汽车汽缸盖罩

金属前代产品的机械靠模。经证实, 这 连接。气缸盖罩内的挡油板或过滤
化效应。根据具体的接触情况, 材
给早期的PA66气缸盖罩带来了很多不 器用来尽量避免机油流向进气道。
料特性通常将降低10%到20%。
利因素。高温及这些材料的蠕变使密 封件松弛, 导致漏油, 特别严重时还可 能引起着火, 有时生产厂家还不得不 因质量问题而召回产品。因此到1986 年, 尼龙气缸盖罩几乎从市场上销声匿 迹。然而, 塑料气缸盖罩的概念并未消 亡。下一阶段的研发主要集中在团状 模塑料（BMC）／片状模塑料（SMC）的 应用, 这种材料可以最大限度地降低蠕 变, 并使设计具有更大的修改空间。
单独成型的零件 气缸盖罩有时具有内部挡板, 用于机油 加注或曲轴箱通风。由于存在模锁, 这些部件通常不可能在内部成型。 因此, 它们需要单独成型并且通过以
图 5。
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设计成功的 PA66 材质摇臂罩

下三种方法之一连接到气缸盖罩。最 简单的方法是扣合件。扣合件成本低 且使用迅捷, 但主要问题是失效后会导 致功能不正常或发动机损坏。扣合件 的一个替代方法是机械紧固件, 由于较 为复杂而不常用。另外, 机械紧固件还 在气缸盖罩内占据相当一部分空间。
制造工艺
图 3。
紧密地安装到气缸盖上。这样, 所 有噪声都将从发动机传递至气缸 盖罩。通过使用带肩螺栓和橡胶垫 圈隔离摇臂罩, 可以显著减少噪声 传递。图3所示为该隔离系统。
气缸盖设计 密封面或气缸盖设计是一个关键的设计
请考虑以下制造工艺及其 各自的相对优缺点。
成型技术 注塑成型是应用最广泛 的气缸盖罩制造方法。 此方法使材料出模后直 接就是成品, 但务必保 证设备得到充分且均 匀的冷却, 从而确保零 件的成型应力最低。
最常用的方法是焊接。零件结构将决定 要使用的焊接方法：旋转焊接、振动焊 接或感应焊接。焊接不但为零件提供了 良好的密封性, 而且显著降低了复杂程 度。由于实质上是一件零件, 因此不存 在与扣合部件相关的失效问题。焊接的 一个缺点是必要设备和夹具的成本。
另一种可考虑的连接形式是粘接。 新型环氧基粘合剂具备焊接的优点 且没有附加成本。此方法存在一个时 间问题, 因为多数环氧基粘合剂需要 一小时或更长时间固化。粘结连接法 通常与扣合方法结合使用, 形成一种 夹固方法并提供额外的失效保护。
此外, 使用填模模拟也很重要。
另一种方法即模压成型通常很容易 被忽视。但是对于盒状气缸盖罩, 模 压成型非常适合。虽然成型后精加工 有时会使成本高于注塑成型零件, 但 是如果只需少许成型后精加工, 此方 法实际上可以降低零件总体成本。
传递成型是模压成型的变异, 它也非 常适合气缸盖罩应用。此方法使用 类似于注塑成型的封闭式模具, 但具 有压模成型的较快成型周期。泛达 PA66一直应用于这些工艺中, 经过 专门配方后非常适合这些工艺。
通过汇总所示数据, 可以清楚地表明PA66 是一种非常适合气缸盖罩应用的材料。
图 7。
行业趋势
在汽车行业中, 近来出现的一个明显 趋势是零件集成, 气缸盖罩也不例外。 通常, 这种集成包括气缸盖罩和空气 滤清器壳体或进气歧管的集成。
人们最容易想到的集成无疑是进气歧管 了。气缸盖罩和进气歧管都安装在气 缸盖上, 使它们成为合理的集成选择。
20世纪90年代中期, PA66气缸盖罩的研 发工作重张旗鼓。失败乃成功之母, 正是早期PA66气缸盖罩的失败经验成就 了如今PA66在该应用中的飞速发展。
气缸盖罩的功能 虽然某些气缸盖罩独具特色, 但所有气 缸盖罩都有一些通用功能。第一个且 最基本的功能是遮盖并密封气缸盖, 将 机油保持在内部, 同时将污垢和湿气 等污染物隔绝于外。这听起来似乎简 单, 但通常是最难做好的一个方面。
另外两个环境因素是老化及与机油 接触。泛达R533H等产品中的稳定 剂体系使得这些材料在长期高温下 特性不会有显著变化。尼龙66在机
蠕变通常表现为载荷或应力松弛 下的变形。它是压紧力和螺栓载荷 的主要问题, 并且在温度的共同作 用下, 还需更多考虑这种因素。
与材料相关的因素应该在设计的早期 阶段解决。在有限元分析中结合使用 信息时, 可以在各调整级别考虑材料 特性。如果使用了数据表特性但未考 虑调整级别, 将导致最终零件失效。
图7所示在150°C时, PA66的蠕变大于 PPS和PPA, 但未接近失效点。如果在设 计阶段妥善解决、这不会给成品零件造 成失效威胁。 最后一个与材料相关的问题是长期接触 热空气和热机油。PA66非常容易具有热
图 9。 稳定性, 可以应对长期接触热空气的情 况。图8中的数据显示PA66完全可以长 期接触150°C的空气而不会产生任何 问题。
材料特性
有效的气缸盖罩设计需要各种材料特 性共同作用。其中第一种特性是材料硬 度。材料的硬度将压紧力从紧固件传递 到密封件。PA66在各种温度下具有卓越 的硬度, 使压紧力得以传递。
一直以来, 我们对PA66有一个误解, 即它在高温下不具备与高温树脂相同 的特性。然而, 如图6所示, 在150°C时, PA66的硬度与聚苯硫醚（PPS）及聚邻 苯二甲酰胺（PPA）相近。一般情况下, 150°C是气缸盖罩所承受的最高温度。
PA66较之于它所取代的金属具有 更低的硬度和密度, 因而会削弱降 噪功能。人们可以通过声学分析来 找出有噪声问题的区域, 通常这些 问题可以通过为零件增加加强筋或 轮廓以提高其表观模量来解决。
另一种降低噪声的方法是将气缸盖 罩隔离。通常, 我们考虑将气缸盖罩
图 4。
考虑因素。在冲压钢摇臂罩时代, 由于 钢的高模量, 制造商使用4到10个螺栓压 紧密封面。PA66也具有高模量, 但它不 能与钢相提并论。有限元分析将有助于 确定需要多少个螺栓才能获得均匀的压 紧力。图4中所示的气缸盖罩采用14个 螺栓来实现适当的密封。另一个与螺栓 布置相关的关键问题是需要圆角螺栓。 它们可提供均匀的压紧力并消除泄漏通 道。在泛达, 人们数十年来一直十分关 注这一设计因素。这一点从大约在1980 年出版的《泛达气缸盖罩设计手册》中 便可见一斑(如图5所示)。
在冲压钢的应用潮流中, 顶置凸轮轴（OHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）发动机成为一
作者：Charles Taylor
个显著的例外。由于这些发动机的设计更为复杂, 无法使冲压钢成形来符合各种各
首诺(Solutia Inc.)公司。的汽车研发专家 样的气缸盖罩轮廓, 因此铸铝成了最常用的材
Charles Taylor 拥有东密歇根大学塑料 技术理学士学位。
有时还会采用聚酰胺橡胶（PA）。 PA与VMQ相比具有较低的机油 溶胀性和均衡的特性。PA在低温 下同样表现不佳并且会泄漏。
噪声、振动和声振粗糙度 (NVH)
当今的客户期望他们的汽车噪声更小, 并且法规要求更低的驾驶噪声级别。 因此, 在气缸盖罩设计中, 噪声、振动和 声振粗糙度（NVH）是一个重要问题。
图 6。
图 8。
在一些情况下, 空气滤清器壳体显然 更适合集成到气缸盖罩内。由于考虑 到更大的组装灵活性和更加简便的
材料相关的考虑因素 所选材料的特性是首要设计考虑因 素。PA66是一种热塑性塑料, 因此其特 性会随着环境变化。使用增强材料可以 减弱环境变化的影响, 但这种影响在某 种程度上仍会发生。
这些环境因素中最重要的是温度。对于 泛达R533H（PA66，33GF）等典型气缸盖 罩材料, 在从23°C移至150°C的环境时 其强度将损失一半。这种特性下降对于 所有聚合材料都是正常的, 应该在设计 过程的开始阶段予以考虑。
TM
的六缸发动机的一部分投产。此次合作的 主要目标是减轻重量, 泛达R400G将重量 从3.91磅（采用冲压钢）减轻至1.96磅。
上为图 1，下为图 2。
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设计成功的 PA66 材质摇臂罩

