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简析精密级BMC在汽车发动机中的高端应用匡伯铭(无锡新宏泰电器科技股份有限公司)【摘要】玻纤增强不饱和聚酯团状模塑料(BMC)已跨越车灯反射镜；电机端盖；断路器塑壳等典型的应用领域.可在汽车发动机等极其严酷工况条件下,替代金属而进入高端应用.汽车电子节气门控制(ETC)的阀体就是其中一例.本文简述了制造这种阀体的BMC材料之特性和一些关键技术关键词: BMC 电子节气门控制(ETC) 零收缩 流体浸渍的抗蚀能力 近20年来,玻纤增强不饱和聚酯团状模塑料,即UP-BMC(以下简称BMC)凭借其重量轻、性能优、集成度高勿须后加工等优点用来替代金属制成各种零部件的实例已不鲜见.最典型要数汽车前大灯的反射镜,可以说当今全球95%以上的汽车前大灯反射镜都是由BMC经压缩或注射成型再经表面处理真空镀铝制成的,替代了原来金属板拉伸冲压成型的反射镜,正是这类异形头灯,赋予了现代轿车流畅气魄的前脸造型.第二个例子,BMC注射、压缩或传递成型的中、小型电机端盖,尤其包含精密轴承孔和电机碳刷孔于一体的端盖,依其良好的性价比,无须任何机械加工,已基本替代了铝压铸的这类端盖.本文将要叙述的是今后35年内95%的汽车发动机将装备上电子节气门(ETC)组件,而BMC注射成型阀体将替代铝质阀体正是这个组件中的关键零件.要在靠近发动机的心脏部位满足其极为苛刻的工作条件,其难度也可想而至.1.电子节气门装置的简要描述 图一 燃料喷射系统及电子节气门控制系统简图1 从图上看到ETC系统主要由加速踏板、传感器、节气门、控制单元、数据总线及执行器等部份组成.加速踏板位置传感器用于反应驾驶员的控制意愿；节气门位置传感器作为控制系统的反馈控制信号；控制单元包括信息处理模块和驱动电路；执行器包括减速机构和执行电机，一般采用步进电机或PWM(脉宽调制控制)控制直流伺服电机.2 节气门的作用是控制进入发动机的空气流量。电子节气门是一种柔性控制系统，通过节气门体上的电机驱动节气门，取消了传统节气门与加速踏板之间的直接机械连接，在电控单元的控制下，可实现节气门开度的快速精确控制。其优点为：可以根据驾驶员的意愿以及排放、油耗和安全需求确定节气门的最佳开度；可设置各种功能来改善驾驶的安全性和舒适性，如牵引力控制、巡航控制、怠速控制等，从而使发动机控制更加理想；解决了传统节气门难以根据汽车的不同工况相应地做出精确调整的问题，特别是在冷起动、低负荷和怠速工况下会导致经济性下降、有害物质排放量增加等问题。因为电子节气门的几何轮廓远比常规的机械式节气门复杂许多，由于驱动电机、节气门开度传感器和减速齿轮组等都集成装配在节气门阀体上，可想而知，即使采用铝压铸节气门阀体其压铸成型和机械加工的难度也要成指数倍地增加。故铝质阀体的ETC品质不易稳定,价格居高不下难普及成了ETC系统的采用度上不去的原因之一. 相比之下,铝压铸零件确有超级的耐热性能,但是其模具的使用寿命和制造成本,零件制造周期及其单重与BMC相比较都处劣势,尤其材质成型收缩率,BMC属最佳(见表一).而热塑性工程塑料有较低的比重，而且设计师也比较熟悉,不过与BMC相比较其材料成本(单位体积之价格)昂贵,热性能甚差。材质成型收缩率%Aluminum(压铸铝)0.70BMC Composite (Dimension X)0.00PPS (53% GF)0.33PA 66 (30% GF)0.25PEI (30% GF)0.30表一 各种材料的成型收缩率 图二 BMC注射成型的ETC阀体和注射成型自动线3这就是现今德国柏林的Christophery Kunststofftechnik 公司的注射自动线上成型的,供BMW 和 PSA 使用,2007年以来连续获得SPE,AVK和GKV等国际组织大奖的产品.其BMC材料由美国BMCI在德国汉堡的子公司TetraDUR所提供(Dimension X).2.用于制造ETC阀体之BMC的特性2.1极其精密而稳定的几何尺寸与形状精度这种阀体的平滑运动可优化燃油的效率和发动机的性能。这就要求BMC制造的阀体绝对可靠稳定,不仅最初的尺寸精度要严格控制,并在-40C 至150C的操作温度下仍要保证阀体与阀片的尺寸稳定性。模塑时材料零收缩,在-40C 至 150C发动机工作温条件下保持尺寸的稳定.所谓“零收缩”就是模塑品完完全全复制了模腔的尺寸.阀体的几何形状极其复杂, 从而导致制品后固化时零件冷却及应力释放引起的工件变形。正是因为用BMC制造的ETC阀体是零收缩,又无后收缩,线胀系数非常低与铝压铸件相近.再着重说明一点,模塑件自脱模无后收缩,无需定型夹具,更无需机械加工,完全复制模具的型腔型芯尺寸.从图三我们应该看到在发动机工作状态的制品尺寸是如何获得的?又是要多少项误差的累积必需控制的据制造厂家透露,4他们的尺寸精度可控制在22 0.0075mm和100 0.012mm,达到了IT5极精密级精度,就是常规的精密机械加工也不易稳定达到 图三 BMC制品精密尺寸及其误差的形成机理 2.2多种发动机内流体的浸渍抗蚀能力这种尺寸的稳定性必须表现能承受发动机内各种流体的浸渍抗蚀能力,诸如各种牌号的燃油、机油、清洁液、变速箱油、制动液和动力转向油等。 