CN112521748A - 用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料及其制备方法，所述热塑性材料主要由以下材料制备而成：尼龙树脂，高强度无碱无蜡玻璃纤维，塑化剂，相容剂，抗氧剂和润滑剂，其中，高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～100mm。本发明所述热塑性材料采用长度为30～100mm高强度无碱无蜡玻璃纤维，充分发挥无碱无蜡玻璃纤维的高强度性能，提高了材料的力学性能，重量轻，成本低，能浇注更复杂的产品。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零部件技术领域，更具体地，涉及一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料及其制备方法。
背景技术
玻纤增强尼龙材料是在尼龙树脂中加入一定量的玻璃纤维进行增强而得到的塑料。尼龙加玻纤材料具有非常优越的综合性能，无毒、质轻、优良的机械强度、耐磨性及较好的耐腐蚀性、价格低廉，被广泛应用于军事、建筑、船舶、电工工具、机械工业、运动器材、办公设备、汽车等用于制造轴承、齿轮、泵叶及其零部件。目前常使用的尼龙加玻纤材料所加的玻璃纤维一般为短玻纤，长度为3～5mm，短玻纤增强尼龙材料在冲击性能等方面仍显得略有不足，因此短玻纤材料的应用受到限制。现有技术中也有加连续玻纤的材料，连续玻纤虽然很长，但是加有连续玻纤的材料是热固性材料，不易成型，而热塑性材料更易成型，能浇注更复杂的产品。
汽车空气悬架的零部件，如C型梁、均衡梁等目前采用钢结构，钢结构的优点是力学性能好，但是钢结构制造成本高，重量大。汽车的重量影响到车辆的平稳性和能耗，重量越轻，耗电越少，节约成本，车辆越轻对路面的磨损也更小。技术人员通常通过改变汽车零部件的结构，来减轻汽车总的重量，钢结构本身就较重；或者采用碳纤维材料制作，但是碳纤维材料的价格太高。
发明内容
本发明提供一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，该热塑性材料具有良好的力学性能，重量轻，成本低，能浇注更复杂的产品。
本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，以重量份数计算，所述热塑性材料由以下原料制备而成：
尼龙树脂 38～62份；
高强度无碱无蜡玻璃纤维 40～60份；
塑化剂 1～6份；
相容剂 2～7份；
抗氧剂 0～1份；
润滑剂 0.1～1份；
其中，所述尼龙树脂为PA6和PA66中的一种，高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～100mm。
高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～100mm：无碱无蜡具有强度高的优势，保障了产品抗拉强度好的效果；长度为30～100mm的玻纤具有弯曲强度、弯曲模量高的特点。
优选地，所述高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～40mm。
优选地，所述高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～50mm。
优选地，所述高强度无碱无蜡玻璃纤维长70～80mm。
优选地，所述PA66选自牌号EPR24、EPR27或EPR32中的至少一种。
优选地，所述塑化剂选自 POE 、9805N中的至少一种。
优选地，所述相容剂选自马来酸酐接枝聚烯烃、马来酸酐接枝聚烯烃弹性体中的至少一种。
优选地，所述抗氧剂选自抗氧剂B225、抗氧剂1098中的至少一种。
优选地，所述润滑剂选自硅酮粉、脂肪酸酰胺类中的至少一种。
本发明还提供了用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料的制备方法，采用以下原料：
尼龙树脂 38～62份；
高强度无碱无蜡玻璃纤维 40～60份；
塑化剂 1～6份；
相容剂 2～7份；
抗氧剂 0～1份；
润滑剂 0.1～1份。
优选地，制备方法如下：将尼龙树脂、相容剂、抗氧剂、润滑剂混合均匀，再将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、塑化剂从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到所述热塑性材料。
所述尼龙树脂为PA6和PA66中的至少一种，高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～100mm。
