长玻纤增强PP材料在汽车蓄电池托盘上的应用

1、赫料匝 胃 长玻纤增强P P 材料 在汽车蓄电池托盘上的应用 摘要：主要介绍了长玻纤增强P P 材料在北汽某车型蓄电池托盘上的研究和应用过程，根据蓄 电池托盘的使用要求总结出主要的选材要求；然后据此对多种潜在的塑料材料进行了对比分析，最 终选定长玻纤增强P P 材料为电池托盘材料；再通过C A E 分析和优化产品结构，完成产品试制和零 部件试验验证，最终得到了合格零件。 关键词：长玻纤增强蓄电池托盘复合材料轻量化 中图分类号：T Q 3 2 5 1 + 4文献标识码：B 1 应用背景 随着汽车轻量化技术的发展，复合材料在汽车上的 应用越来越广泛，复合材料的应用方向也正在由车身及 内、外饰装饰件

2、向结构件和功能件延伸。长玻纤增强热 塑性复合材料( L o n gF i b e rR e n f o r c e c IT h e r m o p l as t l c s ， 简称L F T ) 是近年来研究的热点之一，其中长玻纤增强 聚丙烯( L F T P P ) 材料以较小的密度和较低的价格、 较高的强度和刚性、以及良好的抗冲击强度和优良的抗 蠕变性能而获得了更多的关注。 长玻纤增强P P 材料是长玻纤增强复合材料的一 种。与常见的短玻纤增强材料相比，主要用1 0 1 2m m 长度的玻璃纤维增强树脂基体，可以更明显地提高 材料的强度和刚性，并提高抗冲击性能，同时保持了 短纤维复合材

3、料易于加工的特点。长玻纤增强P P 材 北京汽车股份有限公司汽车研究院武胜军 料可以采用注塑成型工艺成型形状复杂的零部件，目 的是通过集成分零件结构减少零部件的数量。该材料 正在作为替代短玻纤增强工程塑料( 如P A 、P B T 和 P O M 等) 和部分金属部件的材料，逐步成为模块化 设计的零部件的载体。 2 问题的提出 在北汽某款自主品牌车型的开发过程中，为满足 蓄电池托盘轻量化、降低振动噪声和减少蓄电池托盘 腐蚀的要求，对该车型蓄电池托盘的材料进行了重新 定义。定义为塑料材料，并按照塑料制品的设计过程 分析和验证了蓄电池托盘塑料化技术的可行性。 3 蓄电池托盘的性能要求 为了合理地选

4、择材料，首先需要分析和了解蓄电 2 0 13 年第9 期 汽车工艺与材料A T & M4 5 万方数据 就疆噍胃 池托盘的使用要求和使用条件。蓄电池托盘一般位于 汽车前舱内，通过支架固定在前纵梁上；蓄电池托盘 承载重达1 6k g 的蓄电池，在运行过程中要承受经常 的颠簸振动，以及加速、减速或转向等的侧面受力； 工作环境最高温度约为1 2 0 ，最低温度国内一般 设置一4 0 ：蓄电池托盘容易接触到水或机油等介 质，要注意防腐。另外，从汽车零部件设计原则方面 还要尽量考虑轻量化、可回收性和低成本的要求。 蓄电池托盘一般选用厚度为1 2m m 的D C 0 1 钢板 材料冲压成型，托盘通过压板、

5、两根拉杆和螺母与蓄 电池固定，通常称为“捆绑式”连接方式，这种固定 方式涉及的零部件多，总体质量重。近年来也有采用 通过带有固定侧板的托盘与小压板对蓄电池底部进行 固定的方式，固定方式简单可靠，但仍然采用钢质托 盘，质量仍较重。北汽的目标是开发出固定方式简单 可靠，且质量更轻的塑料蓄电池托盘。 4 材料选择 随着长纤增强塑料技术的进步，同时受成本压力 的驱动，长玻纤增强P P 材料正在逐步取代部分短纤 增强P A 材料应用于汽车结构件1 2 1 ，表1 是几种潜在应 用于蓄电池托盘材料的物性对比。 耕抖密度拉伸强度断裂伸弯曲强度弯曲模量无缺口冲击譬热变形 成型 材苛 1 11 g c m 3M

6、 P a长率 M P aM P a度k J - m 2温度方式 优点 材料 缺点 重、易腐 材料利用 。篡怒，s o 磔孝s s z 冲压性耋捻刚 刚性较好，成本较高， 2 4 5注塑耐热性和耐油容易吸水导致 性好刚性降低 较重、成本 研掰。s啪 ，s o os s z 。s 注塑耐裂篱好蒙拿支凳肇茬 能下降 P P G M 4 0 。1 2 29 0 2 51 4 045 0 08 5 成本较低，较重、热固 2 4 0 模压刚性较好，冲性材料，不利 击强度较高 于回收利用 妻猫、荔群糍 m 注塑型霎群讳应昌要鬻 1 5 5 注塑刚性较好，冲。三：二、三。、： 击强度较好 ” 注：a D C

