基于计算机辅助的ECU支架注塑成型平面度优化

Optimization of Flatness of ECU Bracket Injection Molding Based on Computer Aided Engineering

摘要

随着新能源汽车的发展，电子控制单元（ECU）及其支架的数量越来越多。ECU支架采用塑料化方案可以大幅降低质量和成本，但需要解决翘曲变形导致的平面度的问题。基于计算机辅助技术探究了ECU支架注塑成型平面度的工艺优化方案。针对初始工艺下平面度超标的问题，以模腔温度、注射时间、保压时间和熔体温度等为自变量设计正交试验并进行分析。结果表明：模腔温度对平面度的影响达到极显著程度，注射时间和保压时间对平面度的影响为显著，熔体温度对平面度的影响为不显著；优化的工艺参数组合为A₂B₁C₃D₂。优化工艺的仿真结果显示：平面度由初始工艺的8.685 2 mm降至3.978 2 mm，优化率达到54.2%，达到设计要求，且外观状态良好。基于优化工艺的试模样品外观状态及平面度测试结果均满足要求，验证了此优化工艺的正确性。

关键词

计算机辅助技术 / ECU支架 / 注塑成型 / 平面度 / 正交试验

Key words

Computer aided engineering / ECU bracket / Injection molding / Flatness / Orthogonal test

电控单元(ECU)是汽车的核心元件之一，具有故障自诊断和保护功能，为汽车的正常运转保驾护航。随着汽车电气化、智能化的发展，ECU的功能也越来越复杂，对其诊断测试能力的要求也越来越高^[1]。尤其对于电动汽车，ECU诊断能力的可靠性更为重要^[2]。ECU功能异常可能导致电机启停异常、温度失控，甚至引发自燃^[3]。因此，基于信号处理数学模型，电控系统元件的选择和电路系统设计十分关键^[4]。ECU一般通过支架安装在车身上，ECU功能的稳定性与支架的性能直接相关。目前，对于ECU支架的研究主要聚焦在结构设计，主要依靠有限元或仿真技术提高支架的刚度、振动强度及抗疲劳性能^[5-6]。黄勤等^[5]为解决ECU支架共振问题，基于Nastran有限元法进行了模态分析得到发生共振的原因和频率，并给出优化方案并进行验证，最终通过振动加速度测试试验。然而，ECU支架的选材对其结构设计及性能的影响更为关键。目前，大部分ECU支架都采用金属材质，但包含材料、成型及装配的综合成本会更高，而且结构很难高度集成、整体质量也比较高。目前，随着新能源汽车的发展，ECU支架高度集成、轻量化是必然趋势。相关文献主要针对金属材料采用拓扑优化降低质量，但这种方式轻量化的空间十分有限。采用高分子材料进行零件的轻量化设计已成为趋势^[7]。在汽车电子电器件的外壳件中，已基本采用塑料材料，其中以玻纤增强材料为主^[8-9]。玻纤增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)材料具备优异的力学和电学性能，已在汽车控制器外壳、连接器及支架类零件中广泛应用^[10-11]。玻纤增强PBT材料在ECU支架中的应用还在可行性探索阶段，性能方面基本可以满足，主要的问题在于注塑成型质量的控制。玻纤的取向效应会产生较大的翘曲变形导致形位公差不合格，需要在零件设计阶段解决^[12-13]。基于计算机辅助的设计和仿真技术在注塑成型产品设计中应用十分普遍^[14]，不仅能够评估产品结构或流道系统是否合理，也能够进行工艺参数的优化，特别是针对翘曲变形的问题^[15]。利用正交试验能够高效进行参数优化，并得到最优参数组合^[16-17]。

本实验针对某ECU支架注塑成型后平面度过大的问题，以模腔温度、注射时间、保压时间和熔体温度等四个工艺参数为自变量设计正交试验，并进行优化分析。

1 ECU支架设计与初始分析

1.1 ECU支架设计

图1为ECU支架结构设计。ECU安装在该塑料支架上，对其进行安装固定和保护。从图1可以看出，结构主要包含三个安装凸台、四个限位卡口以及五个用于放置电子元器件的矩形孔。支架周边布置系列加强筋，用于提高结构刚度和强度^[18]。支架与ECU之间良好的密封能够有效防止灰尘等杂志渗入内部，要求该支架的配合面（图1b中红色面）平面度处于较低水平^[19]。故该ECU支架的设计指标要求：平面度不大于5.0 mm。

图2为ECU支架厚度分布。从图2可以看出，主要壁面厚度为2 mm。安装凸台主壁厚度为2 mm，侧壁面厚度为1 mm，加强筋厚度为0.9 mm。限位卡口壁厚度为2.2~2.3 mm，加强筋厚度约为1.5~2.4 mm。结构内部主体加强筋厚度为1.0 mm，侧边加强筋厚度为1.2 mm。

1.2 网格模型

该ECU支架采用Dual Domain进行网格建模^[20]，表1为网格划分结果。从表1可以看出，满足双面网格对于计算分析的要求^[21]，实际计算也可正常进行。图3为ECU支架的网格模型。

