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發(fā)動機塑料油底殼應用與分析

文檔作者：秦炳爽李延鵬文檔來源：奇瑞汽車股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月16日
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秦炳爽李延鵬：發(fā)動機塑料油底殼應用與分析
肆—，已—)c—j已～，c—，巳^_弛4
8 設計研究# 4r—af—jf—。f—jf—jf一
發(fā)動機塑料油底殼應用與分析
AppUcation and Analysis About Plastic On Pan in En西ne
秦炳爽李延鵬
(奇瑞汽車股份有限公司)
[摘要]油底殼是現(xiàn)代汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，直接與發(fā)動機相連，
承擔和傳遞著來自發(fā)動機的振動和噪聲。隨著材料技術的發(fā)展，塑料被逐漸應用在發(fā)動機零部件
上。塑料與金屬材料相比，具有密度小、耐腐蝕、隔音和隔熱等特點，可以成型形狀復雜的零件
且制作成本低。可以說，塑料技術的進步為油底殼塑料化提供了基礎。本文著重從技術角度，對
油底殼塑料化應用做簡要概述和分析。
[關鍵詞]發(fā)動機塑料油底殼碎石沖擊
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
油底殼是現(xiàn)代汽車發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中不可缺少
的組成部分，直接與發(fā)動機相連，承擔和傳遞著來
自發(fā)動機的振動和噪聲。目前發(fā)動機設計和生產(chǎn)
中，應用較多的材料是鑄鐵和鑄鋁等金屬材料。這
些材料具有強度高、剛度好、耐高溫等優(yōu)點，這些
優(yōu)點可以滿足發(fā)動機設計的需要。但是由于金屬材
料的密度大導致發(fā)動機的重量會很大。資料顯示，
汽車每減重10％，油耗可降低6％～8％?；隨著
科技的發(fā)展和能源的緊張、金屬材料價格的也在不
斷攀升、以及越來越嚴格的排放要求，發(fā)動機設計
者在滿足設計要求的條件下，開始尋求用其它的材
料來取代一些金屬材料，比如塑料。這些材料的應
用不僅使發(fā)動機的重量大大減輕，也降低了發(fā)動機
的油耗，同時節(jié)約了生產(chǎn)成本。
1 油底殼應用現(xiàn)狀
油底殼在工程應用階段，目前主要有：沖壓成
型的鋼制油底殼和壓鑄成型的鋁合金油底殼兩種。
其中沖壓油底殼成本低、重量輕，生產(chǎn)效率比較
高，但只適合結構簡單的產(chǎn)品，同時NVH也比較
差。壓鑄油底殼目前主要采用鋁合金壓鑄方式，重
量輕，剛度高，適合結構比較復雜的產(chǎn)品，另外成
品通過加工方式實現(xiàn)，目前廣泛的應用在發(fā)動機行
業(yè)中。
隨著材料技術的發(fā)展，塑料技術已經(jīng)取得突破
發(fā)展。其中塑料材料與金屬材料相比，具有密度
小、比強度高、耐腐蝕、隔音、隔熱等特點，可以
成型形狀復雜的零件且制作成本低舊J。目前塑料
產(chǎn)品已大批量應用在發(fā)動機零部件上，比如：塑料
收集器(吸油盤)、進氣歧管、氣門室罩蓋、正時
鏈條罩蓋等等。這些塑料部件在保證功能的前提，
大大降低了發(fā)動機的重量，提高了發(fā)動機效率和燃
油經(jīng)濟性，同時由于塑料件的可回收利用，也降低
了對環(huán)境的污染。油底殼作為發(fā)動機主要的零部件
之一，目前是唯一未能大批量塑料化的部件，塑料
萬方數(shù)據(jù)
2 內(nèi)燃機與配件2015年第3期
化前景非常廣泛。
塑料油底殼的工程應用，目前國內(nèi)外均在持續(xù)
