1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。AA簡析精密級BMC在汽車發(fā)動機中的高端應用-簡析精密級BMC在汽車發(fā)動機中的高端應用匡伯銘(無錫新宏泰電器科技股份有限公司)【摘要】玻纖增強不飽和聚酯團狀模塑料(BMC)已跨越車燈反射鏡；電機端蓋；斷路器塑殼等典型的應用領域.可在汽車發(fā)動機等極其嚴酷工況條件下,替代金屬而進入高端應用.汽車電子節(jié)氣門控制(ETC)的閥體就是其中一例.本文簡述了制造這種閥體的BMC材料之特性和一些關鍵技術關鍵詞:BMC電子節(jié)氣門控制(ETC)零收縮流體浸漬的抗蝕能力近20年來,玻纖增強不飽和聚酯團狀模塑料,即UP-BMC

2、(以下簡稱BMC)憑借其重量輕、性能優(yōu)、集成度高勿須后加工等優(yōu)點用來替代金屬制成各種零部件的實例已不鮮見.最典型要數(shù)汽車前大燈的反射鏡,可以說當今全球95%以上的汽車前大燈反射鏡都是由BMC經壓縮或注射成型再經表面處理真空鍍鋁制成的,替代了原來金屬板拉伸沖壓成型的反射鏡,正是這類異形頭燈,賦予了現(xiàn)代轎車流暢氣魄的前臉造型.第二個例子,BMC注射、壓縮或傳遞成型的中、小型電機端蓋,尤其包含精密軸承孔和電機碳刷孔于一體的端蓋,依其良好的性價比,無須任何機械加工,已基本替代了鋁壓鑄的這類端蓋.本文將要敘述的是今后35年內95%的汽車發(fā)動機將裝備上電子節(jié)氣門(ETC)組件,而BMC注射成型閥體將替代鋁

3、質閥體正是這個組件中的關鍵零件.要在靠近發(fā)動機的心臟部位滿足其極為苛刻的工作條件,其難度也可想而至.1.電子節(jié)氣門裝置的簡要描述圖一燃料噴射系統(tǒng)及電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)簡圖1從圖上看到ETC系統(tǒng)主要由加速踏板、傳感器、節(jié)氣門、控制單元、數(shù)據(jù)總線及執(zhí)行器等部份組成.加速踏板位置傳感器用于反應駕駛員的控制意愿；節(jié)氣門位置傳感器作為控制系統(tǒng)的反饋控制信號；控制單元包括信息處理模塊和驅動電路；執(zhí)行器包括減速機構和執(zhí)行電機，一般采用步進電機或PWM(脈寬調制控制)控制直流伺服電機.2節(jié)氣門的作用是控制進入發(fā)動機的空氣流量。電子節(jié)氣門是一種柔性控制系統(tǒng)，通過節(jié)氣門體上的電機驅動節(jié)氣門，取消了傳統(tǒng)節(jié)氣門與加速踏

4、板之間的直接機械連接，在電控單元的控制下，可實現(xiàn)節(jié)氣門開度的快速精確控制。其優(yōu)點為：可以根據(jù)駕駛員的意愿以及排放、油耗和安全需求確定節(jié)氣門的最佳開度；可設置各種功能來改善駕駛的安全性和舒適性，如牽引力控制、巡航控制、怠速控制等，從而使發(fā)動機控制更加理想；解決了傳統(tǒng)節(jié)氣門難以根據(jù)汽車的不同工況相應地做出精確調整的問題，特別是在冷起動、低負荷和怠速工況下會導致經濟性下降、有害物質排放量增加等問題。因為電子節(jié)氣門的幾何輪廓遠比常規(guī)的機械式節(jié)氣門復雜許多，由于驅動電機、節(jié)氣門開度傳感器和減速齒輪組等都集成裝配在節(jié)氣門閥體上，可想而知，即使采用鋁壓鑄節(jié)氣門閥體其壓鑄成型和機械加工的難度也要成指數(shù)倍地增加

