汽车发动机油底壳轻量化新材料介绍

　1．前言 

　　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。油底壳的储油量是润滑系统的主要设计参数之一，油底壳的储油容积对“湿式”润滑系统中机油完成润滑、冷却、清洗、密封、防锈等功能具有重要的保证作用。合理的油底壳可促进汽车发动机结构简化，体积缩小，质量减轻。汽车发动机油底壳的材料沿着环保、节能、节材、安全和低成本的方向发展，取得了以轻量化为代表的显著进步，呈现着多样化、多元化的趋势。

　　汽车发动机的材料是其设计水平高低、品质优劣、质量大小和竞争力强弱的基础之一。汽车发动机的轻量化程度在很大程度上取决于轻量化材料的发展。近年来，聚酰胺玻璃纤维增强尼龙工程材料（6.6型超级尼龙）如PA66+GF35%、PA6+GF35%等已成为汽车发动机油底壳的轻量化的新材料之一。

　　塑料材料由于造型容易、质量轻、成本低，受到汽车发动机设计部门及油底壳制造业的青睐和关注。尤其是塑料材料的形状变化自由度大，塑料材料制成的油底壳具有能够集成油道、吸油管、机油过滤器、单独的备用油口和防溅板等优点，使其成为兼顾耐热性和高刚度的一体化的功能零部件材料。

　　2003年，世界塑料工程学会SPE（Society of Plastic Engineers），为研发成功世界首例载货汽车发动机热塑性塑料油底壳的德国萨克森技术公司（KTSN）颁发了“格兰特创新特别奖”。这种塑料油底壳已成功应用在戴姆勒－克莱斯勒汽车公司的奔驰牌新型ACTROS载货V6发动机上。这种轻量化新材料油底壳的机油容量较传统材料油底壳增加了30%，达到39L；新材料油底壳部件总质量较传统材料油底壳减轻40%，达到7.4kg；它的生产成本较传统材料降低了20%～30%。据悉，制造这种热塑性材料油底壳的原材料是德国巴斯夫（BASF）公司提供的。这种塑料材料油底壳的材料被命名为“6.6型超级尼龙”，其中35%为增强玻璃纤维。

　　2．汽车发动机油底壳材料的发展历史

　　汽车发动机油底壳材料和相应的工艺的发展历程是：

　　铸铁或铸铝件——单层薄钢板冲压件——压铸铝合金件——（金属/塑料/金属）夹层复合件——SMC热固性塑料模塑件——（尼龙）热塑性塑料注塑件。

　　3．各种材料油底壳的性能对比

　　现将单层薄钢板冲压件、压铸铝合金件、（钢板/塑料/钢板）夹层复合结构件、热固性塑料（SMC）模塑件、热塑性塑料（尼龙）注塑件的性能对比列于表1。

表1  各种材料油底壳的性能对比
序号性能材料
单层薄钢板冲压件铝合金压铸件（钢板/塑料/钢板）夹层复合结构件热固性塑料SMC※模塑件热塑性塑料尼龙注塑件
1质量指标差好差好优
2设计自由度差差差差优
3材料成本优差好好差
4加工成本差差差好优
5制造不良率差差差差优
6生产效率好差差好优
7结构刚度差优差差好
8系统刚度贡献率差优差差优
9噪声性能差优好好优

※注：SMC=Sheet Mo(u)lded Compound 片料模塑复合材料

　　4．轻量化的汽车发动机油底壳新材料分析

　　4.1 轻量化新材料（热塑性塑料即玻璃纤维增强尼龙）制成的汽车发动机油底壳具有突出的轻量化优势（表2）。对同一汽车发动机而言，新材料件和传统材料件在强度、刚度相近的条件下，油底壳部件本身自质量指标，尼龙塑料注塑件比单层钢板材料冲压件减轻了50%；比铝合金压铸件减轻了30%～40%；比较的前提条件是已考虑并计入为补偿尼龙塑料新材料刚度和强度而增大的壁厚及设计上增加的局部加强筋等结构措施对自质量的影响。因此，轻量化优势使新材料油底壳应用前景十分广阔，据悉，德国某公司，从2009年起，自质量只有900g的新材料油底壳将取代自质量为2200g的铝合金压铸材料的油底壳。

表2  轻量材料和各种金属的密度对比
材料钢铝镁聚酰胺（PA6+GF30%玻璃纤维）
密度，g/cm38.72.92.01.36


　　4.2 新材料油底壳部件的设计自由度高。部件壁厚变化、局部加强筋设计、倒扣结构、多重法兰、与其他部件集成为一体化的可能性大大增强。例如某公司设计的新材料油底壳，其结构或构造上，已集成了油道、吸油管、机油过滤器、单独的备用油口和防溅板等，不但保持了整个部件外廓尺寸不变（与铝合金材料压铸件相同），而且整个油底壳部件的储油容积扩大了30%，由于机油容量的增加，汽车发动机的机油更换周期和保养间隔可延长50%。

