玻纤增强聚丙烯复合材料停车楔研发

李海丰，乔鹏程，孙 锐

（1.湖北汽车工业学院材料科学与工程学院，湖北 十堰 442002；
2.湖北涛华材料科技有限公司，湖北 十堰 442002）

停车楔是汽车停泊防护的安全零件，起到防滑、止动、警示的重要作用。根据GB 7258—2017《机动车运行安全技术条件》规定，自2018年1月起，车长≥6 m的客车和总质量≥3 500 kg的货车，应装备至少2个停车楔。为此，汽车零部件厂商开发制造了金属、橡胶、甚至木材材质的停车楔，但使用效果并不理想。一方面不耐用，另一方面零件笨重，不符合汽车行业轻量化的发展要求。以塑代钢、以轻代重是汽车轻量化选材的一个重要思路[1]，PP以良好的力学、加工性能以及可回收性，成为了目前汽车上用量较大的材料[2]，但用其制造停车楔的强度难以满足要求。GF增强PP可以大幅提高其力学性能和耐蚀性[3⁃4]，目前国内已有很多文献研究报道了GF增强PP在汽车及其他领域的应用[5⁃7]，取得了较好效果。停车楔作为法规件，实现轻量化具有很强的实用价值，本文即从结构、材料和工艺方面对其轻量化研究，在实现减重的同时具备较优的经济性。

鉴于停车楔的工作状态，其外形类似直角三角形，总体结构是一定宽度的三角形拉伸体；
斜边与车轮配合，实际上是有一定半径的弧面，长直角边与地面接触，拉伸体的宽度略大于轮胎宽度。由于斜边要与轮胎完全贴合，弧面的半径就是轮胎的半径，一般重卡的后轮直径为560～565 mm，轮胎断面宽度为150～160 mm；
长和高参考同体积大小橡胶材质的尺寸，约300 mm×200 mm，由此确定结构的外观基本参数。

在结构设计上要考虑以下几方面，（1）构造简单，既减重又方便成型；
（2）强度牢固，能抗压抗弯；
（3）结构上要有抓取装置，方便使用；
（4）底部应有防滑设计。因此初步设计的停车楔由重复排列的直管、直管间的连接板和抓取孔构成。直管的截面形状可以是三角形、六边形和圆形等；
设计两处抓取孔，内凹置于整体的后端面。零件设计为注射成型，并充分考虑抗弯性能，因此直管的截面形状设计为圆形。图1（a）为最终设计的产品结构，总体构造简单，易成型；
（b）图红框所示为抓取孔；
（c）图红色半圆所示为底部防滑凸台。

图1 设计的轻量化结构Fig.1 Lightweight structure

工程材料的选取除考虑力学性能、物理与化学性能、工艺性能和经济性之外，还必须考虑环保与再生回收性能。PP轻质、廉价；
可回收再生、循环使用；
通过注射成型，零件制造方便；
同时具有良好的力学和物化性能，使其成为汽车零部件上用量较大的热塑性塑料[8]。但PP的耐冲击性能差、又具有低温脆性，对其进行增强增韧改性是当前PP材料研发的重要方向[9]。GF最早从20世纪40年代起就已被用于塑料的增强体，制备的GF增强树脂基复材轻质高强，已成为目前汽车轻量化选材的成熟技术和首要思路[10⁃12]。因此，对于停车楔这种要求具有较高抗压抗弯强度的零件，用GF对PP增强改性自然成为汽车轻量化用材的首选。短切玻璃纤维增强PP不仅力学性能优异，而且流动性好、易加工、成本低；
当添加的GF质量分数为20%～35%时，其综合性能最好[13⁃14]。由于目前市面上常见的短切原丝增强PP多为30%的GF含量，因此本项目以普通市售的PP树脂和无碱GF为原材料，针对轻量化的停车楔用材专门制备了PP/30%GF复合材料，其主要的性能指标见表1。