研究。部分柴油發(fā)動機上，已有大批量應用，比如
康明斯IsF系列2．8升和3．8升4缸柴油發(fā)動機，
錫柴CA6DL發(fā)動機、重汽wD615發(fā)動機等等。
2塑料油底殼應用的優(yōu)缺點
2．1 塑料油底殼應用的優(yōu)勢
在零部件重量方面，與鋁合金壓鑄油底殼相
比，塑料油底殼的重量會減輕30％一60％。在生
產(chǎn)成本方面，塑料油底殼不僅可以減少模具制造的
費用，而且也省略了鋁合金油底殼壓鑄后的機械加
工工序，僅塑料模具一項可以節(jié)約的費用就相當可
觀，塑料模具的使用壽命是鋁合金模具使用壽命的
10倍，其生產(chǎn)成本應比鋁合金油底殼低10％～
40％。在模塊化設計方面，塑料油底殼還可以集成
收集器、機油濾清器座及機油擋板等，進一步減少
了空間占用、生產(chǎn)制造費用和裝配費用。另外塑料
油底殼噪聲方面，明顯優(yōu)于沖壓和壓鑄油底殼。
近幾年，塑料油底殼的材料取得較大的發(fā)展，
各主機廠可根據(jù)使用工況，選擇合理的材料。其中
DuPont利用已有的PA66、PA6 PPA等尼龍材料
增加新聚酯結構舊J，大大提升了材料性能，在耐
高溫方面取得明顯成果。其他材料廠家如DSM、
Rhodia等，在材料配方上也有不錯選擇，目前最
新SAE文獻顯示，已開發(fā)出一款新尼龍材料H o，
在各方面性能都不錯，預計會推動未來塑料化進一
步發(fā)展?？梢哉f材料技術的不斷革新，為油底殼的
塑料化提供了堅實基礎。
2．2塑料油底殼應用的風險點
塑料油底殼在應用過程中，同樣存在著問題。
主要是由于油底殼設計日益復雜化，在承擔存儲機
油功能同時，也承擔著結構件的功能。譬如：與變
速箱體連接、為外圍部件提供固定點、承擔發(fā)動機
的支撐點等等。主要涉及的問題點有：
1)強度問題。
與變速箱殼體連接的強度、對周圍部件提供固
定點的強度、發(fā)動機托底時承受沖擊的能力等等。
2)塑料材料的耐久性能。
塑料材質(zhì)抗冷熱交變性能、熱老化性能、材料
穩(wěn)定性、密封性能在工程應用中均需重點評估。
3)油底殼的隔熱問題。
很多發(fā)動機的排氣管路從油底殼下部穿過，需
考慮到材料的耐熱性能。
4)油底殼的抗飛石沖擊能力。
為了防止車輛運行過程中，飛起的異物撞擊油
底殼，要求油底殼必須有一定的防撞擊能力；同時
考慮到發(fā)動機在裝配過程中的支持作用，也要求油
底殼能夠承受一定的靜載荷能力。
3油底殼布置形式和使用工況介紹
3．1 油底殼的形式
l—J鯊：；：▲一目l圣i二
圖l：油底殼儀存儲機油。
圖2：油底殼存儲機油同時，承擔結構件的
功能。
3．2油底殼使用工況要求
1)存儲機油。要求具有耐機油，抗外部水分、
鹽分的腐蝕能力。
2)保證一定的安裝精度和尺寸穩(wěn)定性。在一
40℃一150℃的溫度范圍內(nèi)，滿足功能性，同時保
證尺寸的穩(wěn)定型。
3)具備一定的機械性能(強度和剛度)。例
如：耐爆破壓力、抵抗跌落、碎石沖擊能力、耐久
性、無泄露(抗蠕變性)等等。
4 國內(nèi)外塑料油底殼技術應用情況
目前塑料油底殼主要應用在柴油機方面，油底
殼功能簡單，部分塑料油底殼也集成了其他零部
件，比如：吸油盤、機油濾清器座、密封墊片、固
定螺栓等。與同尺寸鋁制油底殼相比，成本能節(jié)約
5％一25％【5j。目前批產(chǎn)的塑料油底殼產(chǎn)品有：康
明斯L10發(fā)動機、Navistar NGD發(fā)動機、Detroit 60
發(fā)動機，國內(nèi)的一汽錫柴CA6DL發(fā)動機、重汽
wD615發(fā)動機等等。下面簡單介紹下各量產(chǎn)油底
殼的情況。
4．1 國外塑料油底殼應用情況
4．1．1 康明斯4缸柴油機塑料油底殼，見
(圖3 1．
圈’ 圖4
該款油底殼主要匹配康明斯IsF系列2．8升和
萬方數(shù)據(jù)
秦炳爽李延鵬：發(fā)動機塑料油底殼應用與分析3
3．8升4缸柴油發(fā)動機。此結構比較簡單，與變速
