巴斯夫工程材料介绍
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9
惯性分离系统的种类
容器型
迷宫型（包括孔板类）
来自百度文库
Air is easy to change direction due to small inertia, but liquid particles will trap on the wall or floor due to gravitational force.
CHC耐压失效破坏模式
17
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
模态分析所得到的信息
动态刚度 寻找在指定频率（由试验测定）下产生噪音辐射的区域。
5阶模态 1阶模态 3阶模态
2阶模态
4阶模态
6阶模态
18
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
利用模态分析得到的信息
Step 1 从试验获得关键敏感频率 Step 2 识别模态 Step 3 由设计优化来进行频率转移
37
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
38
Ultramid® 简要介绍
Ultramid High Speed 配方中含有特殊添加剂，由此开发出了创新的分 子链结构 此新型分子链在熔融状态具有超常的运动能力，因此导致超常的注塑流 动性能 但是，在固体状态下，聚合物分子链的排列与普通牌号类似，因此物理 机械性能基本没有变化
14
橡胶材料测试数据
12
反力(N/mm)
10
8
6
4 2
0 0 0.5
压缩量(mm)
1
1.5
2
2.5
3
密封垫圈反力曲线
压缩性能模拟
13
气门室罩盖结构分析 在冷热周期循环工况下的密封性能分析
初始状态－无应力
螺栓预紧状态 – 密封垫圈收到压缩
恒温状态 150℃
温度过渡状态 : -40℃ → 150℃
14
35
丰田/大发
主机厂 丰田/大发 产品应用 汽缸盖罩 进气歧管 发动机 / 车型 1.0L L3 Compact Car Yaris, Vitz, Echo 材料等级 Ultramid B3WG6 BGVW
36
现代
主机厂 现代汽车 应用 汽缸盖罩 发动机 L4 DOHC 材料等级 Ultramid 5268GHSB BK102
锁模力及熔接痕研究
锁模力大小预测 : 选择注塑机规格的参考 熔接痕位置 在关键载荷区域尽量避免出现熔接痕 熔接痕附近合理的冷却水道布置，改善排气问题
锁模力随时间变化图 熔接痕位置
24
气门室罩盖模流分析 玻纤取向及翘曲性能
玻纤取向及翘曲
产品的翘曲影响密封性能
玻纤取向
总体翘曲 X 10
成熟可靠的技术 减少二次加工工续
– 如焊接，喷涂，机加工
成本降低
–模块化设计提供了整体系统成本的降低空间
集成化设计
–油气分离器，挡油板，呼吸器，点火线圈线束支架，线圈支架等
减重 Ultramid® 尼龙材料良好的回收加工性能
3
不同材料气门室罩盖的比较
优势 缺点 冲压金属
材料成本 二次加工性能 设计集成性 重量 回收性能
+ 50%
2.5
3.0
Ultramid® 螺旋线流动长度
注塑压力 1000bar, 料温/模温 280°C/80°C
80 A3WGM53 High Speed 70 PA66GF25M15 Reference
Spiral Length [cm]
60 50 40 30 20 1,0 1,5 2,0
+ 50%
结构传递噪音 – 对比声功率强度等级
比较不同设计方案的声功率等级来寻找可以有效降低噪音辐射的设计。 辐射声压的方位特性。
声功率l(dB)
频率(Hz)
由发动机振动激励所引起的辐射噪音
辐射声压
21
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
结构拓扑优化研究
拓扑优化技术为我们新设计方案以及适当结构优 化的指导 为降噪而进行的加强优化方案。
残留应力 (产品正面) 残留应力 (产品反面)
27
气门室罩盖模具设计 浇口设计实例
Single side gate
31 2.5
Dual side gate
24 2
28
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
29
欧宝
1994
欧宝 汽缸盖罩
集成油气分离
喷漆后
车型 : 发动机类型 : 供应商 : 材料:
Omega, Senator 柴油机 1.8L / 2.0L, L4 Thermoplast Ultramid® A3WG5
油气分离设计
30
喷漆前
雷诺
车型 : 发动机 : 供应商 : 材料 : Megane 汽油机 F7R 2.0L, L4, 16V MGI Ultramid® A3HG7
气门室罩盖结构分析 在冷热周期循环工况下的密封性能分析
密封法兰特性
