设计先导,助力柴油发动机部件以塑代钢

北京中材汽车复合材料有限公司副总经理 凌静女士专访

作者:本刊记者 孙洁 文章来源:PT塑料网 点击数:65 发布时间:2019-02-18
作为一家集研究、设计开发和制造于一体的高新技术企业,北京中材汽车复合材料有限公司能够独立设计制造柴油发动机缸盖罩、油底壳等产品。
设计先导,助力柴油发动机部件以塑代钢

在汽车轻量化的发展进程中,发动机部件以塑代钢的轻量化应用虽然已相当成熟,但在国内汽车发动机制造领域,特别是大马力柴油发动机制造领域,大范围的以塑代钢轻量化进程却相对缓慢!伴随着全球最严厉的排放法规之一“国六”标准的出台,大幅度减轻发动机重量、实现节能减排已成为摆在这些发动机制造企业面前一项紧迫的任务!然而,如何才能在不影响当前业务的前提下,实现以塑代钢的快速、可靠切换呢?作为美国康明斯公司的全球供应商,北京中材汽车复合材料有限公司在此方面经验丰富。带着相关问题,最近本刊走访了这家公司,与该公司副总经理凌静女士作了深入探讨。

北京中材汽车复合材料有限公司(以下简称“北京中材”)创建于2000年,成立伊始就一直专注于高品质汽车复合材料的研究和制造,是中材科技培育的纤维增强复合材料行业集研究、设计开发和生产制造于一体的高新技术企业,在汽车复合材料的研究和制造方面有着得天独厚的先天优势。

2004年,该公司进入汽车配套领域,并在SMC等热固性汽车复合材料及制品的开发、制造方面形成了自有知识产权。基于此,2007年,当美国康明斯公司希望在国内找到一家可靠的发动机复合材料零部件供应商时,北京中材也就顺理成章地成为美国康明斯心目中理想的合作伙伴而参与到康明斯柴油发动机缸盖罩的开发之中,这在当时的中国,是一项比较前瞻的行动!

2009年,北京中材实现了康明斯柴油发动机缸盖罩的国内配套,成功地解决了当时重庆康明斯发动机有限公司和西安康明斯发动机有限公司国内装机采购配件周期长的难题。经过近两年的考察,2011年,美国康明斯公司指定北京中材为其柴油发动机缸盖罩的全球供应商。

目前,北京中材已拥有SMC和玻纤增强PA66这两种材料和工艺体系的发动机缸盖罩产品,这些产品完全具有自主知识产权,并通过了康明斯北美的全球认证。

柴油发动机缸盖罩
北京中材设计开发的柴油发动机缸盖罩

与此同时,基于前期合作带来的信任,自2010年起,北京中材陆续承担了国内主流柴油发动机公司油底壳、气门室罩盖的配套开发。从最初为3.8L排量柴油发动机开发油底壳起步,目前,北京中材自主设计开发的油底壳和气门室罩盖已覆盖了2.8L、3.8L、4.0L、4.5L、6L、9L、11L、13L和15L等轻型、中型和重型各种排量的柴油发动机。

油底壳

北京中材设计开发的柴油发动机油底壳

油底壳
北京中材设计开发的柴油发动机油底壳

近些年来,塑料及复合材料零部件的广泛应用为发动机满足日益严格的排放标准作出了积极贡献。据凌静副总经理介绍,用复合材料替代金属后,可以将“五脏俱全”的各种零配件整合在一起,最高能够达到50%的减重效果。因此,同样是11L排量的柴油发动机,不同厂家、不同工艺路线的产品,最终表现在重量上的差距达200kg以上。

当然,复合材料的发动机部件带来的好处绝不只是减重。以油底壳为例,凌静副总经理介绍说,除减重外,复合材料还提供了优良的NVH性能,而其高度的集成性不仅减少了零配件的数量和组装工步,缩短了生产周期,降低了综合成本,同时,油底壳与发动机本体的连接方式也发生了根本变化,避免了汽车行驶过程中的振动而导致部件与本体焊接连接部分的脱离失效。另外,双重密封还进一步提高了可靠性。

