，实现对汽车零部件的简化，整体重量减轻。CAD/CAE/CAM CAD 技术可以用 来作为结构设计和布局的车身结构设计的实施措施，并对启动配置的厚度和成分的变 化进项分析，从数据库中直接产生的对汽车工程分析和刚度分析，系统直接获得相关 数据，强度校核。对轻型材料的结构和运动结构和运动干涉分析也是很好的，所以轻 型材料能满足车身设计的要求。此外，在 CAD/CAE/CAM CAD 技术用于模拟车辆更换实 车，和振动，疲劳的轻量化车身碰撞进行了分析。 通过车身，底盘的动力总成开发，大多数的整体处理技术和模块化设计和制造技 术，对生产和使用节能高效的汽车实现各个方面的节能，环境保护。 经过结合了参数反演技术，多目标规划方法以及现代车身的整体优化，还有轻型 车布局优化设计技术的研究， 其中包含了多种轻质材料匹配， 对零件模块的部分优化。 减少结构部件的数量，以确保车辆的整车性能和稳定性达到降低目标自身重量的前 提。 结构的合理设计有以下 3 个方面: ( 1) 经过布局优化设计, 对车架和车身钢板均减轻重量, 对车子本身的强度刚 度进行足够的校核, 保证汽车在达到目标性能的前提下“减肥”。 太原工业学院毕业设计 17 （2）结构的小型化后，对汽车轻量化的发展有提高，汽车的主要功能部件是由 车辆本身的性能稳定的情况下减少大小。 ( 3) 采取变化运动的结构来完成目的。比方选用前置汽车发动机和使用前轮驱 动及选择超轻悬架构造等, 使布局更为紧密, 或选择后置发动机、使用后轮启动的方 法, 实现使整车部分减小, 完成轻量化的目的。 2 2 使用新型材料 根据资料显示,汽车自己的车身、底盘(包括悬架等系统)、发动机这三个大件总 重量超过一辆轿车的百分之六十五以上。这里面车身内部和外形覆盖件的重量又占第 一位。因此它具有降低车身重量，降低发动机的总重量的双重作用。因此, 最初应在 车身的制造原料方面发现找出突破口。有几个选择如下: （1）轻质材料的选择：密度小、高强度等，如塑料高分子材料，铝镁合金，陶 瓷材料，等等； （2）相同的密度，和相同的弹性模量和处理的高强度钢薄截面厚度的性能好； ( 3) 选用在新材料加工技能的基础上的轻型构造用材, 例如持续 挤压变截面型 材、金属基 复合材料板以及激光焊接板材等。 1 有色合金材料 铝材料具备优秀的性能, 它只有钢铁的 1 /3 密度, 机械加工性能是铁的 5.5 倍, 优秀的耐腐蚀性能、热传导性。其合金也有着强度高、易于回收、能量吸收好等特点。 汽车行业中铸造铝合金和形变铝合金被使用的最多。行使可形变铝材建造的车辆自身 面板的技巧使用中相对于之前已完善许多, 包含发动机罩、行李箱罩、车门、挡泥板 等。铝合金的结构也广泛应用于汽车保险杠的结构，车轮和汽车本身。铝合金的使用 也面临许多问题, 如 加工铝合金难度比钢材高, 成型性能还需要继续改善;因为铝 材料的导热性好, 致使铝合金的焊接性差; 无法像钢板那样使用磁力运输等。其中, 最关键的是成本问题, 目前铝的价格还比较高, 对铝合金的应用成本是非常重要的。 镁合金和铝合金具有相似的性能, 但是其密度较低, 密度比仅为 1.83, 是目前 最理想、最轻的金属结构材料,因此，它成为降低汽车重量的首选原料，因为能良性 改变其性能且节能和环保。但镁合金的锻造性差, 后处理工艺繁杂, 成本较高。我国 的镁资源非常丰富, 储量占全球首位。