影响热变形的参数 - 材料刚性 / 几何形状 / 垫圈反力 垫圈形变量研究 - 垫圈形变量必须控制在一定的允许范围内 校验垫圈密封压力，预测密封性能
L4 L3 L5 L6 L7 L8 L10 L9 L11 L12
变形前
不同状态下密封段的变形图
密封法兰垂直方向翘曲 X 10
25
气门室罩盖模流分析 密封法兰翘曲度
总体翘曲
X方向翘曲
Y方向翘曲
Z方向翘曲
26
气门室罩盖模流分析 注塑残留应力
注塑残留应力预测
冷热周期循环后产生的变形，很大程度上是由于产品内部存在注塑残留应力，以及与密封 垫圈的相互作用所造成的。 寻找设计优化方案，最大限度地降低注塑残留应力
No labyrinth
A
B Current design of baffle plates
Mist inlet Oil drain Proposed design of baffle plates
11
油气分离分析
关于油气分离, 巴斯夫能在客户提供的CAD数据基础上进行如下模拟分析服务: 1. 2. 3. 4. 压力降控制 气流路线优化 不同直径油滴分离效率 迷宫或旋风分离设计优化
5
技术难点
1. 镙栓间距太大，导致泄漏 2. 镙栓区域机械负荷太大， 导致蠕变 3. 法兰密封区域强度不足， 导致泄漏 4. 法兰面平度不好，导致泄 漏 5. 太多的平面结构,导致噪声
6
解决手段
1. 尽量缩小镙栓间距,尽量不要大 于100MM（主机厂决定） 2. 使用金属嵌件或改进的镙栓设计 减少镙栓孔机械负荷 3. 优化法兰面结构强度设计(BASF CAE) 4. 减少翘曲(BASF CAE) 5. 优化平面结构,减少噪声(BASF CAE)
塑料气门室罩盖的技术难点及 巴斯夫应对方案
Michael Sun Auto Market Development, Engineering Plastics Greater China
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
2
塑料气门室罩盖的开发原动力
加强筋位置布局优化
Rib pattern applied in cover design
22
气门室罩盖模流分析 流动填充模式
流动填充模式研究
充模时间研究：流动平衡，滞留，困气 流动前锋温度分布 型腔压力分布
填充时间
流动前锋温度分布
型腔压力分布
23
气门室罩盖模流分析 锁模力及熔接痕研究
1996 雷诺汽缸盖罩 (集成油气分离系统及点火系统)
31
宝马 ( M47 and M57)
1998 博世公司制造 宝马3.0L 柴油机汽缸盖罩
用 Ultramid® A3WGM53制 造的汽缸盖罩
32
宝马 ( M47 and M57)
集成功能:
- 油气分离 - 空滤 - 空气流量计 - 进口噪音抑制装置 - 涡状改进型进气管道
39
Ultramid® 螺旋线流动长度
注塑压力 1000bar, 料温/模温 280°C/80°C
70 A3WG7 High Speed 60 50 40 30 20 1.0 1.5 2.0 Wall 壁厚 Thickness [mm]
40
Spiral Length [cm]
PA66GF35 Reference
Oil seperation result
80 70
Efficiency (%)
60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Diameter (μm)
12
气门室罩盖结构分析 密封垫圈研究
密封垫圈的特性
Step 1 橡胶材料特性 可从密封垫圈材料供应商处获得 Step 2 密封垫圈压缩性能模拟 得到密封垫圈的压缩量－反力曲线图 Step 3 气门室罩盖 + 密封垫圈 相互作用力分析
1998
BMW CHC module
made of Ultramid A3WGM53 with integrated functions
33
宝马 ( M47 and M57)
集成进气道
集成3步油气分离装置
集成空滤壳体 集成UltradurB 4300 G6 制造的空气流量计
Cylinder head cover for BMW 3.0-liter L6 DI Diesels, made by Bosch from Ultramid A3WGM53, SOP 1998
非主动旋风分离系统
10
油气分离：初始设计修改建议
Oil & air separation
In current design there are several small inlets and oil drain, judging from the design of labytinth, Oil & air mixture coming into “A” cannot be separated effectively. BASF propose simpler and effective baffle plate shape. Air outlet Air outlet Air outlet Mist inlet Air outlet Oil drain