7、0 1 是冷轧低碳钢的一种，表中为冷轧低碳钢板。 b s M C 是片状模塑料( s h e e tM o l d j l l gc o m p o u n d ) ，是以不饱和聚酯树脂为原料，添加玻璃纤维、矿粉填料和催化 剂等各种助剂组成的复合材料，属于热固性塑料。 c P P G M 4 0 是质量分数为4 0 的玻璃纤维毡增强P P 材料， 从表2 得出以下结论。 a P P L G F 4 0 的弯曲模量与P A 6 6 一G F 3 0 、P B T G F 3 0 和S M C 的弯曲模量非常接近，说明这几种材料 的刚性比较接近。 b P P L G F 4 0 的缺口冲击强度比P

8、 A 6 6 一G F 3 0 和 P B T G F 3 0 的缺口冲击强度更高一些。 表中数据为短切玻璃纤维增强类的G M T 。 c P P L G F 4 0 的热变形温度超过15 0 ，可以满 足部件12 0 。C 的性能要求。 d P P 材料基本不吸水，不像P A 6 6 吸水、P B T 吸 收热水并导致力学性能下降。 e 材料中玻纤长度的增加可以提高零部件的耐疲 劳性能，延长零件使用寿命。 4 6l 汽车工艺与材料A T M 2 0 13 年第9 期 万方数据 赫挂匝胃 f P P L G F 4 0 密度更低，属于热塑性材料，与热 固性S M C 相比，更方便回收再利用，环

9、保性好。 g 与P P G M 4 0 材料相比，P P L G F 4 0 的强度和 刚性较高；另外，P P L G F 4 0 是用于注塑成型的材 料，可以成型结构复杂和壁厚较薄的零件，而P P G M 4 0 是用于模压成型的材料，难以成型较为精细的 加强筋。 与金属材料D C 0 1 相比，P P L G F 4 0 的拉伸强度 及弯曲强度与D C 0 1 的屈服强度比较接近，与D C 0 1 的抗拉强度还有一定差距；此外，P P L G F 4 0 的模量 78 0 0M P a ( 约8G P a ) 与D C 0 1 ( 杨氏模量一般接近 2 1 0G P a ) 的刚性差距较大

10、。因此，塑料化蓄电池托 盘需要从零件结构设计方面采取加强措施，以达到金 属蓄电池托盘的刚度。 综上，P P L GF 4 0 较其他几种塑料材料更适合用 于蓄电池托盘，不仅可以实现零件轻量化的目标，而 且可以成型较为复杂的结构。 5 蓄电池托盘结构的设计及优化 零件的刚性不仅与材料刚性有关，还与零件的厚 度及结构有很大关系。在材料力学中，抗弯刚度表示 为E I ，E 为弯曲模量，I 为横截面的转动惯量。钢板的 截面为矩形，其转动惯量计算公式见图1 。 图1 矩形截面梁的转动惯量计算公式 由上面公式可知，矩形截面零件的抗弯刚度E I 除 了与材料的弯曲模量( E ) 成正比之外，还与截面的 转动

11、惯量( I ) 成正比；而矩形截面零件的转动惯量 与截面厚度的立方成正比，与截面宽度成正比。因 此，当塑料件厚度增加时，零件刚性将以厚度的立方 倍增加，例如壁厚增至原来的3 倍时，零件的刚性将 增大至原来的2 7 倍。按照等效刚度设计原则 3 1 ，参照 钢板结构的蓄电池托盘进行初步结构转化，使用壁厚 为3 5m m 的长玻纤增强P P 塑料基本可以达到钢质蓄 电池托盘的刚性，同时该壁厚也满足常用塑料件的壁 厚要求；然后按照塑料件的设计原则进行结构优化， 重点设计加强筋：另外注意壁厚要均匀，将拐角结合 处进行倒角优化，以减少应力集中。 此外，C A E 分析结果显示，塑料蓄电池托盘的 安装孔和

12、侧向压边处的应力高于其他部位，存在首先 破坏的风险。所以产品工程师又加厚了3 处安装孔的 壁厚，同时在安装孔周边设置贯穿到托盘平面的加强 筋，以提高安装孔处的强度和刚性：通过设置侧向及 周边2m m 翻边来提高托盘侧立面的刚性，并对托盘 背面设置“井”字型加强筋( 整体壁厚为3 0m m 、 筋的厚度为1 5m m 、筋高5m m 、间距5 2m m ) ， 以提高蓄电池托盘的平面刚性。通过采取以上优化措 施提高了蓄电池托盘的整体刚性。图2 是蓄电池托盘 的数模图片。 ( a ) 产品正视结构 【b ) 产品仰视结构 图2 北汽某车型塑料蓄电池托盘的数模图片 2 0 13 年第9 期 汽车工艺

13、与材料 A T M 4 7 万方数据 赫料匿胃 6 塑料蓄电池托盘的试制及其性能的 验证与评价 6 1 塑料蓄电池托盘的试制 a P P L G F 4 0 材料：牌号A 4 2 2 一L G 4 0 ( 玻纤长 度为12m m 的粒料) ，上海普利特复合材料股份有 限公司。 b H T F 2 5 0 1 型注塑设备：宁波海天集团股份有 限公司。 将待试制粒料在7 0 条件下烘干1h 后，倒入料 筒用于注塑。注塑参数见表2 和表3 。 加热段234 料筒温度 2 2 02 1 02 0 51 9 5 分段注塑 射胶保压 压力M P a速度m m s 。1 时间s压力M P a速度m m s

