安全管理网

发动机塑料油底壳应用与分析

文档作者: 秦炳爽 李延鹏        文档来源: 奇瑞汽车股份有限公司
点 击 数:
更新时间: 2021年02月16日
下载地址: 点击这里
文件大小: 2.04 MB 共5页
文档格式: PDF       
下载点数: 1 点(VIP免费)
秦炳爽李延鹏:发动机塑料油底壳应用与分析 肆—,已—)c—j已~,c—,巳^_弛4 8 设计研究# 4r—af—jf—。f—jf—jf一 发动机塑料油底壳应用与分析 AppUcation and Analysis About Plastic On Pan in En西ne 秦炳爽李延鹏 (奇瑞汽车股份有限公司) [摘要]油底壳是现代汽车发动机润滑系统中不可缺少的组成部分,直接与发动机相连, 承担和传递着来自发动机的振动和噪声。随着材料技术的发展,塑料被逐渐应用在发动机零部件 上。塑料与金属材料相比,具有密度小、耐腐蚀、隔音和隔热等特点,可以成型形状复杂的零件 且制作成本低。可以说,塑料技术的进步为油底壳塑料化提供了基础。本文着重从技术角度,对 油底壳塑料化应用做简要概述和分析。 [关键词]发动机塑料油底壳碎石冲击 Abstract: Oil pan is the importment component in lubmciton system, whic contract with the en。 gine, and transf色r the vibration and noise.With the development of the material technology, plastic is now more and more applied in engine§parts. Compare to the mental material, palastic has smaUer disenty 、coITosion resisrance、sound insulation and heat insulation, can be applied in making complex parts and lower cost.In a word, the development of the plastic pmVide a base fbr plastic oil pan.This ar‘ ticle is researeh on the application of plastic oil pan f而m technical point. Key words:Engine Plastic oil pan Stone impact U 刖罱 油底壳是现代汽车发动机润滑系统中不可缺少 的组成部分,直接与发动机相连,承担和传递着来 自发动机的振动和噪声。目前发动机设计和生产 中,应用较多的材料是铸铁和铸铝等金属材料。这 些材料具有强度高、刚度好、耐高温等优点,这些 优点可以满足发动机设计的需要。但是由于金属材 料的密度大导致发动机的重量会很大。资料显示, 汽车每减重10%,油耗可降低6%~8%⋯;随着 科技的发展和能源的紧张、金属材料价格的也在不 断攀升、以及越来越严格的排放要求,发动机设计 者在满足设计要求的条件下,开始寻求用其它的材 料来取代一些金属材料,比如塑料。这些材料的应 用不仅使发动机的重量大大减轻,也降低了发动机 的油耗,同时节约了生产成本。 1 油底壳应用现状 油底壳在工程应用阶段,目前主要有:冲压成 型的钢制油底壳和压铸成型的铝合金油底壳两种。 其中冲压油底壳成本低、重量轻,生产效率比较 高,但只适合结构简单的产品,同时NVH也比较 差。压铸油底壳目前主要采用铝合金压铸方式,重 量轻,刚度高,适合结构比较复杂的产品,另外成 品通过加工方式实现,目前广泛的应用在发动机行 业中。 随着材料技术的发展,塑料技术已经取得突破 发展。其中塑料材料与金属材料相比,具有密度 小、比强度高、耐腐蚀、隔音、隔热等特点,可以 成型形状复杂的零件且制作成本低旧J。目前塑料 产品已大批量应用在发动机零部件上,比如:塑料 收集器(吸油盘)、进气歧管、气门室罩盖、正时 链条罩盖等等。这些塑料部件在保证功能的前提, 大大降低了发动机的重量,提高了发动机效率和燃 油经济性,同时由于塑料件的可回收利用,也降低 了对环境的污染。油底壳作为发动机主要的零部件 之一,目前是唯一未能大批量塑料化的部件,塑料 万方数据 2 内燃机与配件2015年第3期 化前景非常广泛。 塑料油底壳的工程应用,目前国内外均在持续 研究。