1.3 材料参数

该ECU支架材料为30%玻纤填充的PBT材料，表2为材料基本参数^[22]。基于材料实测UDB文件中默认工艺参数进行初始模流分析。初始工艺参数：熔体温度为265 ℃，模腔温度为70 ℃，保压时间为8 s，注射时间为1.8 s。

1.4 浇注系统设计

根据该ECU支架尺寸及材料流动性，图4为ECU支架进胶系统设计。(1)圆形冷浇口截面尺寸为Φ2~Φ4 mm，(2)圆形冷流道截面尺寸为Φ4~Φ10 mm，(3)U形冷流道截面尺寸为10 mm×6 mm（宽度×高度），(4)圆形冷主流道截面尺寸为Φ4~Φ10 mm。

1.5 初始工艺分析

基于初始工艺计算该ECU支架所有效应下的Z向翘曲变形及平面度结果，图5为初始模拟结果。从图5可以看出，整个结构呈现两端下翘、中间凸起变形的特点，最大z向变形量为5.812 0 mm。计算得到平面度为8.685 2 mm>5.0 mm，不满足指标要求，需进行工艺优化。

2 工艺水平与正交试验设计

多变量优化可采用正交试验法，有效减少试验数量、提升优化效率^[23-24]。该ECU支架产品实际注塑成型试模中发现，熔体温度、模腔温度、注射时间和保压时间对其翘曲变形及平面度的影响较大。故选择这四个注塑成型工艺参数进行正交试验设计。参考材料UDB中工艺参数范围，设置不同水平，表3为L₉(3⁴)正交试验因素水平设计。

基于表3因素水平取值，采用四因素三水平的标准正交试验表L₉(3⁴)设计不同工艺参数组合的正交试验，表4为L₉(3⁴)正交试验结果。从表4可以看出，平面度在4.156 8~8.921 4 mm范围内变化，平面度的最大值和最小值相差53.4%，说明工艺参数组合对ECU支架平面度的影响较大。

3 工艺参数优化

根据表4中极差R大小得到工艺参数的影响程度排序为：B>C>D>A。当熔体温度逐渐增大时，平面度先减小后增大；当熔体温度为A₂时，平面度获得最小值。当模腔温度逐渐增大时，平面度逐渐增大；当模腔温度为B₁时，平面度获得最小值。当注射时间逐渐增大时，平面度先增大后减小；当注射时间为C₃时，平面度获得最小值。当保压时间逐渐增大时，平面度先减小后增大；当保压时间为D₂时，平面度获得最小值。ECU支架的平面度在组合为A₂B₁C₃D₂时获得最小值。表5为方差分析结果。从表5可以看出，误差的平均偏差平方和较小，故实验误差影响较小。对于模腔温度，F值>F _0.01，表示对平面度有极显著影响。对于注射时间和保压时间，F _0.05 F值 F _0.01，表示对平面度有显著影响。对于熔体温度，F值<F _0.05，表示对平面度无显著影响。

4 优化工艺验证分析

优化组合A₂B₁C₃D₂的可行性需要进行仿真验证，图6为所有效应的z向翘曲变形结果和平面度。从图6可以看出，整体变形趋势与初始工艺基本一致。最大z向变形量为2.575 0 mm，计算得到平面度为3.978 2 mm，优化率为54.2%，且满足设计要求。

图7为优化工艺注塑成型仿真分析结果。

从图7可以看出，约2.147 s完成全部区域的填充，等值线分布较均匀、无明显密集，制件无缺胶和滞留。流动前沿温度最小值为263.9 ℃，大于转换温度，熔体填充过程中未发生冻结。流动前沿温度最大值为268.8 ℃，小于最大熔体温度，熔体填充过程中未发生分解。流动前沿温度极差为4.9 ℃，熔体填充过程中的温度下降较小，填充状态稳定，温度变化产生外观缺陷的可能性小。最大注射压力为121 MPa，未超过机台允许的最大压力。锁模力随时间的变化稳定，最大锁模力为669.7 t，采用800 t左右的中型注射机即可。

采用优化工艺参数进行该ECU支架的注塑成型试模，图8为ECU支架试模样品。从图8可以看出，ECU支架样品无缺胶和滞留线，外观状态满足要求。平面度实际测试结果为合格，验证了本文优化分析及优化工艺的合理性。

5 结论

采用计算机辅助工程技术模拟了某ECU支架的注塑成型过程。采用初始工艺分析得到平面度为8.685 2 mm，超过设计指标要求。以熔体温度、模腔温度、注射时间及保压时间为自变量设计了正交试验。通过极差与方差分析得到：模腔温度对于ECU支架平面度的影响最大，达到极显著程度；注射时间和保压时间达到显著程度；熔体温度的影响为不显著，最终得到优化的工艺参数为A₂B₁C₃D₂。优化工艺分析得到的平面度为3.978 2 mm，满足指标要求，优化率达到54.2%。优化工艺的仿真结果显示熔体填充过程稳定、状态良好。试模样件的外观及平面度测量结果均合格，验证了优化参数的可行性。

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