5、。故鋁質閥體的ETC品質不易穩(wěn)定,價格居高不下難普及成了ETC系統(tǒng)的采用度上不去的原因之一.相比之下,鋁壓鑄零件確有超級的耐熱性能,但是其模具的使用壽命和制造成本,零件制造周期及其單重與BMC相比較都處劣勢,尤其材質成型收縮率,BMC屬最佳(見表一).而熱塑性工程塑料有較低的比重，而且設計師也比較熟悉,不過與BMC相比較其材料成本(單位體積之價格)昂貴,熱性能甚差。材質成型收縮率%Aluminum(壓鑄鋁)0.70BMCComposite(DimensionX)0.00PPS(53%GF)0.33PA66(30%GF)0.25PEI(30%GF)0.30表一各種材料的成型收縮率圖二BMC注射成

6、型的ETC閥體和注射成型自動線3這就是現(xiàn)今德國柏林的ChristopheryKunststofftechnik公司的注射自動線上成型的,供BMW和PSA使用,2007年以來連續(xù)獲得SPE,AVK和GKV等國際組織大獎的產品.其BMC材料由美國BMCI在德國漢堡的子公司TetraDUR所提供(DimensionX).2.用于制造ETC閥體之BMC的特性2.1極其精密而穩(wěn)定的幾何尺寸與形狀精度這種閥體的平滑運動可優(yōu)化燃油的效率和發(fā)動機的性能。這就要求BMC制造的閥體絕對可靠穩(wěn)定,不僅最初的尺寸精度要嚴格控制,并在-40C至150C的操作溫度下仍要保證閥體與閥片的尺寸穩(wěn)定性。模塑時材料零收縮,在-4

7、0C至150C發(fā)動機工作溫條件下保持尺寸的穩(wěn)定.所謂“零收縮”就是模塑品完完全全復制了模腔的尺寸.閥體的幾何形狀極其復雜,從而導致制品后固化時零件冷卻及應力釋放引起的工件變形。正是因為用BMC制造的ETC閥體是零收縮,又無后收縮,線脹系數(shù)非常低與鋁壓鑄件相近.再著重說明一點,模塑件自脫模無后收縮,無需定型夾具,更無需機械加工,完全復制模具的型腔型芯尺寸.從圖三我們應該看到在發(fā)動機工作狀態(tài)的制品尺寸是如何獲得的?又是要多少項誤差的累積必需控制的據(jù)制造廠家透露,4他們的尺寸精度可控制在220.0075mm和1000.012mm,達到了IT5極精密級精度,就是常規(guī)的精密機械加工也不易穩(wěn)定達到圖三BM

8、C制品精密尺寸及其誤差的形成機理2.2多種發(fā)動機內流體的浸漬抗蝕能力這種尺寸的穩(wěn)定性必須表現(xiàn)能承受發(fā)動機內各種流體的浸漬抗蝕能力,諸如各種牌號的燃油、機油、清潔液、變速箱油、制動液和動力轉向油等。圖四BMC和其它熱塑工程塑料經2000h油浸后抗彎模量的數(shù)值變化舉例而言,從圖四看到BMC模塑料對油浸后的抗彎模量等強度特性幾乎無所變化.2.3良好的性價比圖五各種材質單位體積價格對照表USD/立方英寸(2006年數(shù)據(jù))圖五列出了BMC與鋁質的先些年價格之對比，其優(yōu)越性顯而易見。對于PA66和PPS也是同樣.盡管BMC有較高的比重,但單位體積的價格也明顯優(yōu)于鋁材41%；PA6627%；PPS62%。用