箱不直接聯(lián)接，不用承擔較大強度的扭曲載荷，主
要是新材料的運用，目前已大批量生產(chǎn)，產(chǎn)能約
10W臺／年。
4．1．2戴姆勒四缸柴油發(fā)動機(OM651)塑
料油底殼，見(圖4)。
該款油底殼匹配6L柴油機，為鑄鋁油底殼上
體與玻纖增強的油底殼下體集成。由杜邦公司利用
Zytel 70G35 HSLR玻纖增強聚酰胺(PA)開發(fā)。
資料顯示，與全鋁結構的塑料油底殼相比減少了
1．1千克的重量。
4．1．3其他主機廠塑料油底殼
奔馳公司新開發(fā)的塑料油底殼的材料為6．6型
超級尼龍，其中添加35％增強玻璃纖維，見(圖
5)；另圖6為宗馬雙離合器變速箱油底殼．
圈7 圖8
4．2 國內(nèi)塑料油底殼應用情況
1)一汽錫柴cA6DL發(fā)動機sMc油底殼¨J
SMC油底殼設計思路：以6DL08AL油底殼為
雛形，結合SMc復合材料的特性進行結構設計，
通過有限元分析對剛度進行預測，最終滿足產(chǎn)品結
構。SMC材料樣塊試驗數(shù)據(jù)，見表l；
表1 sMC樣塊材料參數(shù)
試驗項目A組B組C組
彎曲強度／MPa 205 127 101
彎曲強度／MPa 873l 11070 7529
簡支梁沖擊強度(無缺口)／l(J．m一2 9l 74 89
拉伸強度／MPa 94 86 30
熱變形溫度(1．8MPa)／℃ >250 >250 >250
常規(guī)材料性能試驗結果，見表2；
表2常規(guī)材料性能試驗結果
項目結果
外觀無變形、裂紋、軟化、起泡等缺陷
長期耐熱試驗
尺寸變化率／％ 0
外觀無變形、裂紋等缺陷
耐寒性試驗尺寸變化率％ 0
耐寒沖擊性無裂紋
外觀無變形、裂紋、軟化、起泡等缺陷
冷熱交變試驗
尺寸變化率％ 0
耐碎石沖擊／級3
外觀無變形、裂紋、軟化、起泡等缺陷
耐化學藥品性
尺寸變化率／％ 0(耐機油150℃、70h)
sMc油底殼成型工藝參數(shù)，見表3；
表3 SMc油底殼成型工藝參數(shù)
項目參數(shù)
油溫機型腔設定溫度／℃ 167
油溫機型芯設定溫度／℃ 155
模具型腔設定溫度／℃ 14l、142、14l、142
模具型芯設定溫度／℃ 150、152、151、153
油壓機用壓力和保壓時間lo()0t、8min
頂油油缸壓力／t 25
側油缸壓力／t 25
噪聲測試驗證內(nèi)容：
測試結果表明，SMC油底殼有0．4dbB一2dB
左右的改善。道路試驗表面，油底殼與發(fā)動機之間
密封良好，無滲漏機油情況發(fā)生。測試結果見
(表4、表5)．
表4 勻速(50kn∥h)行駛車外噪聲對比結果
車速
試驗工況檔位測量位置測量值結果
迸線出線
左側75．3
金屬油底殼8 50 50．1 75．3
右側75．0
左側74．8
SMC l號油底殼8 50 50 74．8
右側74．1
左側74．7
sMc 2號油底殼8 50 50．1 74．7
右側73．9
表5道路試驗結果
樣車編號P218 P220
車型號CA4252P2ll(2TlE CA4182P2lI(2E
發(fā)動機型號CADLl一32E3
靜功率／kw 228
發(fā)動機號50 682 623 50 682 822
顴疋轉(zhuǎn)】墨2300
裝載質(zhì)量／kg 32000 27000
行駛里程／km 53597 42124
sMc油底殼無變形、變色、漏油現(xiàn)象，在發(fā)動機與
結論油底殼連接處無機油滲漏現(xiàn)象，證明新的橡膠密封
條性能良好
2)重汽wD615發(fā)動機SMC復合材料油
底殼‘8 3
該款油底殼采用SMC復合材料，材料密度為
1．89／cm3，相對于沖壓油底殼，重量減少了25％。
在減振降噪方面，sMc油底殼的一階、二階、三
豳糊㈣ 巴㈣
萬方數(shù)據(jù)
4 內(nèi)燃機與配件2015年第3期
階振動頻率比沖壓油底殼分別提高了50％、53％
和32％?
