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【技術帖】塑料油底殼與鋼制油底殼的失效分析

2018-05-04 10:39:32 作者：宋林林；董爭（南京星喬威泰克汽車零部件有限公司）來源：《內燃機與配件》分享至：

0 引言

近年來，隨著科技發展和市場需求，汽車工業發展的主要趨勢是優化系統成本、提高生產率、促進可持續性以及減少環境污染。主機廠希望在保證汽車性能和質量的前提下，汽車的制造工藝越來越簡化，汽車的制造成本控制的越來越低。而作為消費者當然是希望汽車在高性價比的條件下油耗越低越好。發動機油底殼作為潤滑油的儲存室是汽車上重要的安全部件，現在正朝著低成本、輕量化的方向發展。目前市場上發動機油底殼以鋼制和鋁合金油底殼為主廣泛應用在汽車發動機中。與此同時，具有優異性能的塑料油底殼也逐漸崛起。早在2007 年之前國外就已經將SMC（片狀模塑料）復合材料材質的油底殼應用于載貨車的發動動機中。2010 年康明斯ISF 系列柴油發動機就采用了伊頓生產的聚酰胺塑料油底殼，此款油底殼是中國第一款量產的塑料油底殼。塑料油底殼的出現無疑順應了汽車工業發展的主要趨勢。

1 油底殼的特點

作為油底殼必須滿足一定的機械強度，如高強度、高剛度和耐高溫等特點。

1.1 塑料油底殼的特點

塑料油底殼采用如，SMC 復合材料、BASF 的聚酰胺、帝斯曼的PA6 等工程塑料通過注塑成型工藝進行生產制造。塑料油底殼在使用性能方面完全能滿足要求，例如帝斯曼的PA6 塑料油底殼滿足在應用中對其剛性、抗沖擊性和耐化學性的要求。塑料油底殼在隔熱、減振降噪等方面也具有優異的性能。而且塑料油底殼采用注塑成型可以提高油底殼的設計自由度，如可生產形狀復雜的油底殼，根據CAE 分析出的易受力失效區域，可進行加高保護筋等成型方式消除隱患。另外，在生產成本方面，注塑生產塑料油底殼既可以減少模具制造過程中所產生的費用，還可以縮短其后續的機械加工工序環節。再者生產塑料油底殼的模具使用壽命是鋁合金油底殼的9 倍，其生產成本也比鋁合金油底殼減少15%~45%。

1.2 鋼制油底殼的特點

鋼制油底殼是選用薄鋼板通過沖壓的形式制造的，沖壓油底殼在制作生產的過程中具有成本低、效率高和重量輕等優點，而且在使用性能方面具有高剛性、高強度、耐高溫等特點。但是其在應用上只適合于那些結構比較簡單的產品，并且其在NVH方面也比較差。

2 油底殼的失效分析

在油底殼的失效分析中需考察油底殼所處的位置和環境。由于油底殼位于發動機底部，要經受超強的機械壓力，例如路面上飛起的石子或汽車開至人行道時路面臺階造成的沖擊。飛石在外表面的每一次撞擊，都會在油底殼的內表面產生拉伸應力，這些拉伸應力會導致內表面生成難以檢測出來的微裂紋，在發動機繼續使用過程中這些微裂紋會繼續擴大以致油底殼開裂。油底殼屬于薄殼體結構，它的固有頻率低，容易與發動機點火激勵等機體低頻振動的頻率接近，導致油底殼因共振而出現疲勞開裂。加強肋的撕裂作用也是導致油底殼開裂失效的主要原因，當油底殼加強肋的強度太低時，在外界交變載荷、低頻振動、彎曲振動等外力作用下易造成斷裂，加強肋斷裂后與薄板的相對運動加劇，薄板便在交變載荷的作用下，產生疲勞斷裂或被撕裂。

另外，在實際使用中油底殼的使用溫度可高達160℃，大多須在110℃~140℃溫度間進行長時間的運轉。這種冷熱交替的模式將加速塑料油底殼老化失效。

2.1 塑料油底殼的失效分析

塑料油底殼作為工程塑料制品有著塑料本身老化失效的共性，其在，成型加工、貯存、使用和運輸過程地中，都不可避免地受到熱、光、空氣、水分、生物和機械應力等外界因素的作用，會產生氧化、水解、降解、交聯、支化和結晶等各種化學、物理變化，致使分子組成、結構狀態和分子量發生改變，最終導致塑料油底殼的物理、化學性能變化，使其重要應用性能如強度、剛度等變差而失效。

由于油底殼是處于發動機底部，所處的環境溫度較高而幾乎無光照，其老化的外在因素主要是熱影響和機械應力。油底殼采用的高分子聚合物中若含有活潑側基，在溫度影響下側基易與主鏈脫離，導致主鏈的結構發生變化，使得大分子主鏈出現不飽和現象，另外高分子聚合物在高溫作用下大分子主鏈也會發生斷裂，出現熱降解后果。此外，塑料還會與氧氣發生氧化降解，使高分子聚合物的分子量降低，并分解產生大量的醛、酮、酸的氧化產物。

塑料油底殼也存在老化的內在因素，主要包括高分子聚合物的化學結構變化，分子量及其分布、物理形態和其立體規整性。

2.2 鋼制油底殼的失效分析

針對鋼制油底殼失效模式以腐蝕和開裂為主。鋼制油底殼一般都經過涂裝，當涂層遭到破壞后，裸露的金屬基體在腐蝕介質的作用下發生腐蝕反應，尤其是在沿海環境中高濃度的氯離子和工作中高溫的油底殼會大大加快點蝕的速度，最終油底殼被腐蝕透而報廢。

在以開裂為主的失效模式中也存在應力腐蝕（見圖1），產生應力腐蝕的應力主要是其中的靜態部分，它可以是外加載荷，如飛石在外表面的每一次撞擊，都會在油底殼的內表面產生拉伸應力；或裝配力（例如擰螺栓的力、脹接力等）引起的應力，中的靜態部分，它可以是外加載荷，如由于飛石在外表面的撞擊，在油底殼的內表面產生拉伸應力；或裝配力（例如擰螺栓的力、脹接力等）引起的應力，也可以是構件在加工、熱處理、焊接等過程中產生的內應力。不管來源如何，導致應力腐蝕開裂的應力必須有拉伸應力的成分，在靜拉伸力和腐蝕介質的共同作用下將導致金屬的應力腐蝕開裂。它與單純由應力造成的破壞不同，這種腐蝕在極低的應力條件下也能發生；它與單純由腐蝕引起的破壞也不同，腐蝕性極弱的介質也能引起腐蝕開裂。它往往是沒有先兆的進展迅速的突然斷裂，容易造成嚴重的事故。因此它是一種危害性極大的破壞形式。