3rd Mode
Step 1关键敏感频率
Step 2 识别模态
Step 3设计优化
19
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
耐久性能
由发动机振动激励所导致的气门室罩盖疲劳特性研究 - 寻找薄弱区域并进行加强。
最大主应力
频率(Hz)
CHC的受激振动应力云图
关键点区域的应力曲线
20
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
一般 铸铝 镁 热固性材 料 Ultramid® 尼龙
4
塑料气门室罩盖的技术要求
必须在最高150摄氏度时维持密封能力； 塑料气门室罩盖产品在注塑后必须保持一定的平整度； 在极端温度条件下，塑料气门室罩盖必须通过制冷剂接触测试； 噪音和振动性能（NVH）必须好于现有的金属气门室罩盖产品； 塑料材料必须具有良好的抗化学性，如发动机机油，变速箱润 滑液，润滑脂及其冷却液等。 塑料气门室罩盖必须抗各种冲击，如机械工具的撞击等。
7
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
8
油气分离：原理
回油 管路
油气分离，即把液体油滴从气流中分离: 1. 2. 3. 惯性过滤系统－较容易实现，但设计难度较大（目前倾向推荐此形式） 过滤介质－ 分离效率高，但是需要经常更换滤芯 静电系统－分离效率高，但是成本较高，且可靠性差
34
宝马
集成多步油气分离 2级旋风分离 1级旋风分离 隔板式分离 压力控制阀
集成涡状进气 道底座
传感器安装孔
Cylinder head cover for BMW 535d 3.0-liter L6 DI Diesel, 200 kW (272 HP) made by Bosch Ultramid A3WGM53 SOP 2005
充分变形后
15
气门室罩盖结构 侧壁加强设计方案
侧壁刚性
直接关系到产品的密封性能 影响产品的振动和噪音辐射性能 如图所示的3种加强方案
侧壁网格状加强筋
内－外双层壁
罩盖内部密集的加强筋
16
气门室罩盖结构分析 耐压性能分析
耐压爆破分析
模拟 PCV 阀门冻结工况 冷启动所可能形成的阀门冻结，会产生很高 的内压。 气门室罩盖必须具有足够的强度来承受此内 压。 寻找设计优化方案，提高耐压性能
2,5
3,0
Wall 壁厚 Thickness [mm]
41
Ultramid®
Dry as molded mechanics rel. to reference
惯性分离系统的种类
容器型
迷宫型（包括孔板类）
来自百度文库
Air is easy to change direction due to small inertia, but liquid particles will trap on the wall or floor due to gravitational force.
CHC耐压失效破坏模式
17
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
模态分析所得到的信息
动态刚度 寻找在指定频率（由试验测定）下产生噪音辐射的区域。
5阶模态 1阶模态 3阶模态
2阶模态
4阶模态
6阶模态
18
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
利用模态分析得到的信息
Step 1 从试验获得关键敏感频率 Step 2 识别模态 Step 3 由设计优化来进行频率转移
37
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
38
Ultramid® 简要介绍
Ultramid High Speed 配方中含有特殊添加剂，由此开发出了创新的分 子链结构 此新型分子链在熔融状态具有超常的运动能力，因此导致超常的注塑流 动性能 但是，在固体状态下，聚合物分子链的排列与普通牌号类似，因此物理 机械性能基本没有变化
14
橡胶材料测试数据
12
反力(N/mm)
10
8
6
4 2
0 0 0.5
压缩量(mm)
1
1.5
2
2.5
3
密封垫圈反力曲线
压缩性能模拟
13
气门室罩盖结构分析 在冷热周期循环工况下的密封性能分析
初始状态－无应力
螺栓预紧状态 – 密封垫圈收到压缩
恒温状态 150℃
温度过渡状态 : -40℃ → 150℃
14
35
丰田/大发
主机厂 丰田/大发 产品应用 汽缸盖罩 进气歧管 发动机 / 车型 1.0L L3 Compact Car Yaris, Vitz, Echo 材料等级 Ultramid B3WG6 BGVW
36
现代
主机厂 现代汽车 应用 汽缸盖罩 发动机 L4 DOHC 材料等级 Ultramid 5268GHSB BK102
锁模力及熔接痕研究
锁模力大小预测 : 选择注塑机规格的参考 熔接痕位置 在关键载荷区域尽量避免出现熔接痕 熔接痕附近合理的冷却水道布置，改善排气问题