表1 PP/30%GF主要性能指标Tab.1 Main performance indexes of PP/30%GF

在结构设计及材料选取完成后，使用有限元仿真软件ANSYS对结构进行静载荷状态下的应力与应变分析。先对几何模型进行网格划分，由于结构简单，因此选择自由网格划分，结果见图2。按照技术要求分析满载18 T时的应力与应变，模型所受约束和承载示意图见图3所示，选中停车楔与坡道的接触面作为约束面。实际工况下，车辆的两侧后轮处各放置一件停车楔，分担承受18 T的载荷，但为保证设计的安全裕度和可靠性，并应对实际可能出现的各种复杂工况，对单独一件停车楔承载18 T进行分析。结果见图4和图5。由图4可知，零件在设定载荷下的受到的应力较小，仅在底部与车轮接触部位的前端以及背部抓取孔位置受到最大应力，其值在20 MPa左右，远远小于PP/30%GF材质的弯曲强度。图5显示了零件在设定载荷下的应变情况，可看出在底部与车轮接触部位的前端以及背部抓取孔位置出现较大变形，其中背部抓取孔位置变形最大，约为0.033 mm，变形非常小，也在允许范围内。对图4应力和图5应变综合分析，零件底部与车轮接触部位的前端，由于受到车轮垂直方向的直接压力，受力集中，因此容易出现较大变形；
而零件背部的抓取孔位置，特别是4根圆管的顶部，车轮压力通过筋板的传递到达背部时，由于没有支撑，4根圆管出现向内凹陷弯曲的变形，且通过筋板的传递后变形最大，但应力应变值均满足技术要求。结果表明，塑件单独使用时可满足要求，实际中是两件同时使用，表明设计的结构理论上具有很好的强度和刚度，结构设计合理、可行。

图2 有限元网格划分Fig.2 Finite element mesh division

图3 承载示意图Fig.3 Stress diagram

图4 应力分析Fig.4 Stress analysis

图5 应变分析Fig.5 Strain analysis

需要注意的是，在有限元分析时，材料被认为是各向同性，但由于复合材料自身具有的及成型过程导致的各向异性，造成实际情况与有限元模拟结果有较大差异。通过简化、近似的有限元分析，只是避免了结构及选材设计的先天缺陷和不足，杜绝了明显的设计错误；
为保证设计的安全裕度和可靠性，必须结合整车试验验证，即将制备的实物在技术要求规定的道路及载荷下进行实测。

注射工艺参数的设定对PP/30%GF复合材料的性能起着较为关键的影响[15]。借助Moldflow模流分析软件可以对温度、压力、时间等关键因素进行分析优化，一方面可以预防控制潜在的质量缺陷，如翘曲变形、气孔等；
另一方面对后续的模具设计起到指导帮助作用[16]。在软件材料库中选择PP/30%GF，然后设定工艺参数。模具表面温度50℃，熔体温度230℃，模具温度范围20～80℃，熔体温度范围200～280℃，绝对最大熔体温度320℃，顶出温度93℃，最大剪切应力0.26 MPa，最大剪切速率24 000 s-1。

图6展示了进胶位置，采用大水口进胶，这样压力损失小，虽然需要人工去除浇口，但加工简单；
即使表面留有浇口痕迹，但处于零件的底部，不影响外观及使用。图7显示的是产品成型时的填充情况，蓝色表示最先填充区域，红色表示最后填充区域。结果显示填充过程中流动较为均衡，表现为所有流动路径基本都能同时到达模型边缘。图8显示等值线的间距呈均匀分布，宽间距的等值线表示流动比较顺畅，窄间距的等值线表示零件填充比较缓慢，阻力较大。结果显示充填时间为1.952 s，充填顺利，无短射。图9显示的是充填结束时的压力，此结果显示的是从速度控制切换为压力控制时压力在模具中沿流动路径分布情况，填充末端压力应为0 MPa；
图中显示填充末端压力最大为32.39 MPa，结果表明压力分布较均匀，且注射压力适中，适宜成型。图10显示的是从冷却阶段结束到产品冷却至环境参考温度时局部体积的减小量，即顶出时的体积收缩率。可看出产品主体整体收缩均匀，壁厚较厚区域收缩值偏高。局部高收缩率的区域可能在产品冷却时导致内部缩孔或缩痕，这可以通过适当延长保压时间等措施来解决。图11给出了零件在注射过程中气穴的严重程度以及可能出现的位置。从图中看出，气穴主要集中在零件的底部，这意味着后续的模具设计要注意排气设计，需要增设排气槽。图12给出了零件成型后的总变形量，可看出各向变形均较小，最大值仅有0.88 mm，无严重翘曲变形，符合技术要求的规定。最终模拟优化出的最佳成型工艺参数见表2。