总之,与金属部件相比,复合材料的发动机部件具有综合优势,涉及集成、减重、NVH和可靠性等多个方面,帮助用户解决了很多实际问题。

但是,对于这种高度集成的一体化部件,要想将抗冲击、耐压、耐腐蚀和耐热等多种功能集于一体,并确保在注塑、焊接等成型过程中,集成连接螺栓、密封、油尺嵌件、油道和过滤器等传统金属油底壳需要单独组装的多种零配件,如此复杂的设计,对于零部件供应商而言,却是不小的挑战!显然,没有丰富的经验,很难设计出符合客户要求的订制化产品。凌静副总经理介绍说,北京中材只需要获得主机厂提供的发动机边界尺寸和整车空间包络要求,就能自主完成设计。丰富的设计经验,还确保了产品在生命周期内具有足够的安全可靠性。比如,大尺寸的发动机缸盖罩,目前最难解决的就是漏油问题,但北京中材的设计,完全避免了这一问题;另外,该公司设计的油底壳,在遭受飞石冲击后不会破损,截止到目前,其交付客户的大约几十万个油底壳,从未出现过因石击破损而导致发动机失效的情况。

不可否认,强大的设计能力离不开可靠的CAE分析。通过模流、模态、振动、惯性应力、内压、爆破以及法兰蠕变、油道压降和飞石冲击等一系列CAE分析,北京中材在设计过程中就能够准确地预测油底壳和缸盖罩在振动响应下的模态形式,评价油底壳和缸盖罩的耐压能力、长期老化下的密封性能以及油底壳的抗冲击能力等。

毫无疑问,作为美国康明斯公司指定的全球供应商,北京中材从厂房建设到开发流程,都严格遵守国际化的规范要求,并获得了IATF16949 和ISO9001质量管理体系认证、ISO14001环境管理体系认证及ISO18001职业健康安全管理体系认证。在产品交付客户前,该公司还能自主完成一系列的功能性试验,包括高低温试验、冲击试验、特殊环境下的耐久试验以及力学性能试验、油道和本体的耐压爆破试验等。

油底壳
生产线上流转工序的发动机油底壳

油底壳
进行冷插操作的发动机油底壳

据凌静副总经理介绍,北京中材目前生产的发动机部件,采用的是主机厂指定的杜邦和巴斯夫的玻纤增强PA66粒料,但实际上,该公司还能够利用克劳斯玛菲的2000t注塑机,通过直接在线混炼的方式,生产出功能性更好的产品。她向我们展示了该公司采用直接在线混炼技术开发的一款前端支架,它由30%长玻纤增强PP制成,能够将大灯、水箱和散热器等大约20种零部件集于一体。她介绍说,直接在线混炼的好处是,可以确保部件中的纤维长度更长,从而提供足够的强度和刚性,这样,就无需再装配金属骨架,最终部件的重量更轻。

混炼技术
北京中材采用直接在线混炼技术开发的前端支架拥有很高的集成度,能够将大灯、水箱和散热器等大约20种零部件集于一体

目前,北京中材拥有380~2000t等多种型号的注塑机,包括克劳斯玛菲、海天和震雄的设备,能够满足重量24g~10.8kg产品的注塑成型。此外,还拥有200~2000t的压机,用于多种型号SMC产品的压制。通过模具预变形结构处理,该公司确保了产品尺寸的稳定性,成品率几乎100%。出模后的产品无需修整,直接进入装配、焊接、检测和清洁流程,生产效率很高。

注塑成型
注塑成型好的发动机油底壳

发动机缸盖罩
注塑成型好的发动机缸盖罩

北京中材现有的主导产品主要包括缸盖罩系列、油底壳系列和发动机护罩系列。但作为一家设计开发、制造和检测能力都很强大的技术型企业,该公司在碳纤维部件和新能源电池包的开发上也极具优势,曾圆满完成国家轻量化项目中一款越野车碳纤维顶盖的全流程开发。此外,还成功开发出用于出口的玻纤增强PET注塑成型的小尺寸电池包和热固性材料模压成型的大尺寸电池包。

柴油发动机护罩

北京中材设计开发的柴油发动机护罩

凌静副总经理表示,随着“国六”标准的出台,北京中材的技术及其开发的产品将迎来更加广泛的用武之地。目前除康明斯全球及中国重型汽车集团有限公司外,一些新的客户也在积极地与该公司洽谈合作。该公司奉行“发展技术,稳定质量,用户满意,持续改进”的质量方针,坚持“市场导向,追求卓越”的经营理念,正在成长为汽车复合材料领域有较强影响力的国际化企业!

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