图四 BMC和其它热塑工程塑料经2000h油浸后抗弯模量的数值变化举例而言,从图四看到BMC模塑料对油浸后的抗弯模量等强度特性几乎无所变化.2.3良好的性价比 图五 各种材质单位体积价格对照表 USD/立方英寸(2006年数据)图五列出了BMC与铝质的先些年价格之对比，其优越性显而易见。对于PA66和PPS也是同样.尽管BMC有较高的比重,但单位体积的价格也明显优于铝材 41%；PA66 27%；PPS 62%。用BMC替代铝质的ETC阀体大致可节省25%的材料成本。这并未计算铝压铸件后续制造中各子系统的费用。 采用BMC成型的模具费用比铝压铸成型模具节约许多,且模具寿命长了许多,这方面分摊到零件成本中也占相当分额.2.4优越的抗蠕变能力 图六 经30分钟150C 受 200g静载的蠕变数据对比表在发动机周围运行,其材质在150C时其机械性能损失程度也是至关重要的, 图六显示了BMC材质较之其它热塑性工程塑料有极大的抗蠕变的能力,也是尺寸稳定的重要因素。3.用BMC制造ETC阀体的其它关键技术除了上述精密级BMC材料的核心技术以外,还有以下一些关键技术.3.1必须采用最先进的CAD/CAM/CAE技术制品设计并不是照搬铝质阀体的几何图形,在设计一开始就注意到壁厚的突变、料流的顺畅、最少的熔接线及最小的冷却变形等等.成型中的模流分析5;对制品进行严格的应力开裂、螺栓紧固抗力、温度交变中的抗疲劳能力都进行数值模拟和实物对照验证.图七仅展示注射成型中零件的热应力分析图. 图七 充模后的应力分析3.2 Krauss Maffei的Polyset的注射成型机图八 Polyset系统专门配置AZ100团料送进系统该系统有别于同类BMC注射机垂直料斗挤压进料,BMC团状料注入园锥形料斗(2)的斜槽(1)中,通过旋转送料螺杆(3),团料从料斗输送入注射装置(4),料斗和送料螺杆同步旋转,(5)压力传感器可控制进料速度.不间断的均质团料和精准的计量,也是保证制品尺寸稳定一致的重要因素之一.另外还有精密模具技术,注射-压缩成型工艺技术等不再赘述.4.BMC在汽车发动机中的应用展望安全、节能、减重一直是汽车工业的主题,从上述用BMC替代铝质ETC阀体,清楚地显示了BMC已摆脱一般的通用水平的应用范围.之前所谓的低果先摘(the low hanging fruit),轻易可实现的转换或替代已经到了尽头.下一步,有待复合材料同仁,联合汽车界的精英一起去攻克新的高端应用.例如,燃油泵的壳体、正时齿轮传动链的壳体、液压制动缸的活塞等等. BMC 尽管在应用中逐步上了新的台阶，但是还有一些固有的问题存在，如光洁表面偶有杂色花斑（Mottled）；在与热塑性工程塑料竞争中，要达到1.45 g/cm3 以下密度仍保持其优良性能,对降低汽车重量作出贡献,仍须努力. 参考文献1上海三国精密机械有限公司样本2王斌 刘绍度等 汽车电子节气门技术研究现状及发展趋势 小型内燃机与摩托车 2005年第6期 pp.32-343 Martin Palik Cross-Linked Precision Kunststoffe 8/2008 pp.54-564 Brett W. Weber BMC Taking Automotive Composites to a New Dimension COMPOSITES 2006 Convention and Trade Show American Composites Manufacturers Association October 18-20, 2006 St. Louis, MO USA 5 Dale Brosius Engineering insights: BMC creates new dimensions in underhood apps. Composites Technology 8/1/2007Advanced application of brief analysis in the car engine of accurate grade of BMC Kuang Bo-ming(Wuxi XHT electric apparatus scientific and technological Limited Company) 【Abstract】Fibrous-glass reinforced polyester bulk molding compound (BMC) that haveCrossed typical applications such as reflectors of headlight, end cover of motor, case of MCCB. Can substitute the metal and enter advanced application under extremely harsh operating mode conditions such as the car engine details etc. The body of valve for Electronic Throttle Control(ETC) is an example among them. Th