部分柴油发动机上,已有大批量应用,比如 康明斯IsF系列2.8升和3.8升4缸柴油发动机, 锡柴CA6DL发动机、重汽wD615发动机等等。 2塑料油底壳应用的优缺点 2.1 塑料油底壳应用的优势 在零部件重量方面,与铝合金压铸油底壳相 比,塑料油底壳的重量会减轻30%一60%。在生 产成本方面,塑料油底壳不仅可以减少模具制造的 费用,而且也省略了铝合金油底壳压铸后的机械加 工工序,仅塑料模具一项可以节约的费用就相当可 观,塑料模具的使用寿命是铝合金模具使用寿命的 10倍,其生产成本应比铝合金油底壳低10%~ 40%。在模块化设计方面,塑料油底壳还可以集成 收集器、机油滤清器座及机油挡板等,进一步减少 了空间占用、生产制造费用和装配费用。另外塑料 油底壳噪声方面,明显优于冲压和压铸油底壳。 近几年,塑料油底壳的材料取得较大的发展, 各主机厂可根据使用工况,选择合理的材料。其中 DuPont利用已有的PA66、PA6 PPA等尼龙材料 增加新聚酯结构旧J,大大提升了材料性能,在耐 高温方面取得明显成果。其他材料厂家如DSM、 Rhodia等,在材料配方上也有不错选择,目前最 新SAE文献显示,已开发出一款新尼龙材料H o, 在各方面性能都不错,预计会推动未来塑料化进一 步发展。可以说材料技术的不断革新,为油底壳的 塑料化提供了坚实基础。 2.2塑料油底壳应用的风险点 塑料油底壳在应用过程中,同样存在着问题。 主要是由于油底壳设计日益复杂化,在承担存储机 油功能同时,也承担着结构件的功能。譬如:与变 速箱体连接、为外围部件提供固定点、承担发动机 的支撑点等等。主要涉及的问题点有: 1)强度问题。 与变速箱壳体连接的强度、对周围部件提供固 定点的强度、发动机托底时承受冲击的能力等等。 2)塑料材料的耐久性能。 塑料材质抗冷热交变性能、热老化性能、材料 稳定性、密封性能在工程应用中均需重点评估。 3)油底壳的隔热问题。 很多发动机的排气管路从油底壳下部穿过,需 考虑到材料的耐热性能。 4)油底壳的抗飞石冲击能力。 为了防止车辆运行过程中,飞起的异物撞击油 底壳,要求油底壳必须有一定的防撞击能力;同时 考虑到发动机在装配过程中的支持作用,也要求油 底壳能够承受一定的静载荷能力。 3油底壳布置形式和使用工况介绍 3.1 油底壳的形式 l—J鲨:;:▲一目l圣i二 图l:油底壳仪存储机油。 图2:油底壳存储机油同时,承担结构件的 功能。 3.2油底壳使用工况要求 1)存储机油。要求具有耐机油,抗外部水分、 盐分的腐蚀能力。 2)保证一定的安装精度和尺寸稳定性。在一 40℃一150℃的温度范围内,满足功能性,同时保 证尺寸的稳定型。 3)具备一定的机械性能(强度和刚度)。例 如:耐爆破压力、抵抗跌落、碎石冲击能力、耐久 性、无泄露(抗蠕变性)等等。 4 国内外塑料油底壳技术应用情况 目前塑料油底壳主要应用在柴油机方面,油底 壳功能简单,部分塑料油底壳也集成了其他零部 件,比如:吸油盘、机油滤清器座、密封垫片、固 定螺栓等。与同尺寸铝制油底壳相比,成本能节约 5%一25%【5j。目前批产的塑料油底壳产品有:康 明斯L10发动机、Navistar NGD发动机、Detroit 60 发动机,国内的一汽锡柴CA6DL发动机、重汽 wD615发动机等等。下面简单介绍下各量产油底 壳的情况。 4.1 国外塑料油底壳应用情况 4.1.1 康明斯4缸柴油机塑料油底壳,见 (图3 1. 圈’ 图4 该款油底壳主要匹配康明斯IsF系列2.8升和 万方数据 秦炳爽李延鹏:发动机塑料油底壳应用与分析3 3.8升4缸柴油发动机。此结构比较简单,与变速 箱不直接联接,不用承担较大强度的扭曲载荷,主 要是新材料的运用,目前已大批量生产,产能约 10W台/年。 4.1.2戴姆勒四缸柴油发动机(OM651)塑 料油底壳,见(图4)。 该款油底壳匹配6L柴油机,为铸铝油底壳上 体与玻纤增强的油底壳下体集成。由杜邦公司利用 Zytel 70G35 HSLR玻纤增强聚酰胺(PA)开发。 资料显示,与全铝结构的塑料油底壳相比减少了 1.1千克的重量。 4.1.3其他主机厂塑料油底壳 奔驰公司新开发的塑料油底壳的材料为6.6型 超级尼龙,其中添加35%增强玻璃纤维,见(图 5);另图6为宗马双离合器变速箱油底壳. 圈7 图8 4.2 国内塑料油底壳应用情况 1)一汽锡柴cA6DL发动机sMc油底壳¨J SMC油底壳设计思路:以6DL08AL油底壳为 雏形,结合SMc复合材料的特性进行结构设计, 通过有限元分析对刚度进行预测,最终满足产品结 构。