然而，国内数量少，特别是汽车工业的量非常 少，因此具有非常广阔的前景。西方产业发达国家对金属基复合材料的探索与使用, 如铝和镁， 已到达到了产业化阶段, 如表 1。 太原工业学院毕业设计 18 2 高强度钢 使用高强度钢代替原材料，可适当减少部分零件的尺寸大小。全球普遍经过更加 深入抬高合金钢、弹簧钢、不锈钢等各种钢种的比强度和比刚度,和粉末冶金配件所 具备的一些多孔低密度、高精度、低成本等等的特征,来作为汽车轻量化措施。 在等强度计划情况下使用高强度的钢板能够减少板的厚度, 然而车身自身零部 件中确定钢板的厚度最紧要的是以单元刚度为标准,所以现实的厚度可能无法到达钢 的强度增加率的降低率， 且大大减轻重量。 在汽车高强度钢板的使用的三个重要原因： 构件的抗拉强度，吸收的能力和扩展的弹性应变区。由于高强度钢板的经济性和容易 性相对缓和, 因此应提倡高强度钢材用于汽车。如今各国正在加快高强钢和超高强度 钢在车身，底盘的使用，还有悬挂，转向和其他组件。 3 塑料和复合材料 与相同结构性能的钢材相比, 塑料和复合材料一般情况下可降低零部件大约百 分之三十五的重量。低密度、超低密度片状复合材料供应更多的潜力生长，它可以导 致在重量和强度的降低的同时，再一次的降低整体成本。 塑料是由非金属为主的有机物构成的, 不仅具备着密度小、成型性好、耐腐化侵 蚀、抗振、隔音隔热等性能, 还拥有金属钢板无法拥有的外表光彩和触感。目前, 很 多汽车的内外饰件上,如仪表板、车门内板、顶棚、副仪表板、杂物箱盖、座椅及各 太原工业学院毕业设计 19 类护板、侧围内衬板、车门防撞条、扶手、车窗、散热器盖、座椅支架等地方，都使 用着塑料。然后逐步向结构件和功能件扩展。比方说发电机及其有关系统、冷却系统 等。塑料也在向车身面板的生产方向发展。 复合材料也称为纤维增强塑料, 是一种由增强型纤维和塑料一起组合而成的原 料。而玻璃纤维和热固性树脂的复合材料是最常被使用的。增强用的纤维除玻璃纤维 外,还有高级的碳纤维，合成纤维。复合材料作为汽车材料具备许多益处: 密度偏小、 设计机动性高、雅观、易设计成整体构造、耐腐化、侵蚀、隔热隔电、抗打击、抗振 等。目前，FRP 得到了广泛的应用, 尤其在欧洲和美国车系中。其中，尤其是 AMC 和 GMT 是最流行使用。曼、雷诺、沃尔沃、奔驰、依维柯、达夫等欧洲重型卡车制造商 在制作驾驶室的原料选用中, 都大量采用了 SMC。在中国, SMC 材料在汽车范围内也 获得了普遍的认可, 特别是商用汽车范围。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红 岩等重要的重型卡车生产制造商, 都不同程度地选用了SMC材料作为他们生产驾驶室 的材料。 4 其他轻量化材料 精细陶瓷是第三种新材料，在金属和塑料的开发之后，其发展史只有 20 年左右, 但它具有良好的机械性能（强度高，硬度高，耐腐蚀，耐磨，等）和化学性质（热， 氧化，蠕变，等）。作为一种轻型汽车部件的材料，不仅重量轻，直接重量轻，而且 由于精细陶瓷优秀的耐热性，耐腐蚀性和耐磨性，用于汽车发动机的燃烧室和换热器 等零部件的制造，从而提高功率，燃油消耗量将大幅下降，从保护环境和节约能源来 看，间接减少重量。蜂窝夹层材料是用于飞机制造的材料, 其最大特点是刚度高、高 比强度、密度低。当前并没有在汽车的应用很多, 但是研究它的应用是向前发展的, 未来会更多的使用。 