模具成型工藝方面，使用設備為2000T的油壓
機，模腔設定溫度為(145±5)℃，模具型芯溫度
設定為(150±5)℃，保壓壓力為1000T，成型時
間為8min。
性能測試結果：
1)密封測試100kPa無介質(zhì)泄露。
2)冷熱交變耐受性測試。防止在一50℃下，
保持30min，取出后在23℃下放置30min，最后在
120℃的烘箱內(nèi)放置30min，共經(jīng)過20個循環(huán)，做
氣密測試，無泄露發(fā)生。
3)靜載荷測試。模擬油底殼托底現(xiàn)象，測試
結果具備60kN的靜載荷。
4)碰撞測試。油底殼前方放置1009 2009
3009的石塊，行駛速度10—60krn／h，油底殼表面
輕微刮痕，無裂紋、無漏油發(fā)生。
5)噪聲測試。臺架噪聲測試(表面速度法)，
額定轉(zhuǎn)速2200rpm時，油底殼表面比沖壓油底殼下
降9．4dB；整車噪聲測試約有0．5 dB。
6)整車耐久試驗。在高寒、高熱極端氣候地
區(qū)，分別行駛6000 Km和13000Km，無變色、變
形、滲油情況發(fā)生。
5轎車發(fā)動機塑料油底殼的研究
目前已量產(chǎn)的塑料油底殼，均為中、重型柴油
機用塑料油底殼，僅僅作為機油存儲的一個裝置，
結構比較簡單，
但在轎車用的發(fā)動機中，尤其是汽油機，由于
布置的要求，周圍有很多零部件的影響，結構比較
復雜，不但要承受傳遞變速箱扭振動，同時承受排
氣管的高溫輻射等影響。技術運用方面，挑戰(zhàn)更
多，考慮的需更全面，目前國內(nèi)外轎車行業(yè)正持續(xù)
不斷進行量產(chǎn)化研究。
5．1 某款汽油機鑄鋁油底殼塑料化
設計思路：在壓鑄鋁合金油底殼基礎上，滿足
使用功能，做塑料化開發(fā)。
使用邊界：1)油底殼后端與變速箱連接。2)
排氣管從發(fā)動機后端下部穿過，需考慮耐高溫性
能朔料化前后對比示意．見圖9 一■'■一■●．J■▲J
崮，鑄錨與塑料油廄殼對比
該款油底殼集成了機油擋板、密封墊片、主體
采用注射成型，機油擋板采用焊接與本體連接，減
少安裝成本，鋁支架對變速箱提供水平支撐，確保
發(fā)動機的正太剛度。集成后成本與鋁制油底殼重量
降低約1．5Kg，成本降低約12％。塑料油底殼實物
及集成部件展示．見圖10。
圖】!塑料油底殼飛石沖擊和、、11分析
整車路試驗證行駛已有10000Km公里，暫未
出現(xiàn)變形、滲油情況發(fā)生，見圖13，目前耐久試
驗開展中
圖1j 塑料油底殼路試驗證圖片
5．2某款乘用車油底殼開發(fā)
油底殼外觀展示，見圖14；
萬方數(shù)據(jù)
纂¨爽李誕踴q：發(fā)動機塑料油底殼應用與分析5
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圖l 4
強度驗證：滿足材料安全許用要求，見圖15；
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圖15
注塑收縮變形和實物展示，見圖16。
沖擊方案模擬過程及結論，見圖17。
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圖I一
5．3轎車用塑料油底殼開發(fā)的思路建議
1)材料的選擇。根據(jù)邊界使用條件，對不同
材料進行選擇。
2)結構設計。據(jù)邊界條件，集成零部件，對
結構進行CAE分析，滿足強度剛度要求。
3)注塑工藝分析。需對模具成型和注塑熱變
形進行分析。
4)碎石沖擊模擬分析。模擬不同路面、不同
規(guī)格不同工況下，碎石對油底殼沖擊的影響，可參
照已量產(chǎn)的柴油機塑料。
5)油底殼功能集成分析。在設計可行基礎上，
對周圍零部件進行集成化設計。
6)臺架試驗驗證。對零部件進行靜爆破壓力
測試、氣密性測試、冷熱沖擊變形、振動測試
等等。
7)材料耐高溫、熱老化測試等等。
8)道路耐久測試。專項道路耐久試驗驗證，
出租車定點投放跟蹤等。
6 結語
塑料油底殼是未來發(fā)展的趨勢，隨著材料技術
的進步，塑料油底殼在發(fā)動機的應用比例會越來越
高。但在開發(fā)過程中，需要針對油底殼的具體使用
功能，安排試驗進行針對性驗證。同時，需要主機
廠、材料廠家及零部件生產(chǎn)廠家緊密配合，尤其是
材料的選型及材料性能的專向驗證上。
相信隨著材料技術的發(fā)展，憑借著塑料件在重
量、成本上的優(yōu)勢，發(fā)動機塑料部件的應用會進一
步發(fā)展，轎車用塑料油底殼迎來發(fā)展的春天。
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作者簡介：
秦炳爽，男，(1984一)，本科學歷，主要從事發(fā)動機
設計開發(fā)，

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