　　4.3 尽管轻量化新材料的材料成本和价格目前尚不尽人意，但现代汽车发动机采用轻量化新材料的动力在于轻量化新材料部件的功能性。有足够的理由相信，随着轻量化新材料大量使用、日益推广和普及，轻量化新材料的材料成本和价格与传统的冷冲压用薄钢板和压铸用铝合金的竞争能力将显露出来。

　　4.4 轻量化新材料油底壳的加工成本与传统材料油底壳相比，具有明显的优势。功能良好的新材料油底壳部件，不但能提高生产效率，同时也能降低生产成本。仅尼龙塑料注塑模具一项，可以节省的费用就已相当可观。尼龙塑料注塑模具的使用寿命是铝合金压铸模具使用寿命的10倍；并且能超过薄钢板冷冲压模具的使用寿命。由于轻量化新材料的油底壳在结构设计上能集成多个相关部件，因此具有多个相关部件的功能。而在传统薄钢板冲压件和铝合金压铸件，这些特定功能是由各单独或独立的零部件完成。所以，新材料油底壳不仅减小占用空间，而且大大减少生产制造费用和装配费用。不仅新材料的模具制造费用比传统材料低，而且还能省去薄钢板冲压后的整形、切边和铝合金毛坯压铸后的机械加工工序。大量统计资料表明，轻量化新材料油底壳的生产成本要比压铸铝合金材料油底壳低30%～40%。

　　4.5 轻量化新材料油底壳生产废品率比传统材料油底壳低。这是由于注塑制造工艺比薄钢板冷冲压工艺和铝合金压铸工艺的制造不良率低。因为轻量化新材料油底壳能与其他相关部件集成为统一的整体，原来传统材料所必需的与单独制造的其他相关部件联接、紧固用螺栓便可省去或大大减少。整个系统的质量降低，消耗材料减少，因生产废品率降低导致的相对生产率提高，同时系统成本大大降低。

　　4.6 轻量化新材料的减震、降噪能力强于传统材料，使汽车发动机NVH性能提高。试验结果表明，采用轻量化新材料油底壳的汽车发动机，工作时产生的噪声强度减少1dB（分贝）。前述的梅赛德斯－奔驰（Mercedes Benz）ACTROS V6汽车发动机技术要求规定，安装轻量化新材料油底壳的发动机工作整体噪音低于95dB（分贝）。这一噪音水平在载货汽车发动机领域处于世界先进水平。

　　4.7 轻量化新材料油底壳的工作可靠性、使用耐久性及低温下工作适应能力，已经通过了研制公司的试验考核。按照载货汽车最低10年的使用寿命（或累计行驶100万km）的要求，轻量化新材料油底壳试验样品在注入120℃高温机油的条件下，通过了耐久试验（试验中机油的最高温度曾达到150℃）。轻量化新材料油底壳还通过了-130℃的低温寒冷环境的使用试验。

　　5．轻量化新材料油底壳技术要求举例

　　德国萨克森技术公司（KTSN）对世界首例热塑性（尼龙）材料油底壳规定了以下技术要求：

　　① 适应温度范围-40℃至130℃（瞬时5min:140℃）
　　② 静置载荷1950 kgf
　　③ 耐用时间（使用寿命）100万km或10年
　　④ 固有振动频率f（Hz）
　　安装在V6汽车发动机时，f＞150Hz；
　　安装在V8汽车发动机时，f＞200Hz
　　⑤ 承受高速运动异物（如飞石等）撞击能力
　　当投射物质量为100g，并以80km/h时速撞击，应安全。
　　⑥ 工作时油底壳内机油压力0.4bar
　　⑦ 工作时油底壳耐压能力3个周期，每个周期内耐压1.0bar/30s
　　⑧ 与下曲轴箱安装固定的联接方式一组M10螺栓，应按规定顺序完成预紧力矩35N·m
　　⑨ 发动机总成实际耐久试验时间3000h
　　⑩ 工作时发动机整体噪声低于95dB分贝

　　6．结语

　　综上所述，试验和使用结果表明：汽车发动机的这种轻量化新材料的油底壳部件的各项性能指标已达到或（部分）超过了设计要求，投入实际使用是安全可靠的。采用这种轻量化新材料的汽车发动机油底壳，随着“汽车回收再利用法”的实施及环保意识的增强，必将成为一种趋势和方向，并为汽车行业及国民经济带来不可忽视的经济效益。