事实上, 此零件及许多其它零件都是其 管接头、螺纹管接头或快换接头来
油中也非常稳定, 但它确实存在塑
要实现良好的压紧力传递, 另一个要考 虑的问题是翘曲。如果零件由于翘曲而 变形, 它将无法均匀地传递压紧力。通 常可以采用适当的模具设计和浇口来解 决该问题。对于某些长气缸盖罩, 这还 不足以解决该问题。这种情况下, 需要 使用低翘曲材料。典型的气缸盖罩可以 使用含有33%玻璃纤维的PA66（例如泛 达R533H）制造。如果需要更低的翘曲, 含有玻璃纤维和矿物质的材料（如泛达 R400G）将非常适用。
气缸盖罩的第二个功能是将机油与空气 隔离。在发动机的运转过程中会形成 油雾。气缸盖罩较冷的内表面会聚集 油雾, 使机油冷凝并向下流回机油壳。
气缸盖罩还肩负曲轴箱通风的责任。 当活塞在气缸中运动时, 发动机内部 会集聚压力。如果置之不理, 此压力 会使各个密封件泄漏, 导致发动机效 率降低。为了避免这种情况, 用一个 管子连接气缸盖罩和进气道, 以便燃 烧通风空气。该管可以使用带槽软
零件不仅必须提供足够的压紧力, 还必须 长期保持压紧力。导致压紧力下降的常见 原因是蠕变（图7）。如上所述, 气缸盖罩 中的大部分蠕变可以在设计阶段处理。 所选材料在这方面可以产生显著影响。
接触热机油是该问题的另一方面。在发动 机中, 机油与酸性燃烧副产物接触, 后者可 以溶解到热机油中。酸对PA66有影响, 但 图9中的测试表明这不会成为问题。
料。在20世纪80年代早期, 首批尼龙66气缸盖 罩问世。所有主要OEM当时都采用了尼龙66
气缸盖罩, 并且几乎所有OEM已将此项技术引
入自己的某款发动机中。

当时, 仍隶属于孟山都的首诺®公司, 就在 该应用中采用了泛达™R400G材料。该材 料是一种含有40%玻璃纤维和矿物质填充 材料的尼龙66, 至今仍在气缸盖罩设计中 采用。最初设计是与现由克莱斯勒所有的 AMC合作完成的（图 2）, 并作为1981 258 CI
目前最为广泛采用的系统是VMQ合成 橡胶。VMQ是一种成型硅橡胶, 温度 范围非常宽泛。但是, 其密封力保持性 能差并且通常会渗油是人所共知的。