Trelleborg减重策略-动力总成悬置系统结构部件的塑料应用

2012-28-0017

Trelleborg Weight Reduction Strategy –Utilization of Platic for Structural Components for Power Train Mounting System

Trelleborg

 ludovic chauvet

摘要

在本文中，我们将提出一种系统方法，引进塑料材料用于动力总成悬置系统。我们将描述所有的发展步骤，包括材料法选择、注射过程仿真、FEA仿真和验证测试。

前言

未来几年，全球汽车工业面临一个大趋势。这种与全球变暖有关的趋势是减少二氧化碳排放。在欧洲，2015年和2020年的总体排放法规将分别为130g和95g。

二氧化碳排放量与车辆重量直接相关（见图1）。如果车辆总重量增加200 kg，则油耗增加，二氧化碳排放量随之增加约18%（对于1.5升柴油发动机，平均为4.8/100公里至5.7升/100公里）。

图1油耗与车辆总量的关系

从图2我们在1995年到2005年的市场上看到的是，随着被动安全性的提高、噪声振动和平顺性性能的提高、辅助设备的增加……在欧洲，这一时期乘用车的平均重量增加了200公斤。我们给出了一辆B/C欧洲车的例子，它的重量从1118公斤增加到1310公斤。

图2 1995-2005年欧洲汽车重量变化

除了减重目标外，汽车公司还要求永久性降低成本。我们将在本文中证明这两个目标是一致的。

因此，汽车OEMs设定了3个目标

1）2020年二氧化碳减排-20 gCO2/km

2）2020年重量减轻200公斤

3）零件成本降低-25%

这些目标主要是通过降低发动机尺寸策略实现的。例如，在欧洲市场，2L发动机将改为1.5L，从而显著降低发动机质量。

主要内容

根据这些OEMs的目标，Trelleborg为动力总成悬置系统制定了重量减轻策略。减轻重量的一个主要动力是结构部件使用塑料。近15年来，Trelleborg已经将塑料用于非结构部件。我们将在本演示中详细介绍右侧液压悬置的塑料应用。在图3中，我们可以看到RHS安装在汽车上。

这个项目的第一步是选择最合适的材料来开发一个有竞争力的解决方案。Trelleborg技术分析证明，聚酰胺6.6是一种很好的解决方案，因为这种材料价格合理，在市场上应用广泛。目前的RHS安装有一个钢外壳，其总重量为1.180克。

图3 本文研究的右悬置

Trelleborg的减重目标是用塑料外壳代替钢外壳。

该部件的主要加载条件是

1）静荷载

2）疲劳载荷

3）碰撞荷载

4）此部件安装在发动机舱内时的永久温度和最高温度

5）空气相对湿度

我们的主要挑战是设计一个可行的塑料组件，它满足上述所有技术规范，并具有良好的制造稳健性，可以进行大规模生产。

塑料带来的具体挑战是

1）粘弹性和粘塑性矩阵

2）非均质各向异性玻璃纤维增强

3）玻璃化转变温度取决于含水量

图4应变率和纤维取向对复合材料性能的影响

图5非均质各向异性玻璃纤维增强

图6 温度对各向异性的影响

为了支持这一创新性的开发，Trelleborg集成了仿真、原型生产和验证所需的所有工具。主要原因是

1）自行控制所有开发步骤

2）以短迭代周期对市场做出反应

3）在发展中学习，促进产业化进程

除此之外，Trelleborg还与Rhodia公司建立了强有力的合作关系，开发了一个具有材料构成法的数据库。

图7 合作关系

下面的图片显示了我们在这个项目中使用的工具和设备

1）用于均匀化模拟的Digimat软件（通过有限元模拟确定纤维方向）

2）用于有限元耦合仿真的HyperMesh和Abaqus软件

3）160t原型机和小批量生产用注塑机

4）三轴道路负荷数据模拟的MTS 833

5）碰撞试验台

图8 分析软件使用

图9 160t原型机和小批量生产用注塑机

10 用于三轴道路负荷数据模拟的MTS 833

根据这一创新的发展战略，特瑞堡开始开发欧洲前五大OEM B细分市场的汽车，具体目标是用塑料玻璃纤维增强限位器取代目前的钢铁限位器。

外壳的主要规格是

1）静态断裂荷载>12.000 N

2）疲劳荷载+/-4.800 N和+/-10.000 N

3）工作温度。80摄氏度

4）调节相对湿度50%

玻璃纤维增强塑料的主要挑战是在有限元模拟中考虑各向异性。所附方案显示了用于模拟材料各向异性行为的特定有限元分析工具和过程。

图11 特定有限元分析工具和过程

为了获得一致的有限元模拟和可接受的计算时间，我们还必须根据所附方案优化所有模拟步骤。

图12 模拟过程的优化

此外，所有不同的荷载情况都要求管理弹性和塑性材料的行为。静态载荷情况模拟要求弹塑性建模，疲劳载荷情况模拟要求粘弹性建模（见附表1）。

表1 疲劳载荷情况模拟要求

对于疲劳载荷情况。

仿真和测试之间的相关性是获得仿真可信度以支持设计迭代的关键验证步骤。Trelleborg完成了a）准静态载荷情况和b）疲劳载荷情况的相关性分析。

对于静态荷载情况，试验条件定义如下。

1）测试速度10 mm/min

2）温度80°C

3）含水量RH 50%

图13 静态荷载情况试验条件定义

相关分析表明，在准静态荷载作用下，构件的性能和破坏模式都有很好的结果。

图14 静态载荷测试和仿真分析的一致性

图15 金属件静载断裂失效位置与仿真结果

 对于疲劳载荷

图16 疲劳载荷测试

图17 塑料件疲劳载荷分析与试验结果对比

结论

Trelleborg开发了一套完整的塑料纤维玻璃增强组件的工业模拟和开发过程。模拟过程考虑了这种材料的非线性和各向异性。

我们可以证明模拟和测试之间有很好的相关性，这是验证我们的工具和过程的关键步骤。对于准静态和疲劳载荷，我们都可以得到这种良好的相关性。

利用这一创新的模拟过程，Trelleborg开发了一种塑料玻璃纤维增强限制器，用于RHS安装，具有以下特点

1）质量-40%（710克对1180克）

2）成本降低-15%

这一创新性组件已得到OEM的充分验证，并将于2012年初投入批量生产。

同时，在2010年，Trelleborg被授予第二个类似的项目，塑料玻璃纤维增强结构部件的应用现在被认为是Trelleborg现成的技术。

Trelleborg的下一个改进目标是在塑料玻璃纤维模拟中加入碰撞和寿命模拟。