SMC材料样块试验数据,见表l; 表1 sMC样块材料参数 试验项目A组B组C组 弯曲强度/MPa 205 127 101 弯曲强度/MPa 873l 11070 7529 简支梁冲击强度(无缺口)/l(J.m一2 9l 74 89 拉伸强度/MPa 94 86 30 热变形温度(1.8MPa)/℃ >250 >250 >250 常规材料性能试验结果,见表2; 表2常规材料性能试验结果 项目结果 外观无变形、裂纹、软化、起泡等缺陷 长期耐热试验 尺寸变化率/% 0 外观无变形、裂纹等缺陷 耐寒性试验尺寸变化率% 0 耐寒冲击性无裂纹 外观无变形、裂纹、软化、起泡等缺陷 冷热交变试验 尺寸变化率% 0 耐碎石冲击/级3 外观无变形、裂纹、软化、起泡等缺陷 耐化学药品性 尺寸变化率/% 0(耐机油150℃、70h) sMc油底壳成型工艺参数,见表3; 表3 SMc油底壳成型工艺参数 项目参数 油温机型腔设定温度/℃ 167 油温机型芯设定温度/℃ 155 模具型腔设定温度/℃ 14l、142、14l、142 模具型芯设定温度/℃ 150、152、151、153 油压机用压力和保压时间lo()0t、8min 顶油油缸压力/t 25 侧油缸压力/t 25 噪声测试验证内容: 测试结果表明,SMC油底壳有0.4dbB一2dB 左右的改善。道路试验表面,油底壳与发动机之间 密封良好,无渗漏机油情况发生。测试结果见 (表4、表5). 表4 匀速(50kn∥h)行驶车外噪声对比结果 车速 试验工况档位测量位置测量值结果 迸线出线 左侧75.3 金属油底壳8 50 50.1 75.3 右侧75.0 左侧74.8 SMC l号油底壳8 50 50 74.8 右侧74.1 左侧74.7 sMc 2号油底壳8 50 50.1 74.7 右侧73.9 表5道路试验结果 样车编号P218 P220 车型号CA4252P2ll(2TlE CA4182P2lI(2E 发动机型号CADLl一32E3 静功率/kw 228 发动机号50 682 623 50 682 822 颧疋转】墨2300 装载质量/kg 32000 27000 行驶里程/km 53597 42124 sMc油底壳无变形、变色、漏油现象,在发动机与 结论油底壳连接处无机油渗漏现象,证明新的橡胶密封 条性能良好 2)重汽wD615发动机SMC复合材料油 底壳‘8 3 该款油底壳采用SMC复合材料,材料密度为 1.89/cm3,相对于冲压油底壳,重量减少了25%。 在减振降噪方面,sMc油底壳的一阶、二阶、三 豳糊㈣ 巴㈣ 万方数据 4 内燃机与配件2015年第3期 阶振动频率比冲压油底壳分别提高了50%、53% 和32%? 模具成型工艺方面,使用设备为2000T的油压 机,模腔设定温度为(145±5)℃,模具型芯温度 设定为(150±5)℃,保压压力为1000T,成型时 间为8min。 性能测试结果: 1)密封测试100kPa无介质泄露。 2)冷热交变耐受性测试。防止在一50℃下, 保持30min,取出后在23℃下放置30min,最后在 120℃的烘箱内放置30min,共经过20个循环,做 气密测试,无泄露发生。 3)静载荷测试。模拟油底壳托底现象,测试 结果具备60kN的静载荷。 4)碰撞测试。油底壳前方放置1009 2009 3009的石块,行驶速度10—60krn/h,油底壳表面 轻微刮痕,无裂纹、无漏油发生。 5)噪声测试。台架噪声测试(表面速度法), 额定转速2200rpm时,油底壳表面比冲压油底壳下 降9.4dB;整车噪声测试约有0.5 dB。 6)整车耐久试验。在高寒、高热极端气候地 区,分别行驶6000 Km和13000Km,无变色、变 形、渗油情况发生。 5轿车发动机塑料油底壳的研究 目前已量产的塑料油底壳,均为中、重型柴油 机用塑料油底壳,仅仅作为机油存储的一个装置, 结构比较简单, 但在轿车用的发动机中,尤其是汽油机,由于 布置的要求,周围有很多零部件的影响,结构比较 复杂,不但要承受传递变速箱扭振动,同时承受排 气管的高温辐射等影响。技术运用方面,挑战更 多,考虑的需更全面,目前国内外轿车行业正持续 不断进行量产化研究。 5.1 某款汽油机铸铝油底壳塑料化 设计思路:在压铸铝合金油底壳基础上,满足 使用功能,做塑料化开发。 使用边界:1)油底壳后端与变速箱连接。2) 排气管从发动机后端下部穿过,需考虑耐高温性 能朔料化前后对比示意.见图9 一■'■一■●.J■▲J 崮,铸锚与塑料油厩壳对比 该款油底壳集成了机油挡板、密封垫片、主体 采用注射成型,机油挡板采用焊接与本体连接,减 少安装成本,铝支架对变速箱提供水平支撑,确保 发动机的正太刚度。集成后成本与铝制油底壳重量 降低约1.5Kg,成本降低约12%。