优选地，所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为225～245℃，二区温度为245～265℃，三区温度为255～275℃，四区温度为265～285℃，五区温度为255～275℃，六区温度为245-265℃，七区温度为240～260℃，八区温度为240～260℃；机头温度为250～270℃，双螺杆挤出机主机转速310～330转/分钟。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料力学性能优越，主要采用具有高强度，具有较好弯曲强度和弯曲模量的长度为30～100mm高强度无碱无蜡玻璃纤维，提高了材料的力学性能，经过试验测量，该材料的拉伸强度230～260MPa，拉伸断裂伸长率3～6％，弯曲强度330～360MPa，缺口冲击强度80～100MPa。力学性能能与金属材料媲美；同时相对现有技术的尼龙加短玻纤材料强度提高了60%。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明。
图1是C型梁结构示意图。
图2是有限元分析三维几何模型。
实施例1
一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，主要由PA66：40kg，高强度无碱无蜡玻璃纤维：60 kg，POE：4kg；马来酸酐接枝聚烯烃：3kg；B225：0.05 kg；硅酮粉：0.5 kg制备而成。其中，高强度无碱无蜡玻璃纤维长30 mm。
将PA66、马来酸酐接枝聚烯烃、B225、硅酮粉混合均匀，将将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、POE从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到热塑性材料。
所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为235℃，二区温度为255℃，三区温度为265℃，四区温度为275℃，五区温度为265℃，六区温度为260℃，七区温度为255℃，八区温度为255℃；机头温度为260℃，双螺杆挤出机主机转速320转/分钟。
实施例2
一种热塑性材料，主要由PA66：40kg，高强度无碱无蜡玻璃纤维：60 kg，POE：4kg；马来酸酐接枝聚烯烃：3kg；B225：0.05 kg；硅酮粉：0.5 kg制备而成。其中，高强度无碱无蜡玻璃纤维长50mm。
将PA66、马来酸酐接枝聚烯烃、B225、硅酮粉混合均匀，将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、POE从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到热塑性材料。
所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为235℃，二区温度为255℃，三区温度为265℃，四区温度为275℃，五区温度为265℃，六区温度为260℃，七区温度为255℃，八区温度为255℃；机头温度为260℃，双螺杆挤出机主机转速320转/分钟。
实施例3
一种热塑性材料，主要由PA66：40kg，高强度无碱无蜡玻璃纤维：60 kg，POE：4kg；马来酸酐接枝聚烯烃：3kg；B225：0.05 kg；硅酮粉：0.5 kg制备而成。其中，高强度无碱无蜡玻璃纤维长70mm。
将PA66、马来酸酐接枝聚烯烃、B225、硅酮粉混合均匀，将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、POE从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到热塑性材料。
所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为235℃，二区温度为255℃，三区温度为265℃，四区温度为275℃，五区温度为265℃，六区温度为260℃，七区温度为255℃，八区温度为255℃；机头温度为260℃，双螺杆挤出机主机转速320转/分钟。
实施例4
一种热塑性材料，主要由PA66：40kg，高强度无碱无蜡玻璃纤维：60 kg，POE：4kg；马来酸酐接枝聚烯烃：3kg；B225：0.05 kg；硅酮粉：0.5 kg制备而成。其中，高强度无碱无蜡玻璃纤维长80mm。
将PA66、马来酸酐接枝聚烯烃、B225、硅酮粉混合均匀，将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、POE从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到热塑性材料。