14、。1时间s 冷却时间s成型周期s 试制比较顺利，注塑后的零件无飞边、毛刺和裂 纹等外观缺陷，冷却后称重基本在( 4 8 0 3 ) g 范围 内，较为稳定。比钢制蓄电池托盘减重5 4 。图3 是 蓄电池托盘的实际照片。 6 2 性能验证与评价 按照北汽试验大纲要求，对试制的蓄电池托盘进 行了外观、性能及路试搭载试验，测试结果见表4 。图3 北汽某车型塑料化蓄电池托盘样件 试验项目试验方法及条件 评价指标结果判定 外观目视 外观清晰、整洁，表面 无裂纹、鼓泡、飞边、毛合格 刺和波纹等缺陷 蓄电池托盘高温试验温度为1 2 0 、试验时间为2 4h ；低温 蓄电池托盘未出现开 高、低温试验试验温度为

15、一4 0 ，试验时间为2 4h ；试验结束后，蓄电池托 裂、变形、发粘、变色及 合格 盘在( 2 3 2 ) 下放置O 5h 以上 功能失效等异常现象 勰嚣至薹鞴蠢秽擞皴蒹荟羰翌翥薹麟磐合格 振动试验 垂直的正弦振动，第1 阶段：振动频率为8 1 5H z 、振动加速 度为9 8m s 2 、周期为2 0s 、试验时间为3h ；第2 阶段：振动频试验完毕后，蓄电池固 率为1 5 2 5H z 、振动加速为度1 9 6m s 2 、周期为2 0s 、振动时 定牢固，固定点不松动， 骚 间为3h ：第3 阶段：振动频率为2 5 3 5H z 、振动加速度为2 9 4 蓄电池托盘无变形、断裂 m s

16、 2 、周期为2 0s 、振动时间为3h 。左右、前后方向振动，振 和疲劳等现象。 动加速度为3 2m s 2 、频率为3 3H z ，试验时间为每个方向2h 道路耐久试验整车搭栽路试3 0o o Ok m 路试中不得出现固定点 松动、托盘变形、断裂和 合格 疲劳等故障 4 81 汽车工艺与材料A T & M 2 013 年第9 期 万方数据 翩斟匝胃 P P - L GF 4 0 蓄电池托盘经过环境试验、振动试 验和道路耐久等试验后，无异常及缺陷，产品性能可 靠，而且减重5 0 以上，达到了预期设计目标。 7 长玻纤增强P P 材料的应用展望 长玻纤增强P P 材料应用于汽车蓄电池托盘，可

17、以减轻零件质量、降低蓄电池振动噪声并减少蓄电池 托盘的腐蚀，此外还方便了包装运输和生产装配，具 有良好的实用价值。目前已在北汽股份两款自主品牌 车型上获得批量应用。长玻纤增强P P 材料可以在满 足高强度和高刚性要求的基础上大幅减重；与工程塑 料相比，在成本上更具优势，因此在未来汽车轻量化 中必将扮演重要角色。 参考文献： 1 吴靖，长玻纤增强热塑性复合材料的研究进展 J ，化工进展，1 9 9 5 ，( 2 ) ：1 4 2 鲁道夫施陶贝尔( R u d o fS t a u b e r ) ，路德维希福尔 拉特( L u d w i gv o I l r a t h ) 汽车工程用塑料外部

18、应用 M 北 京：化学工业出版社，2 0 11 3 唐志玉，徐佩弦，塑科制品设计师指南 M 北京： 国防工业出版社，1 9 9 3 圈 C V C 威凯获美国通用汽车( G M ) 授权 成为其全球范围内汽车电子E M C 认可检测实验室 2 0 1 3 年8 月初，C v C 威凯经过一系列专业评估，正式获得美国通用汽车( G M ) 授权，成为其全球范围内汽车电子 E M C 认可检测实验室之一，也是华南地区唯一获得该授权的机构。 汽车电子E M c 测试是美国通用汽车在汽车电子产品质量认定时的重要检验项目。本次授权是美国通用汽车首次在 华南地区进行的汽车电子E M C 实验室认可活动。获得此授权后，c V c 可以为通用华南地区供应商和上汽通用五菱( 柳 州) 供应商提供更加优质的服务，并为其有效节省产品的检测成本。 c V c 威凯作为c I s P R 国际委员会委员单位，在汽车电子E M c ( 电磁兼容) 检测领域有着多年的丰富经验和雄厚的技 术实力，是通用汽车G P 一1 0 认可实验室，福特、大众、标致雪铁龙( 神龙) 、日产、本田等国际著名汽车公司和上海汽 车、奇瑞、吉利、广汽、比亚迪、福田、江淮等民族自主品牌车企的认可实验室，是国家商务