塑料油底壳实物 及集成部件展示.见图10。 图】!塑料油底壳飞石冲击和、、11分析 整车路试验证行驶已有10000Km公里,暂未 出现变形、渗油情况发生,见图13,目前耐久试 验开展中 图1j 塑料油底壳路试验证图片 5.2某款乘用车油底壳开发 油底壳外观展示,见图14; 万方数据 纂¨爽李诞踊q:发动机塑料油底壳应用与分析5 AIumInIum O¨Pan 船盘油雠- weIght:2.∞Kg ¨2。’。—‰■、-、:竺’”%% 图l 4 强度验证:满足材料安全许用要求,见图15; FH蜀■■■t■■n针◆/ 图15 注塑收缩变形和实物展示,见图16。 冲击方案模拟过程及结论,见图17。 .H嚣v公”拱辫。豢”一一二一,。,≤F囊三气霉≯p.移.· 。j糍涎‰翟怒m 1一D怖renl w.q hl 5口20q 50q 100口●●■■■■■_ 1目■■却:∞5。g 1,。g—■■—■■蜀- 一群—■ A21B v35 1■■■■■_ AF×v∞—’’’_’_一一 图I一 5.3轿车用塑料油底壳开发的思路建议 1)材料的选择。根据边界使用条件,对不同 材料进行选择。 2)结构设计。据边界条件,集成零部件,对 结构进行CAE分析,满足强度刚度要求。 3)注塑工艺分析。需对模具成型和注塑热变 形进行分析。 4)碎石冲击模拟分析。模拟不同路面、不同 规格不同工况下,碎石对油底壳冲击的影响,可参 照已量产的柴油机塑料。 5)油底壳功能集成分析。在设计可行基础上, 对周围零部件进行集成化设计。 6)台架试验验证。对零部件进行静爆破压力 测试、气密性测试、冷热冲击变形、振动测试 等等。 7)材料耐高温、热老化测试等等。 8)道路耐久测试。专项道路耐久试验验证, 出租车定点投放跟踪等。 6 结语 塑料油底壳是未来发展的趋势,随着材料技术 的进步,塑料油底壳在发动机的应用比例会越来越 高。但在开发过程中,需要针对油底壳的具体使用 功能,安排试验进行针对性验证。同时,需要主机 厂、材料厂家及零部件生产厂家紧密配合,尤其是 材料的选型及材料性能的专向验证上。 相信随着材料技术的发展,凭借着塑料件在重 量、成本上的优势,发动机塑料部件的应用会进一 步发展,轿车用塑料油底壳迎来发展的春天。 参考文献 [1]周绍荣.塑料在汽车工业中应用的发展趋势.商用汽 车杂志.2005年第10期P94—96. [2]赵明嗥,王成明.HNsAEl00l汽车轻量化技术的应用 及发展趋势.河南省汽车工程学会第七届科研学术研 究论文集[c]. [3] John Gavenonis and Joshua E.Mcuvaine. Polyamide Resin Technolo百es for High temperature and Automotive Chemi— cal Exposure Environments[J]. SAE Pape r.2009—01— 1297. [4] Patrick Granowicz,Gian Lui百Molteni. New Polymer “SHIELD”Technology Pmtects High—Perfo肌ance Nylon and PPA Polymers to Replace More Metal一For Wei曲t and coast savings—under the Hood(J].sAE Pa— pe r.2011一01一0246. [5] Kim R. Hamner.composite(sMc)En舀ne components [J].sAE 910588. [6] A.Kolekar,M.Anderson, D.Nash. New Generation 0il Pan Modules[J].sAE Paper 2009—0l一0346. [7]江梅、王清国等.cA6DL发动机用sMc油底壳的研制 .汽车工艺与材料。2007年第l期P51—55.. [8]季伟、王元召等.SMC复合材料在重型汽车发动机油 底壳上的应用研究.重型汽车.2012年第6卷. 作者简介: 秦炳爽,男,(1984一),本科学历,主要从事发动机 设计开发,
内容预览 [文件共5页]
本文件共5页, 如需编辑使用,请下载
注:预览效果可能会出现部分文字乱码(如口口口)、内容显示不全等问题,下载是正常的。
文件大小:2.04 MB 共5页      文件格式:PDF
下载点数:1 点(VIP会员免费)
收藏本页到会员中心
网友评论 more
创想安科网站简介会员服务广告服务业务合作提交需求会员中心在线投稿版权声明友情链接联系我们