太原工业学院毕业设计 20 5塑料5塑料 5.1汽车塑料的介绍5.1汽车塑料的介绍 塑料在当今的汽车制造中有着重要的作用。越来越多的汽车上都有着塑料的影子, 同时给消费者展示了汽车发展更轻、更节能和更环保的一种趋势。 5.1.1 汽车塑料的性能5.1.1 汽车塑料的性能 塑料的重要成份是合成树脂( 聚合树脂或缩聚树脂) , 且依据不同的需求而 增添不一样的添加剂所形成的混合物。具有它独有的性能: ( 1) 小密度. 每一百公斤塑料可代替两百到三百公斤的其它材料, 可降低汽 车自身重量, 提高有效载荷。 ( 2) 良好的物理性能.弹性好, 耐磨损, 抗振动, 每单位质量的塑料的耐冲击 性和金属持平, 在工程塑料和碳纤维增强塑料的综合性能也大大超过金属的性能。 ( 3) 良好的耐腐化侵蚀性. 在酸，碱，盐等化学腐蚀中的塑料具有良好的抵 抗能力。其中, 材料当中化学性能最稳定的是聚四氟乙烯, 而硬聚氯乙烯是最经常使 用的耐腐蚀材料, 它可以承受质量浓度高达百分之九十的浓硫酸以及其余不同浓度 的盐酸和碱液的腐蚀。 ( 4)较大的设计自由度. 可以做成各种各样透明、半透明或者不透明的产品, 外型也各有特色, 表面也可以做出一些具有特色的花纹。 ( 5) 良好的着色性. 可以按照不同需要制成各种颜色。 ( 6) 优秀的加工性能. 复杂的产物也可一次成型, 大批量出产, 高效率, 低 成本, 经济效益显著。如果我们使用单位体积计算, 一件塑料的生产成本只为有色金 属的十分之一。 ( 7) 节能、环保. 能回收利用。很多选用塑料的汽车每一百公里 的节油量高 于在 0. 5 L 。 5.1.2 汽车塑料在汽车轻量化中的应用5.1.2 汽车塑料在汽车轻量化中的应用 太原工业学院毕业设计 21 因为汽车向轻量化目标的不断成长, 塑料在汽车上的用量日趋增长。行使塑料质 轻、防锈、吸震、较大的设计自由度等特征, 汽车用塑料结构件获得了更为长久的成 长, 而且是今后的中心发展方向之一。塑料制品不但可以减少汽车零件数目, 在降低 噪声方面也起到了不错的效果。生产厂家应利用塑料制品成型的特征, 尽可能将多个 零件一体化, 削减数目, 想方设法做到一次成型复杂零件。汽车用塑料的利用量呈现 出逐年增加的趋向, 这种趋势在往后还将持续。 塑料件被用于汽车范围始于 20 世纪五十年代,福特汽车公司最初是将聚氯乙烯 溶胶应用于汽车制造业。 在二十世纪 60 年代中期, 一些塑料件开始进行商业化生产。 20 世纪 70 年代,合成树脂工业的快速发展， 为汽车领域的应用奠定了坚实的基础。 特别是进入 21 世纪,轿车产业的飞快成长推动车用材料也紧紧围绕着环保、 节能、安 全、舒适和低成本等开展。 塑料在汽车行业的应用前景看好。当前全球很多轿车的塑料用量已超过每辆 120 kg, 部分车型还要更高, 德国奔驰高级轿车的塑料用量甚至达到了每辆 150 kg。中国 部分轿车的塑料用量也已达到每辆 90kg 。当前, 汽车使用塑料程度已被发达国家当 做衡量汽车设计和制造程度的一个重要标志。 塑料材料的特点是按照塑料的构造成分, 经过增添不同的填料、增塑剂和硬化剂 来生产出所需性能的塑料, 转变材料的机械强度及加工成型性能,以适应车上不同部 件的用途要求。比方: 保险杠要具备足够高的机械强度, 而坐垫和靠背则需选用较为 柔软舒适的聚氨酯泡沫塑料。并且，更为方便的是, 不同的添加剂可以调出不同的塑 料颜色， 免去了喷漆的麻烦。