锁模力随时间变化图 熔接痕位置
24
气门室罩盖模流分析 玻纤取向及翘曲性能
玻纤取向及翘曲
产品的翘曲影响密封性能
玻纤取向
总体翘曲 X 10
成熟可靠的技术 减少二次加工工续
– 如焊接，喷涂，机加工
成本降低
–模块化设计提供了整体系统成本的降低空间
集成化设计
–油气分离器，挡油板，呼吸器，点火线圈线束支架，线圈支架等
减重 Ultramid® 尼龙材料良好的回收加工性能
3
不同材料气门室罩盖的比较
优势 缺点 冲压金属
材料成本 二次加工性能 设计集成性 重量 回收性能
+ 50%
2.5
3.0
Ultramid® 螺旋线流动长度
注塑压力 1000bar, 料温/模温 280°C/80°C
80 A3WGM53 High Speed 70 PA66GF25M15 Reference
Spiral Length [cm]
60 50 40 30 20 1,0 1,5 2,0
+ 50%
结构传递噪音 – 对比声功率强度等级
比较不同设计方案的声功率等级来寻找可以有效降低噪音辐射的设计。 辐射声压的方位特性。
声功率l(dB)
频率(Hz)
由发动机振动激励所引起的辐射噪音
辐射声压
21
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
结构拓扑优化研究
拓扑优化技术为我们新设计方案以及适当结构优 化的指导 为降噪而进行的加强优化方案。
残留应力 (产品正面) 残留应力 (产品反面)
27
气门室罩盖模具设计 浇口设计实例
Single side gate
31 2.5
Dual side gate
24 2
28
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
29
欧宝
1994
欧宝 汽缸盖罩
集成油气分离
喷漆后
车型 : 发动机类型 : 供应商 : 材料:
Omega, Senator 柴油机 1.8L / 2.0L, L4 Thermoplast Ultramid® A3WG5
油气分离设计
30
喷漆前
雷诺
车型 : 发动机 : 供应商 : 材料 : Megane 汽油机 F7R 2.0L, L4, 16V MGI Ultramid® A3HG7
气门室罩盖结构分析 在冷热周期循环工况下的密封性能分析
密封法兰特性
影响热变形的参数 - 材料刚性 / 几何形状 / 垫圈反力 垫圈形变量研究 - 垫圈形变量必须控制在一定的允许范围内 校验垫圈密封压力，预测密封性能
L4 L3 L5 L6 L7 L8 L10 L9 L11 L12
变形前
不同状态下密封段的变形图
密封法兰垂直方向翘曲 X 10
25
气门室罩盖模流分析 密封法兰翘曲度
总体翘曲
X方向翘曲
Y方向翘曲
Z方向翘曲
26
气门室罩盖模流分析 注塑残留应力
注塑残留应力预测
冷热周期循环后产生的变形，很大程度上是由于产品内部存在注塑残留应力，以及与密封 垫圈的相互作用所造成的。 寻找设计优化方案，最大限度地降低注塑残留应力
No labyrinth
A
B Current design of baffle plates
Mist inlet Oil drain Proposed design of baffle plates
11
油气分离分析
关于油气分离, 巴斯夫能在客户提供的CAD数据基础上进行如下模拟分析服务: 1. 2. 3. 4. 压力降控制 气流路线优化 不同直径油滴分离效率 迷宫或旋风分离设计优化
5
技术难点
1. 镙栓间距太大，导致泄漏 2. 镙栓区域机械负荷太大， 导致蠕变 3. 法兰密封区域强度不足， 导致泄漏 4. 法兰面平度不好，导致泄 漏 5. 太多的平面结构,导致噪声
6
解决手段
1. 尽量缩小镙栓间距,尽量不要大 于100MM（主机厂决定） 2. 使用金属嵌件或改进的镙栓设计 减少镙栓孔机械负荷 3. 优化法兰面结构强度设计(BASF CAE) 4. 减少翘曲(BASF CAE) 5. 优化平面结构,减少噪声(BASF CAE)
塑料气门室罩盖的技术难点及 巴斯夫应对方案
Michael Sun Auto Market Development, Engineering Plastics Greater China
1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
2
塑料气门室罩盖的开发原动力
加强筋位置布局优化
Rib pattern applied in cover design
22
气门室罩盖模流分析 流动填充模式
流动填充模式研究
充模时间研究：流动平衡，滞留，困气 流动前锋温度分布 型腔压力分布
填充时间
流动前锋温度分布
型腔压力分布
23
气门室罩盖模流分析 锁模力及熔接痕研究
1996 雷诺汽缸盖罩 (集成油气分离系统及点火系统)
31
宝马 ( M47 and M57)
1998 博世公司制造 宝马3.0L 柴油机汽缸盖罩
用 Ultramid® A3WGM53制 造的汽缸盖罩
32