图6 浇口位置Fig.6 Gate location

图7 充填时间Fig.7 Filling time

图8 充填时间⁃等值线Fig.8 Filling time contour

图9 充填结束时的注射压力Fig.9 Injection pressure at the end of filling

图10 顶出时的体积收缩率Fig.10 Volume shrinkage at ejection

图11 气穴位置Fig.11 Cavitation location

图12 总变形量Fig.12 Total deformation

表2 最佳成型工艺参数Tab.2 Optimal forming process parameters

使用公司已有的挤出成型机，自制改性材料，制备PP/30%GF复合材料，以降低材料成本。零件1模1腔注射成型，选用HXM410注塑机，锁模力4 100 kN。利用表2模拟出的最佳成型工艺参数批量制备了一批产品，发现塑件整体成型良好，无缺料等严重缺陷，出现的主要缺陷是流痕和飞边，解决措施见表3。开模取件后制件需仔细检查外观质量，不应有色差、变形、开裂、油污、尖角、毛刺、明显的凸凹不平等影响外观的缺陷；
浇口部位飞边修剪、平整无凹陷。生产的合格产品如图13所示，黄色外观无杂色等缺陷，零件净重0.98 kg。

表3 常见缺陷及解决办法Tab.3 Common defects and solutions

图13 合格产品Fig.13 Qualified products

取合格产品按技术要求进行静压试验、冷热循环试验和耐低温冲击性能检测，检测方法和结果见表4，可见零件性能完全满足设计要求。最后，还需按照法规要求（GB 7258）对产品进行整车试验，方法为整车满载18 T、在20°的坡上驻车，将两件产品分别放置在左右驱动轮后方（要与轮胎贴合），然后松开手刹脚刹，车辆不后滑、停车楔无破损、裂纹等异常即为合格。整车试验见图14所示，检测结果为合格。

表4 零件性能检测Tab.4 Part performance test

图14 整车试验Fig.14 Vehicle test

将开发成功的新型停车楔与目前市面上橡胶和金属材质的停车楔从质量、成本和特点3方面进行对比，结果见表5。可见采用PP/30%GF复合材料制造的停车楔，总质量仅有0.98 kg，相比传统材质，大幅降低了零件自重，同时成本也最低、经济性良好。使用复合材料不仅避免了橡胶材质带来的刺激性气味，而且材料可回收再生使用；
此外，相比金属材质需要焊接成型，复合材料停车楔采用一次注射成型，生产效率高，还避免了金属易生锈等缺陷。综合比较，PP/30%GF复合材料制造的停车楔轻质高强、性能优越、成本优势明显。

表5 3种材质停车楔对比Tab.5 Comparison of three kinds of parking wedges

目前，该轻量化停车楔已获批发明专利，并在国内大型商用车公司批量交付使用，市场反馈使用效果好。

（1）采用圆筒中空结构、PP/30%GF复合材料注射成型的新型停车楔，其质量仅有0.98 kg，成本低；
（2）相比原橡胶、金属材质的停车楔，轻量化效果显著，经济优势明显，且满足环保要求；
市场使用效果好。