所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为235℃，二区温度为255℃，三区温度为265℃，四区温度为275℃，五区温度为265℃，六区温度为260℃，七区温度为255℃，八区温度为255℃；机头温度为260℃，双螺杆挤出机主机转速320转/分钟。
实施例5
一种热塑性材料，主要由PA66：40kg，高强度无碱无蜡玻璃纤维：60 kg，POE：4kg；马来酸酐接枝聚烯烃：3kg；B225：0.05 kg；硅酮粉：0.5 kg制备而成。其中，高强度无碱无蜡玻璃纤维长100mm。
将PA66、马来酸酐接枝聚烯烃、B225、硅酮粉混合均匀，将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、POE从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到热塑性材料。
所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为235℃，二区温度为255℃，三区温度为265℃，四区温度为275℃，五区温度为265℃，六区温度为260℃，七区温度为255℃，八区温度为255℃；机头温度为260℃，双螺杆挤出机主机转速320转/分钟。
对实施例1～实施例5制得的热塑性材料按国家标准进行性能测试，检测结果如下
表所示：
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | |
| 拉伸强度（MPa） | 230.5 | 250.8 | 260.6 | 265.9 | 285.1 |
| 拉伸断裂伸长率（%） | 4.1 | 5.3 | 5.6 | 6.5 | 7.6 |
| 弯曲强度（MPa） | 326..3 | 335.2 | 350.2 | 355.1 | 358.6 |
| 缺口冲击强度（MPa） | 40.1 | 40.2 | 42.6 | 48.8 | 56.2 |
当汽车空气悬架的零部件如C型梁，均衡梁，使用金属材料时，拉伸强度要求≥250MPa、拉伸断裂伸长率要求≥4.0 %、弯曲强度要求≥330MPa和缺口冲击强度要求≥40MPa范围。综上所述，本发明采用长度为30～100mm高强度无碱无蜡玻璃纤维，增强了材料的力学性能，力学性能能与金属材料媲美。
用实施例3所述的热塑性材料，制作汽车C型梁，使用有限元计算软件Ansys计算该
C型梁强度与刚度。如图1所示，该C型梁为几何对称结构，边界条件与载荷也关于中间面对
称，故分析使用对称模型。图2为结构三维几何模型，所述C型梁质量：39.5kg（全模型总重）。
上部厚：25mm，下部厚：25mm，中部凹处厚度：45mm，该C型梁放置于工装座上。下表为工况条
件：
| 工况 | 描述 |
| 工况1 | 垂向载荷0.85G，G=63700N |
| 工况2 | 垂向载荷1G，G=63700N |
| 工况3 | 垂向载荷2.5G，G=63700N |
其中，垂向载荷为有限元分析时，对C型梁施加的外力；C型梁承受的载荷为63700N。C型梁设计的额定载荷是6.5吨，试验过程参照2.5倍的安全系数，即16.25吨，试验时，取值13吨。因此C型梁承受的最大载荷为13000KG*9.8N/kg=127400N，单边载荷为G=63700N。设置工装底座模拟C型梁实际安装工况。
使用二阶四面体划分网格，C型梁网格基本尺寸为10mm，模型总节点数量约为24万。
如图2所示，内部约束关系：螺栓与工装座关系为绑定，螺栓与C型梁关系为绑定，C型梁与工装座为摩擦接触，摩擦系数取0.1。
该C型梁材料为高分子材料，密度ρ=1.55e-9t/mm3；弹性模量 E=9e3N/mm2；泊松比v=0.4，拉伸强度σs=260.6MPa，弯曲强度350.2 MPa。工装为钢材。
工况1：垂向0.85G（F=26950N），边界条件:中部面对称约束，固定工装底部面，空气弹簧安装底座处（端部圆面）为垂向力施加位置。在端部圆面施加载荷，载荷F=26950N。
工况2：垂向1G（F=31850N），边界条件: 与工况1一致，载荷：在端部圆面施加载荷，载荷F=31850N。
工况3：垂向1G（F=79625N），边界条件: 与工况1一致，载荷：在端部圆面施加载荷，载荷F=79625N。
经过有限元分析得出结果为：
工况1：垂向0.85G时，该工况圆面中部垂向位移为35.5mm，结构最大等效应力为118.0MPa，最大主应力为110.0MPa。
工况2：垂向1G时，该工况圆面中部垂向位移为42.0mm，结构最大等效应力为139.4MPa，最大主应力为129.9MPa。
工况3：垂向2.5G，该工况圆面中部垂向位移为105.6mm，结构最大等效应力为348.5MPa，最大主应力为324.7MPa。
以下为分析结果列表