一些塑料部件也可以电镀, 如 ABS 塑料具有良好的工艺 性能, 可用于装饰条、标牌、开关旋钮、车轮装饰罩等2的制作 。 长纤维加强热塑性复合材料( LFT) 和天然纤维复合材料将获得更普遍的利用。 热塑性工程塑料的使用可以降低体质量，降低生产成本和维护成本，同时也实现了在 产品外观设计的差异（如车轮）。在技术方面,长纤维增强热塑性复合材料具有成型 周期短、生产效率高、成本低和无边角废料以及回收方便等优点, 但目前在国内还没 有这种技术。本项目研究完成后，可以提高中国汽车配套产业的技术水平, 推动汽车 工业中的塑料的应用。随着汽车工业的发展和车用塑料应用的不断深入, 回收和循环 再造等问题已摆在了人们的面前。 有数据显示, 目前， 中国每生产 1 辆经济型轿车消 费塑料 50 60 公斤, 中高级轿车为 60 100 公斤, 轻、中型载货车约 50 公斤。若 是按 1 辆汽车平均耗用塑料 60 公斤计算, 年产 1 000 万辆汽车也就需要塑料大约 60 太原工业学院毕业设计 22 万 t , 也就是说,本年中国在汽车制造方面将损耗约 60 万 t 的塑料。 5.1.3 汽车塑料材料与制品的发展趋势5.1.3 汽车塑料材料与制品的发展趋势 塑料制品不仅可以减少零件数量, 同时也起到了良好的减少噪音的作用。制造商 应使用塑料制品成型的特点, 尽可能使许多零件一体化, 减少数量, 尽量达到复杂 零件一次成型的目的。汽车上塑料的利用量呈持续增长趋向, 此趋势在往后还将持 续。 以后的车用原料将从金属向塑料过渡的趋向, 并把 PP, ABS 当主导。 根据该报告, 生产以热塑性塑料为材料的汽车零部件的消耗以年均百分之六以上的速度递增;而因 为 PP 价格十分低廉且性能卓越, 汽车内部和外表饰件的发展将以 PP 为主, 当今市 场上选用的 PP 零件占了市场份额的百分之四十二,且可有希望以每一年百分之八 的 速率增加,尤其是在汽车内饰件范围, 应用规模正在扩大。随着塑料新材料的不断发 展，在汽车领域的应用塑料的数量不断增加，未来的发展会越来越好。 太原工业学院毕业设计 23 6尼龙管6尼龙管 6.1 尼龙管的介绍6.1 尼龙管的介绍 1944 年， 法国 Societe Organico 公司开发成功的聚酰胺 11（也称尼龙或 ） 以蓖麻油为原料，1950 年由法国 Ato-chem（如今的 Arkema 公司）公司达成工业化， 因为 PA11 只可用天然的蓖麻油为原料，拥有部分的局限性，1963 年，德国许尔斯开 始使用石油生产的聚酰胺 12（PA12），并于 1966 年产业化。PA11 和 PA12 分子结构 和性能都十分类似， 现如今这两种材料都用来生产汽车用尼龙管， 大多数用作输油管、 回油管、真空管、滤清器管、电线穿管、空气制动管和玻璃冲洗用管。 （1）尼龙管的优点 1、耐燃油（柴油、汽油）、润滑油和润滑脂，优良的耐化学性。目前，发现能 被何种溶剂降解。 2、耐低温冲击、PA11 耐-50低温冲击，PA12 耐-40低温冲击。 3、使用温度范围较广。PA11 的温度范围为-40125，PA12 则为-40105。 经过 125、1000h 和 150、16h 老化试验后，PA11 管的低温冲击性能仍符合产品 标准要求；经过了 100、1000h 和 125、16h 的老化试验后，PA12 的低温冲击 性能也符合产品标准要求。 