齿轮壳体的混合材料轻量化开发

　　在轻量化的大趋势下，多材料混合应用成为行业研究的热点。塑料/金属的复合材料在混合动力车中的应用已逐渐被行业接纳，特别是在动力系统中。然而，塑料/金属材料的界面结合具有时效性，影响着该材料的应用。大众汽车“Open Hybrid Lab Factory（开放混合实验室工厂）”实验中心的研究人员开通过新型互锁结构设计，展示了塑料/金属复合材料的高强度、高耐久性结合技术。

　　塑料/金属复合材料界面结合强度优化

　　塑料/金属复合材料结合了两种不同类别材料的性能优势，是近年来汽车行业备受青睐的轻量化材料解决方案。传统塑料/金属复合材料通过物理胶接的方式实现结合。但这种方法不适合大规模量产，且较容易发生结合失效。此外，在注塑成型过程中添加金属材料的嵌件技术也被开发和应用。但该工艺对注塑的模具及压力控制等要求较高。

　　对于壳体结构来说，其一般需要对相关液体实现密封，这对两类材料界面间的结合强度要求更高。同时，塑料受热引起的不均匀膨胀也会影响部件对流体或气体的密封性。并且壳体部件在悬架系统的应用中常常要承受较大的振动和机械载荷，进一步提高塑料/金属复合材料的界面强度是非常必要的。需要从整个工艺链入手，对复合材料的界面结合性进行优化。

　　试验对象及测试

　　研究人员选择全轮驱动车辆的HL 600后桥齿轮盖（图1）为原型，采用CNC加工。通过不同试样的工艺设计，对其拉伸剪切性能进行测试（按照DIN 1465标准）。塑料/金属的互锁结构如图2所示。此外，将各式样至于压力为0.4bar的环境中进行气密性测试，具体如图3。

　　粘合剂的选择

　　除了机械互锁之外，粘合剂也是非常重要的。这里测试了未经粘合剂粘接以及三种树脂材料粘合剂体系，包括单组份环氧树脂（粘合剂A）、酚醛树脂（粘合剂B）和超高温高性能环氧树脂（粘合剂C）。在有缺口的齿轮箱盖上测试粘合剂，材料分别选改性聚酰胺（PA）6.6和Albis Plastics的35%玻纤增强材料。测试结果显示，只有环氧树脂（粘合剂A）表现出较好的防泄漏性能，具体结果如图4。

　　对于需要承载流体密封的壳体结构，往往需要后期组装而形成密闭性。新开发的塑料/金属界面互锁结构将金属与纤维增强塑料结构相容，无需后续组装。即使材料具有不同的热膨胀系数，塑料在金属件上收缩，仍能保持较好的密封性。注塑成型过程中，将带缺口的预热金属嵌件插入温控注塑模具中。填充时将热聚合物熔体压在金属插件上，形成塑料/金属复合材料部件。冷却过程中塑料收缩产生的内应力可更好地实现两种材料的互锁结构。

　　结合强度测试

　　对于大规模生产而言，工艺的可靠性是需要重点考虑的，以确保产品质量的稳定，降低废品率。这里必须考虑粘合剂的润湿性、半成品的预处理和清洁等问题。研究表明，新型互锁结构具有较高且稳定的结合强度，无需昂贵的预处理。图5为几种材料结合强度的测试结果。根据DIN 1465，在100 kN条件下使用以下材料（式样：12.5 mm×25 mm）：

• PA6.6 Dupont Zytel

• 70G35HSLX

• PPA Dupont Zytel HTN54G35HSLR　

• PA6.6 Albis Altech PA6.6

• A 2035/507 GF35

　　此外，还根据工业应用中老化性能的相关测试标准进行了老化测试（气候老化和耐齿轮油老化。

　　小结

　　多材料混合应用已成为汽车材料发展的大趋势，对于壳体部件来说，塑料/金属复合材料的密封性是影响其实用性的重要因素。新型界面互锁结构设计无需使用粘合剂且不需要过多的表面预处理，就可获得较好的界面结合。该工艺周期短，无需昂贵的预处理，产品稳定性较好，让汽车多材料混合应用的自动化、批量化生产成为可能。