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[发动机] 高气密性金属/塑料混合材料发动机气缸体曲轴箱的开发

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发表于 2019-12-12 08:52:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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单一材料气缸体曲轴箱

【中国汽车材料网】通常来说,整体式气缸体曲轴箱采用压铸铝合金制成,这主要由内燃机的工作特点决定的。对于流体承载的壳体结构,在燃烧过程中材料往往会处于-30℃-80℃的高热交换的状态。在发动机运行时,环境温度可能更高。如图1所示,气缸孔表面和过渡区的热负荷可能高达180℃。此外,发动机工作时会产生较大的振动,气缸体曲轴箱承载的机械载荷也较大。同时,还需要考虑工作环境的腐蚀问题。因此,气缸体曲轴箱材料选择需要考虑高低温性能、机械性能、以及抗腐蚀性等多因素。
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混合材料气缸体曲轴箱

混合材料气缸体曲轴箱由铝合金和高效性能塑料制成。首先,圆柱体、冷却管道以及主轴承的上部等支撑结构采用铸造铝合金(AlSi9Cu3);主轴承下部采用铝基板;外围采用高性能塑料材料。具体如图2所示。通过CAD模型的分析,混合材料箱体在轻质结构、热管理以及声学方面均具有较大的优势。如:轻质塑料的使用获得了13%的减重效果;塑料的高阻尼特性也改善了箱体的振动吸能性;受益于塑料材料的热性能表现,使得发动机在启动/停止期间箱体能够更快的加热且保持温度,从而快速达到工作温度。
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材料选择和结构设计

混合材料箱体开发的另一个挑战是冷却管道的设计。冷却系统在金属部件和塑料外壳之间,由于金属和塑料不同的热性能表现,两种材料的结合界面必须保证良好的粘合强度、耐老化性和气密性。

目前,玻纤增强热塑性复合材料已在变速箱壳体中应用,且相关研究显示,热塑性塑料和铸铝材料结合形成的混合材料部件可承受高达15 MPa的拉伸载荷。而对于发动机缸体来说,其运行期间的温度可能超过180℃,尤其在气缸孔表面和混合材料过渡区域。在高于100℃的条件下,聚酰胺6(PA6)等热塑性塑料的机械性能会显着下降,在180℃下的剩余弹性模量小于20℃时的30%。因此,发动机气缸体曲轴箱材料选择耐介质和热老化性能的热固性材料。而采用矿物填料和玻璃纤维增强的酚醛树脂材料,不仅拉伸强度有了较大的提升,且热膨胀性得到了调节和改善。

冷却系统的设计需要考虑铝合金材料和酚醛树脂间的界面,确保密封性。因此,研究团队在样本测试的基础上对箱体的结构进行了优化。

样品测试

为更好的研究混合材料界面性能,对尺寸为80×110 mm,含有50mm直径圆形塑料件的样本进行测试。其中,金属区域采用压铸铝合金AlSi9Cu3,塑料区域采用Vyncolit BXE7530热固性酚醛树脂。对样品的耐介质老化性进行测试,如图3和图4,采用图5装置进行气密性检测。
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气密性测试结果

混合材料部件的气密性测试结果如图6所示。结果显示,阶梯型结构具有更好的气密性,且粘合促进剂的使用具有有益影响。对于阶梯型结构使用粘合促进剂的样品,耐久压力降低0.06bar;在乙二醇和油两种介质条件下,平面结构样品耐久压力降低0.16bar和0.08bar,阶梯结构样品耐久压力降低0.15bar和0.09bar。综合气候循环试验,结果表明使用粘合促进剂的阶梯型结构具有稳定的气密性。
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此外,测试结果显示,乙二醇和油等介质对塑料和金属间的气密性具有较大的影响。几乎所有测试样本均表现出不同形式的泄漏,这可能是因为在注塑时,酚醛树脂的交联过程会在金属/塑料结合界面冷凝,产生水或氨基产物,从而形成气孔,造成泄漏。

高气密性金属/塑料混合材料结构部件制作的另一种方法是将热塑性材料收缩到金属结构上。这就显示了热塑性和热固性材料的热膨胀性能差异,热固性塑料材料就不适宜用该方法。一般而言,热塑性材料的热膨胀系数对收缩结合性影响较大,如果可以智能化利用热塑性塑料的收缩性,则可在无预处理、无粘合剂的情况下达到较好的界面结合性和气密性。塑料在金属结构上收缩的原理如图7所示。
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总结和展望

金属/塑料混合材料在减重和降噪方面具有许多优势,用于气缸曲轴箱体时还可以进一步优化热阻,但边界层的气密性设计是一大挑战。

采用铸铝和热固性树脂材料制成,阶梯式结构设计,粘合促进剂处理的样本表现出较好的气密性。其在老化处理之前的耐久压力为1.38bar;在油中储存后,表现出1.33bar的最高值;在乙二醇中储存后,表现出1.16bar的最高值。
未来,研究团队还将对粘合剂优化、利用热塑性材料的热膨胀行为而产生收缩结合等课题进行研究。





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