SMC在发动机油底壳上的应用

李卫中刘晓静刘归王庆明北京中材汽车复合材料有限公司互联网 2016-07-01

1前言

SMC 是Sheet molding compound的缩写，即片状模塑料。主要原料由SMC专用纱、不饱和树脂、低收缩添加剂，填料及各种助剂组成。它在二十世纪六十年代初首先出现在欧洲，在1965年左右，美、日相继发展了这种工艺。我国于80年代末，引进了国外先进的SMC生产线和生产工艺。 SMC具有优异的阻尼特性、耐腐蚀性能、轻量化、结构的可设计性、抗蠕变性能和耐热性能，其机械性能可以与铝等金属材料相媲美，已经在汽车发动机中有多年应用的实例，如油底壳、缸盖罩、齿轮室盖等。

现代的汽车行业在减少噪声、节能减排、集成化、可设计性强、易于成型、成本降低等方面的要求越来越高，而复合材料质轻、阻尼性能好等自身具有的特点，正能够满足汽车工业的这种要求。随着汽车工业的发展，SMC复合材料技术获得了进一步的发展，最新开发的SMC材料主要应用于汽车发动机上，其特点是具有精密的尺寸精度和使用中在-40℃-150℃温度条件下的尺寸稳定性。

近年来，随着用户对环境的关注，汽车噪声治理已经列入汽车标准要求中。从整车的噪声源来分，发动机约占30%以上。而油底壳和缸盖罩占发动机噪声源的50%(表1).目前，国外主机厂为了降低这两部分的噪声，从材料和结构两个方面，已经进行了系统的开发。

表1 部件声功率级及能量百分数

为了推进SMC新材料在发动机上的应用，使大家对SMC油底壳的应用及其特点有较全面的认识，本文对SMC油底壳进行了详细的介绍。

根据国际主要主机厂的研究，应用于发动机油底壳、缸盖罩、齿轮室等发动机周边部件的SMC材料需要具备较高的力学性能、优异的耐热性，北京中材经过长时间的研究试验，开发成功发动机油底壳等部件专用片材，达到欧美同类材料水平，获得了Cummins的认证。该材料的部分主要性能见表2。

表2 Sinoma 发动机专用SMC片材性能

2SMC油底壳市场应用情况

SMC油底壳在国外较早就获得了应用，如Detroit Diesel 60机油底壳(1987年)、Cummins L-10油底壳(1987年)、Navistar Diesel: NGD oil pan、Volvo、雷诺、奔驰、FORD等(图1)。

图1 沃尔沃/雷诺重型发动机SMC油底壳

在欧洲，主要的SMC油底壳材料供应商Menzolit公司，每年生产用于制造油底壳的材料约700吨。根据2001年的资料，北美地区机动车中， SMC/BMC复合材料油底壳和缸盖罩的保有量约4000万个(部分使用厂家见表3)，并且自1987年以来，未发生一例由于材料原因造成的性能下降和产品变形质量事故(《Thermoset Technology:For the Molder》March 13, 2001)。由此可见，SMC材料用于制造发动机油底壳，得到了充分的实践验证。

表3 北美使用SMC/BMC油底壳和缸盖罩的厂家

3SMC油底壳的优势

目前市场上油底壳材料种类：钢板冲压件、铸铝件、复合钢板、SMC油底壳、GF增强尼龙。与其他材料相比，SMC油底壳拥有无可比拟的优点。

3.1. 轻量化、高环保性

资料表明，汽车每减重100kg,每百公里油耗减少0.2L.随着全球能源供应日益紧张，用户对于节能减排越来越重视,汽车轻量化日益紧迫。

SMC复合材料的密度为1.8，钢为7.8，铝为2.7。由于SMC材料具有轻质的特点，即使考虑为了补偿SMC复合材料刚性、强度而增加的壁厚、加强筋等措施，相对钢板冲压油底壳而言，SMC油底壳总体约减重25%，相对铸铝而言，SMC油底壳减重20%。以北京中材开发的10L柴油机油底壳为例，原钢板油底壳总成重量12.3kg,SMC油底壳9kg，减重达到3.3kg，其中还不包括集成油底壳托块所减少的重量。

生态效率与可回收性是汽车制造业关注的焦点。相关的研究表明，SMC是极具生态效率的材料。在研究中，分别以钢、铝和SMC三种材料的行李箱盖为研究对象，研究涉及材料制备、模制、部分重制、喷漆、组装以及耗油性、用弃后的废物处理等多个方面。根据研究结果，对相关数据进行评估后，比较结果如图2所示。