4、抗氯和锌盐的腐蚀。由于下雪天要在路面上撒化雪盐，所以此性能很重要。 5、耐电池酸液和臭氧。 6 耐振动 , 耐磨, 耐疲劳, 摩擦系数低, 属自润滑材料 7 重量轻, 密度为 1.01 一 1.06g/cm3。 8 吸潮性小, 从而尺寸稳定性好。PA1l 是尼龙中吸潮性最小的 9 耐紫外线和大气老化。 本色料PA1l耐紫外线能力视不同地区可以使用2.3 -7.6 年;而在添加抗紫外线吸收剂后,黑色 PA11 的抗紫外线能力提高四倍 1.1与金属管比较的优点 ( l) 不生锈, 在系统中不会产生影响性能的锈蚀颗粒;而钢管, 就算是内外镀锌, 耐腐蚀性也是有限的,很难保证管道系统的清洁度。 ( 2) 柔软, 易安装。 钢管在布局过程中, 因通过总体布局的影响, 总是有漏洞 , 提高了接头的数量。因此, 一方面增加了不必要的密封接触点, 使泄漏量增加;另一 太原工业学院毕业设计 24 方面,管路的弯曲半径小, 空气阻力增大, 所以制动反应时间延长。在制造过程中, 钢管因公差积累造成装配困难,可靠性差, 密封不好。钢管接头和支架较多, 工装多, 及设计、试制、生产周期的不断增加, 难以形成一个系列化、通用化、标准化设计。 ( 3) 具备振动阻尼性, 抗疲劳性, 抗打击性, 不易变形的特性。在装配和利用 时, 能经受外部打击, 不会引发管子松动及管子断裂。 ( 4) 密度小, 是钢管的 1/7。 ( 5) 具有隔音和隔热作用。 ( 6) 光滑的内表面, 低能耗。金属管内壁的粗糙度为 70m , 而尼龙管的内壁 粗糙度仅为 2.5m。 ( 7) 用尼龙管比钢管综合成本降低 30 % 一 50 %。 1.2 与橡胶管比较的优点 ( 1 ) 比橡胶管更耐油和过氧化等化学品, 抗燃油和甲醇渗透性能比橡胶管优 秀。 ( 2) 耐臭氧性能优秀, 不会如橡胶管一样因臭氧而产生龟裂。 ( 3) 较橡胶管可耐热(100)且寿命更长。 ( 4) 一般不需要增强层, 较橡胶管更容易生产。 ( 5) 可以自身进行热成型, 而橡胶管不能实现的。 ( 6) 内表面光滑度比橡胶管更为优秀, 且具有更小的阻力。橡胶管内壁粗糙度 为 38m , 而尼龙管粗糙度仅仅只有 2.5m。 ( 7) 小于橡胶管密度，比橡胶管壁薄，可以减轻重量，节省空间 ( 8) 综合成本比橡胶管低。 太原工业学院毕业设计 25 7 结论结论 时光如箭，大学四年，以完成一份毕业设计做为结尾，也是对自己的大学学业的 一种检测，这次毕业设计我的题目是轿车快速插接头结构设计及仿真。快速插接头是 全球汽车轻量化发展过程中的一种重要零件。在制造轻型汽车过程中，因为汽车材料 发生了变化，需要对金属件和非金属件进行连接，这时快速插接头就发挥了很重要的 作用。 快插接头在制作过程中，因为轻量化过程中，汽车本身很多零部件就是采用了轻 型材料，所以就要求连接件本身也应该是轻型材料，所以选择塑料为外壳材料，部分 零部件也是采用橡胶的轻型材料，响应了汽车轻量化发展的主题。 在将近三个月的实际过程中，我除了对快速插接头本身的结构及工作环境进行了 了解和吃透，也对相对应的汽车轻量化的发展以及主要的轻型材料：塑料和尼龙管进 行了一定程度上的认知。为了使自己能够高质量的完成任务，我严格要求自己，按照 国家标准来进行设计，并且在过程中学习到了很多知识。整个设计也是在边绘制设计 边收集资料了解的过程中完