| 序号 | 工况 | 计算结果 | 备注 |
| 1 | 垂向0.85G | 最大等效应力为118.0MPa，最大主应力为110.0MPa | 小于材料拉伸强度（260.6MPa） |
| 2 | 垂向1G | 最大等效应力为139.4MPa，最大主应力为129.9Mpa | 小于材料拉伸强度（260.6MPa） |
| 3 | 垂向2.5G | 最大等效应力为348.5MPa，最大主应力为324.7MPa | 小于材料弯曲强度（350.2MPa） |
结论：经以上分析得知，该C型梁所承受的最大应力小于材料许用应力。考虑到实际结构中的约束条件，且汽车运行过程中，C型梁承受的所有的力同时施加、同时为最大值的几率很小，即实际工况中，应力会小于以上所计算的数值。综上所述，该C型梁符合适用要求。因此用实施例3所述的热塑性材料制成的C型梁可以代替钢结构C型梁。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料力学性能优越，主要采用具有高强度，具有较好弯曲强度和弯曲模量的长度为30～100mm高强度无碱无蜡玻璃纤维，提高了材料的力学性能，经过试验测量，该材料的拉伸强度230～260MPa，拉伸断裂伸长率3～6％，弯曲强度330～360MPa，缺口冲击强度80～100MPa。力学性能能与金属材料媲美；同时相对现有技术的尼龙加短玻纤材料强度提高了60%。
Claims (9)
1.一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，其特征在于，以重量份数计算，所述热塑性材料由以下原料制备而成：
尼龙树脂 38～62份；
高强度无碱无蜡玻璃纤维 40～60份；
塑化剂 1～6份；
相容剂 2～7份；
抗氧剂 0～1份；
润滑剂 0.1～1份；
其中，所述尼龙树脂为PA6和PA66中的至少一种，高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～100mm。
2.根据权利要求1所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，其特征在于，所述高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～40mm。
3.根据权利要求1所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，其特征在于，所述高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～50mm。
4.根据权利要求1所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，其特征在于，所述高强度无碱无蜡玻璃纤维长70～80mm。
5.根据权利要求1所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料，其特征在于，所述热塑性材料的拉伸强度为230～260MPa，拉伸断裂伸长率为3～6％，弯曲强度为330～360MPa，缺口冲击强度为80～100MPa。
6.一种用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料的制备方法，其特征在于，采用以下原料：
尼龙树脂 38～62份；
高强度无碱无蜡玻璃纤维 40～60份；
塑化剂 1～6份；
相容剂 2～7份；
抗氧剂 0～1份；
润滑剂 0.1～1份。
7.根据权利要求6所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料的制备方法，制备方法如下：将尼龙树脂、相容剂、抗氧剂、润滑剂混合均匀，再将混合后的物料加入到双螺杆挤出机中，在熔融挤出的同时将高强度无碱无蜡玻璃纤维、塑化剂从侧料口引入，将挤出的物料经过冷却、风干、切粒，得到所述热塑性材料。
8.根据权利要求6所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料的制备方法，其特征在于，所述尼龙树脂为PA6和PA66中的至少一种，高强度无碱无蜡玻璃纤维长30～100mm。
9.根据权利要求6所述用于制作汽车空气悬架部件的热塑性材料的制备方法，其特征在于，所述双螺杆挤出机在工作时的工艺参数为：一区温度为225～245℃，二区温度为245～265℃，三区温度为255～275℃，四区温度为265～285℃，五区温度为255～275℃，六区温度为245-265℃，七区温度为240～260℃，八区温度为240～260℃；机头温度为250～270℃，双螺杆挤出机主机转速310～330转/分钟。
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