图2 SMC材料的生态效率

3.2. 优良的减振降噪特性

复合材料的阻尼一般为0.05，金属材料的阻尼为0.005。也就是说复合材料阻尼比金属材料的阻尼高10倍。从图3可以看出，采用复合材料制成的油底壳，从200Hz开始即有良好的减振效果，特别是在高频范围内效果显著，最多降低了11dB。图4是铝和SMC 材料的噪音衰减对比。

图3复合材料和钢板的振动对比图4铝和SMC材料的噪音衰减对比

图5是北京中材汽车复合材料有限公司开发的10L柴油发动机油底壳约束模态分析，表4是SMC油底壳和钢板冲压油底壳振动模态分析结果对比表。从分析结果看，与钢油底壳相比，该Sinoma SMC油底壳减振优势明显，与钢油底壳相比，一阶、二阶和三阶振动频率，SMC油底壳分别提高了50%，53%和32%。

第一阶频率：186.6Hz 第二阶频率：193.2Hz 第三阶频率：240.6Hz

图5 Sinoma SMC油底壳的约束模态分析图

表4 分析结果

为了验证Sinoma SMC油底壳模态分析结果，我们通过采用比较精确的表面速度法计算油底壳表面辐射噪声，在柴油机试验台架上进行欧III 柴油机SMC 油底壳和钢制油底壳对比表面振动测试和计算分析试验。试验结果表明，采用SMC 油底壳可有效降低柴油机油底壳表面辐射噪声，在2200r/min 额定转速计算出油底壳辐射噪声可降低9.4dB，在1600r/min最大扭矩转速下可降低12.9dB。

3.3 可设计性、可集成性、成本降低

与金属冲压成型不同，SMC为多种材料的综合，在成型压力下具有流动性，因此产品结构具有极强的可设计性(根据需要，产品的不同部位具有不同厚度、方便加筋等)。制造SMC零部件时是一次压制成型，易于成型复杂的制品，生产不良率较低，再加上部件集成(油尺、挡油板、集油器、托块等)的特点，可以有效减少部件螺栓和焊接，使复合材料油底壳具有与钢板或铸铝相当的较低成本。

由于生产SMC油底壳的装备和模具投资很小，相同零部件通常比金属冲压工艺投资节省50%以上，根据统计分析，在年产量低于130000件的情况下，SMC部件的成本低于钢板冲压部件，只有当产量达到130000件时，SMC部件的成本才上升到与板金件相同。但是，在现代产品更新速度快、批量小的形势下，很少有零件达到如此高的产量。

与其他材料相比，SMC也提供了很好的性价比(图6)。

图6 SMC部件与铝、尼龙材料成本对比

3.4 尺寸稳定性、密封性、耐低温性能优良

热固性材料(SMC)不同于热塑性材料(尼龙)，热固性材料由于分子间发生交联，在冷热交变下，能够保持尺寸稳定性，蠕变很小;热塑性材料由于分子间无交联，仅靠分子间力维持尺寸，当长期在热环境下使用时，会出现较大的蠕变(图7)。

图7 30分钟 150℃ 200g静载的蠕变

由于存在蠕变，尼龙用于油底壳、缸盖罩产品，其螺栓最大跨距为100mm。北京中材开发的油底壳专用SMC材料，具有更加优异的抗蠕变性、耐温性( Tg = > 165℃)和防水性，由它们制成的零部件坚固耐用，防泄漏效果好，因而非常适应引擎室的应用环境，其用于油底壳和缸盖罩产品，螺栓最大跨距可以达到250mm以上，特别适合用于制造尺寸大于600mm的发动机油底壳和缸盖罩部件。

SMC部件的另一个优点是具有很小的热膨胀系数--SMC与钢的CLTE(线性热膨胀系数)类似!这使得SMC部件在与金属部件相结合时，彼此间的空隙非常小。在高低温交变的情况下，能够保证零件间的密封性。因此，卡车和轻型商用车(LCV)中的很多金属部件均可被替换成SMC部件，替换后，部件的功能保持不变，但重量更轻。

与热塑性材料(尼龙等)相比，热固性SMC材料具有极佳的低温性能，在极寒的环境下也不会变脆(表5)

表5 Sinoma SMC油底壳低温冲击性能