宝马 ( M47 and M57)
集成功能:
- 油气分离 - 空滤 - 空气流量计 - 进口噪音抑制装置 - 涡状改进型进气管道
39
Ultramid® 螺旋线流动长度
注塑压力 1000bar, 料温/模温 280°C/80°C
70 A3WG7 High Speed 60 50 40 30 20 1.0 1.5 2.0 Wall 壁厚 Thickness [mm]
40
Spiral Length [cm]
PA66GF35 Reference
Oil seperation result
80 70
Efficiency (%)
60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Diameter (μm)
12
气门室罩盖结构分析 密封垫圈研究
密封垫圈的特性
Step 1 橡胶材料特性 可从密封垫圈材料供应商处获得 Step 2 密封垫圈压缩性能模拟 得到密封垫圈的压缩量－反力曲线图 Step 3 气门室罩盖 + 密封垫圈 相互作用力分析
1998
BMW CHC module
made of Ultramid A3WGM53 with integrated functions
33
宝马 ( M47 and M57)
集成进气道
集成3步油气分离装置
集成空滤壳体 集成UltradurB 4300 G6 制造的空气流量计
Cylinder head cover for BMW 3.0-liter L6 DI Diesels, made by Bosch from Ultramid A3WGM53, SOP 1998
非主动旋风分离系统
10
油气分离：初始设计修改建议
Oil & air separation
In current design there are several small inlets and oil drain, judging from the design of labytinth, Oil & air mixture coming into “A” cannot be separated effectively. BASF propose simpler and effective baffle plate shape. Air outlet Air outlet Air outlet Mist inlet Air outlet Oil drain
3rd Mode
Step 1关键敏感频率
Step 2 识别模态
Step 3设计优化
19
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
耐久性能
由发动机振动激励所导致的气门室罩盖疲劳特性研究 - 寻找薄弱区域并进行加强。
最大主应力
频率(Hz)
CHC的受激振动应力云图
关键点区域的应力曲线
20
气门室罩盖结构分析 NVH 性能的研究
一般 铸铝 镁 热固性材 料 Ultramid® 尼龙
4
塑料气门室罩盖的技术要求
必须在最高150摄氏度时维持密封能力； 塑料气门室罩盖产品在注塑后必须保持一定的平整度； 在极端温度条件下，塑料气门室罩盖必须通过制冷剂接触测试； 噪音和振动性能（NVH）必须好于现有的金属气门室罩盖产品； 塑料材料必须具有良好的抗化学性，如发动机机油，变速箱润 滑液，润滑脂及其冷却液等。 塑料气门室罩盖必须抗各种冲击，如机械工具的撞击等。
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1 | 开发目的与技术难点 2 | 开发流程与技术支持 3 | 成功案例 4 | 创新材料
8
油气分离：原理
回油 管路
油气分离，即把液体油滴从气流中分离: 1. 2. 3. 惯性过滤系统－较容易实现，但设计难度较大（目前倾向推荐此形式） 过滤介质－ 分离效率高，但是需要经常更换滤芯 静电系统－分离效率高，但是成本较高，且可靠性差
34
宝马
集成多步油气分离 2级旋风分离 1级旋风分离 隔板式分离 压力控制阀
集成涡状进气 道底座
传感器安装孔
Cylinder head cover for BMW 535d 3.0-liter L6 DI Diesel, 200 kW (272 HP) made by Bosch Ultramid A3WGM53 SOP 2005
充分变形后
15
气门室罩盖结构 侧壁加强设计方案
侧壁刚性
直接关系到产品的密封性能 影响产品的振动和噪音辐射性能 如图所示的3种加强方案
侧壁网格状加强筋
内－外双层壁
罩盖内部密集的加强筋
16
气门室罩盖结构分析 耐压性能分析
耐压爆破分析
模拟 PCV 阀门冻结工况 冷启动所可能形成的阀门冻结，会产生很高 的内压。 气门室罩盖必须具有足够的强度来承受此内 压。 寻找设计优化方案，提高耐压性能
2,5
3,0
Wall 壁厚 Thickness [mm]
41
Ultramid®
Dry as molded mechanics rel. to reference