9、BMC替代鋁質的ETC閥體大致可節(jié)省25%的材料成本。這并未計算鋁壓鑄件后續(xù)制造中各子系統(tǒng)的費用。采用BMC成型的模具費用比鋁壓鑄成型模具節(jié)約許多,且模具壽命長了許多,這方面分攤到零件成本中也占相當分額.2.4優(yōu)越的抗蠕變能力圖六經30分鐘150C受200g靜載的蠕變數(shù)據(jù)對比表在發(fā)動機周圍運行,其材質在150C時其機械性能損失程度也是至關重要的,圖六顯示了BMC材質較之其它熱塑性工程塑料有極大的抗蠕變的能力,也是尺寸穩(wěn)定的重要因素。3.用BMC制造ETC閥體的其它關鍵技術除了上述精密級BMC材料的核心技術以外,還有以下一些關鍵技術.3.1必須采用最先進的CAD/CAM/CAE技術制品設計并不是

10、照搬鋁質閥體的幾何圖形,在設計一開始就注意到壁厚的突變、料流的順暢、最少的熔接線及最小的冷卻變形等等.成型中的模流分析5;對制品進行嚴格的應力開裂、螺栓緊固抗力、溫度交變中的抗疲勞能力都進行數(shù)值模擬和實物對照驗證.圖七僅展示注射成型中零件的熱應力分析圖.圖七充模后的應力分析3.2KraussMaffei的Polyset的注射成型機圖八Polyset系統(tǒng)專門配置AZ100團料送進系統(tǒng)該系統(tǒng)有別于同類BMC注射機垂直料斗擠壓進料,BMC團狀料注入園錐形料斗(2)的斜槽(1)中,通過旋轉送料螺桿(3),團料從料斗輸送入注射裝置(4),料斗和送料螺桿同步旋轉,(5)壓力傳感器可控制進料速度.不間斷的均

11、質團料和精準的計量,也是保證制品尺寸穩(wěn)定一致的重要因素之一.另外還有精密模具技術,注射-壓縮成型工藝技術等不再贅述.4.BMC在汽車發(fā)動機中的應用展望安全、節(jié)能、減重一直是汽車工業(yè)的主題,從上述用BMC替代鋁質ETC閥體,清楚地顯示了BMC已擺脫一般的通用水平的應用范圍.之前所謂的低果先摘(thelowhangingfruit),輕易可實現(xiàn)的轉換或替代已經到了盡頭.下一步,有待復合材料同仁,聯(lián)合汽車界的精英一起去攻克新的高端應用.例如,燃油泵的殼體、正時齒輪傳動鏈的殼體、液壓制動缸的活塞等等.BMC盡管在應用中逐步上了新的臺階，但是還有一些固有的問題存在，如光潔表面偶有雜色花斑（Mottled

12、）；在與熱塑性工程塑料競爭中，要達到1.45g/cm3以下密度仍保持其優(yōu)良性能,對降低汽車重量作出貢獻,仍須努力.參考文獻1上海三國精密機械有限公司樣本2王斌劉紹度等汽車電子節(jié)氣門技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢小型內燃機與摩托車2005年第6期pp.32-343MartinPalikCross-LinkedPrecisionKunststoffe8/2008pp.54-564BrettW.WeberBMCTakingAutomotiveCompositestoaNewDimensionCOMPOSITES2006ConventionandTradeShowAmericanCompositesManuf

13、acturersAssociationOctober18-20,2006St.Louis,MOUSA5DaleBrosiusEngineeringinsights:BMCcreatesnewdimensionsinunderhoodapps.CompositesTechnology8/1/2007AdvancedapplicationofbriefanalysisinthecarengineofaccurategradeofBMCKuangBo-ming(WuxiXHTelectricapparatusscientificandtechnologicalLimitedCompany)【Abst

14、ract】Fibrous-glassreinforcedpolyesterbulkmoldingcompound(BMC)thathaveCrossedtypicalapplicationssuchasreflectorsofheadlight,endcoverofmotor,caseofMCCB.Cansubstitutethemetalandenteradvancedapplicationunderextremelyharshoperatingmodeconditionssuchasthecarenginedetailsetc.ThebodyofvalveforElectronicThrottleControl(E