卡扣式通風(fēng)柵高溫變形的研究與控制

趙學(xué)偉

（廣汽本田汽車有限公司，廣東 廣州 510700）

引言

通風(fēng)柵位于車頭部分（如圖1中藍(lán)色零件），與前檔玻璃、發(fā)動機(jī)罩配合，主要起到美化外觀的作用。該零件直接與前檔玻璃面配合，而前檔玻璃面在夏天陽光直射后的溫度非常高（廣州可以達(dá)到83℃），因此通風(fēng)柵的耐高溫性要求較高。

通風(fēng)柵結(jié)構(gòu)繁多，常用的有膠釘&膠條式、膠條式、卡扣式。其中卡扣式通風(fēng)柵憑借其簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的價格（僅為另外兩種的2/3左右），占有一定的市場份額；但該結(jié)構(gòu)高溫易變變形(即耐高溫性差)，導(dǎo)致其不能全面推廣。

1 卡扣式通風(fēng)柵常見不良

卡扣式通風(fēng)柵是通過自帶的卡扣卡緊在前檔玻璃上進(jìn)行緊固的，實車高溫多發(fā)不良如圖 1：高溫時，通風(fēng)柵與前擋玻璃配合處發(fā)生鼓起變形，不僅影響外觀視覺效果，還有漏水風(fēng)險。

圖1 卡扣式通風(fēng)柵的不良現(xiàn)象

2 高溫變形不良的原因分析

通風(fēng)柵是樹脂件，根據(jù)自然界熱脹冷縮的原理，在高溫條件下，樹脂件尺寸會增加，從微觀角度來看，這是由于樹脂在溫度升高時，分子獲得了能量，克服分子之間的吸引力，將彼此間的距離拉大，在外觀就表現(xiàn)零件尺寸的增加[1]，如果有外力阻礙外觀尺寸變大，就會發(fā)生鼓起不良。接下來，本文對影響高溫變形的原因進(jìn)行分析。

2.1 材料

材料線性熱膨脹系數(shù)α決定了材料在高溫下的變化量，線性熱膨脹系數(shù)越大，此種材料的零件在高溫下尺寸的變化量就越大，發(fā)生熱變形的概率也越大。零件的尺寸變化量可以由以下公式表達(dá)：

式中：

ΔL是高溫零件的尺寸變化量；

ΔT是溫度變化量；

L是常溫下的零件尺寸。

通風(fēng)柵的材料為PP材，線性熱膨脹系數(shù)α在8.1-10（E-5/℃），假設(shè)通風(fēng)柵長度=1800mm，高溫80℃時不同牌號的PP材熱變形量最大相差1.89mm。

計算：1800*（10-8.1）*10-5*（80-25）=1.89mm

設(shè)計要件：為了避免較大的熱變形，設(shè)計時應(yīng)選擇低線性熱膨脹系數(shù)α的材料。

2.2 定位

通風(fēng)柵的B向（即：車的寬方向）長度有1.5-1.8m長，高溫時零件伸長量很大，因此需要保證通風(fēng)柵在高溫時B向的可伸縮性。在設(shè)計上需要從以下幾個方面考慮：

圖2 卡扣式通風(fēng)柵的定位緊固

2.2.1 通風(fēng)柵B向

B向定位要合理，既要滿足零件的裝配定位要求，又不能影響材料高溫時的自由流動性。

設(shè)計要件：所有卡扣B向不能設(shè)置定位，保證零件高溫自由膨脹，零件裝配B向定位設(shè)置在0B位置（如圖2）。

2.2.2 膠釘?shù)木o固孔設(shè)計

膠釘?shù)淖饔檬前淹L(fēng)柵緊固在車身上，同時限制通風(fēng)柵T向（即：車的長度方向）的活動量。同卡扣的設(shè)計一樣，B向不能定位，需要設(shè)計一定的虛位吸收熱膨脹的伸長量（如圖 2）。

設(shè)定通風(fēng)柵材料的α=9.5E-5/℃，通風(fēng)柵B向長度=1800 mm，則80℃的變形量。

ΔL=α?ΔT?L=9.5E-5×（80-25）×1800=9.4mm

設(shè)計要件：B向虛位量＞0.5倍ΔL，即＞4.7mm，如果采用Φ7mm的膠釘緊固，則緊固孔的尺寸最小為 7×16.4mm。

2.3 卡扣

2.3.1 卡爪厚度

卡爪折彎會產(chǎn)生反力F，力F受卡扣肉厚的影響大，肉厚太薄則不足以固定通風(fēng)柵，太厚則影響零件高溫時的熱膨脹。

設(shè)計要件：經(jīng)高低溫循環(huán)試驗驗證，卡爪肉厚設(shè)定為1.0±0.2mm比較合理。

2.3.2 2個卡扣之間的距離

零件的熱變形量ΔL=α?ΔT?L，2個卡扣之間的距離 L越大（如圖3），高溫時的熱膨脹量就越大，高溫時2個卡扣之間產(chǎn)生鼓起的概率就越大。

圖3 卡扣距離示意圖

設(shè)計要件：通風(fēng)柵的材料為PP，假設(shè)材料α=9.5E-5/℃[3]，80℃時一般要求ΔL≤0.5mm，則L需≤92.3mm。

2.4 零件內(nèi)應(yīng)力的影響

如果零件存在較大的內(nèi)應(yīng)力，高溫時應(yīng)力釋放，分子會重新排布，也會引起高溫變形不良，且殘留內(nèi)應(yīng)力較大，高溫時零件發(fā)生變形的可能性就越大。零件的內(nèi)應(yīng)力可以借助MOLD FLOW軟件進(jìn)行分析。如圖4，就是某車型通風(fēng)柵殘留應(yīng)力與高溫變形之間的關(guān)系。

圖4 某車型殘留應(yīng)力與高溫間隙之間的關(guān)系

3 結(jié)論

卡扣式通風(fēng)柵憑借有著低成本的優(yōu)勢很有發(fā)展前景，但受其高溫易變形的特性，暫不能大范圍推廣使用。本文從其結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，歸納出影響熱變形的關(guān)鍵設(shè)計要點，并通過探討殘留應(yīng)力對其熱變形的影響，引導(dǎo)出MOLD FLOW軟件在熱變形領(lǐng)域的應(yīng)用，對其他新車型應(yīng)用該類型的通風(fēng)柵提供了很好的參考意義。

[1] 費業(yè)泰.機(jī)械熱變形理論及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.13-13

[2] 周達(dá)飛.汽車用塑料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社 2003:41-41.

[3] 周達(dá)飛.汽車用塑料[M].北京:化學(xué)工業(yè)初版社, 2003:17-17.