0 引言

    近年來(lái)，隨著科技發(fā)展和市場(chǎng)需求，汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)是優(yōu)化系統(tǒng)成本、提高生產(chǎn)率、促進(jìn)可持續(xù)性以及減少環(huán)境污染。主機(jī)廠希望在保證汽車(chē)性能和質(zhì)量的前提下，汽車(chē)的制造工藝越來(lái)越簡(jiǎn)化，汽車(chē)的制造成本控制的越來(lái)越低。而作為消費(fèi)者當(dāng)然是希望汽車(chē)在高性?xún)r(jià)比的條件下油耗越低越好。發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼作為潤(rùn)滑油的儲(chǔ)存室是汽車(chē)上重要的安全部件，現(xiàn)在正朝著低成本、輕量化的方向發(fā)展。目前市場(chǎng)上發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼以鋼制和鋁合金油底殼為主廣泛應(yīng)用在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中。與此同時(shí)，具有優(yōu)異性能的塑料油底殼也逐漸崛起。早在2007 年之前國(guó)外就已經(jīng)將SMC（片狀模塑料）復(fù)合材料材質(zhì)的油底殼應(yīng)用于載貨車(chē)的發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)中。2010 年康明斯ISF 系列柴油發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了伊頓生產(chǎn)的聚酰胺塑料油底殼，此款油底殼是中國(guó)第一款量產(chǎn)的塑料油底殼。塑料油底殼的出現(xiàn)無(wú)疑順應(yīng)了汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

    1 油底殼的特點(diǎn)

    作為油底殼必須滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度，如高強(qiáng)度、高剛度和耐高溫等特點(diǎn)。

    1.1 塑料油底殼的特點(diǎn)

    塑料油底殼采用如，SMC 復(fù)合材料、BASF 的聚酰胺、帝斯曼的PA6 等工程塑料通過(guò)注塑成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)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(yīng)用中對(duì)其剛性、抗沖擊性和耐化學(xué)性的要求。塑料油底殼在隔熱、減振降噪等方面也具有優(yōu)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(shè)計(jì)自由度，如可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的油底殼，根據(jù)CAE 分析出的易受力失效區(qū)域，可進(jìn)行加高保護(hù)筋等成型方式消除隱患。另外，在生產(chǎn)成本方面，注塑生產(chǎn)塑料油底殼既可以減少模具制造過(guò)程中所產(chǎn)生的費(fèi)用，還可以縮短其后續(xù)的機(jī)械加工工序環(huán)節(jié)。再者生產(chǎn)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(chǎn)成本也比鋁合金油底殼減少15%~45%。

    1.2 鋼制油底殼的特點(diǎn)

    鋼制油底殼是選用薄鋼板通過(guò)沖壓的形式制造的，沖壓油底殼在制作生產(chǎn)的過(guò)程中具有成本低、效率高和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，而且在使用性能方面具有高剛性、高強(qiáng)度、耐高溫等特點(diǎn)。但是其在應(yīng)用上只適合于那些結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)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(huán)境。由于油底殼位于發(fā)動(dòng)機(jī)底部，要經(jīng)受超強(qiáng)的機(jī)械壓力，例如路面上飛起的石子或汽車(chē)開(kāi)至人行道時(shí)路面臺(tái)階造成的沖擊。飛石在外表面的每一次撞擊，都會(huì)在油底殼的內(nèi)表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，這些拉伸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致內(nèi)表面生成難以檢測(cè)出來(lái)的微裂紋，在發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)使用過(guò)程中這些微裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大以致油底殼開(kāi)裂。油底殼屬于薄殼體結(jié)構(gòu)，它的固有頻率低，容易與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火激勵(lì)等機(jī)體低頻振動(dòng)的頻率接近，導(dǎo)致油底殼因共振而出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。加強(qiáng)肋的撕裂作用也是導(dǎo)致油底殼開(kāi)裂失效的主要原因，當(dāng)油底殼加強(qiáng)肋的強(qiáng)度太低時(shí)，在外界交變載荷、低頻振動(dòng)、彎曲振動(dòng)等外力作用下易造成斷裂，加強(qiáng)肋斷裂后與薄板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加劇，薄板便在交變載荷的作用下，產(chǎn)生疲勞斷裂或被撕裂。

    另外，在實(shí)際使用中油底殼的使用溫度可高達(dá)160℃，大多須在110℃~140℃溫度間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。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(yùn)輸過(guò)程地中，都不可避免地受到熱、光、空氣、水分、生物和機(jī)械應(yīng)力等外界因素的作用，會(huì)產(chǎn)生氧化、水解、降解、交聯(lián)、支化和結(jié)晶等各種化學(xué)、物理變化，致使分子組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)和分子量發(fā)生改變，最終導(dǎo)致塑料油底殼的物理、化學(xué)性能變化，使其重要應(yīng)用性能如強(qiáng)度、剛度等變差而失效。

    由于油底殼是處于發(fā)動(dòng)機(jī)底部，所處的環(huán)境溫度較高而幾乎無(wú)光照，其老化的外在因素主要是熱影響和機(jī)械應(yīng)力。油底殼采用的高分子聚合物中若含有活潑側(cè)基，在溫度影響下側(cè)基易與主鏈脫離，導(dǎo)致主鏈的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得大分子主鏈出現(xiàn)不飽和現(xiàn)象，另外高分子聚合物在高溫作用下大分子主鏈也會(huì)發(fā)生斷裂，出現(xiàn)熱降解后果。此外，塑料還會(huì)與氧氣發(fā)生氧化降解，使高分子聚合物的分子量降低，并分解產(chǎn)生大量的醛、酮、酸的氧化產(chǎn)物。

    塑料油底殼也存在老化的內(nèi)在因素，主要包括高分子聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，分子量及其分布、物理形態(tài)和其立體規(guī)整性。

    2.2 鋼制油底殼的失效分析

    針對(duì)鋼制油底殼失效模式以腐蝕和開(kāi)裂為主。鋼制油底殼一般都經(jīng)過(guò)涂裝，當(dāng)涂層遭到破壞后，裸露的金屬基體在腐蝕介質(zhì)的作用下發(fā)生腐蝕反應(yīng)，尤其是在沿海環(huán)境中高濃度的氯離子和工作中高溫的油底殼會(huì)大大加快點(diǎn)蝕的速度，最終油底殼被腐蝕透而報(bào)廢。

    在以開(kāi)裂為主的失效模式中也存在應(yīng)力腐蝕（見(jiàn)圖1），產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力主要是其中的靜態(tài)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(huì)在油底殼的內(nèi)表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力；或裝配力（例如擰螺栓的力、脹接力等）引起的應(yīng)力，中的靜態(tài)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(nèi)表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力；或裝配力（例如擰螺栓的力、脹接力等）引起的應(yīng)力，也可以是構(gòu)件在加工、熱處理、焊接等過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。不管來(lái)源如何，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的應(yīng)力必須有拉伸應(yīng)力的成分，在靜拉伸力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下將導(dǎo)致金屬的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。它與單純由應(yīng)力造成的破壞不同，這種腐蝕在極低的應(yīng)力條件下也能發(fā)生；它與單純由腐蝕引起的破壞也不同，腐蝕性極弱的介質(zhì)也能引起腐蝕開(kāi)裂。它往往是沒(méi)有先兆的進(jìn)展迅速的突然斷裂，容易造成嚴(yán)重的事故。因此它是一種危害性極大的破壞形式。

    3 結(jié)論

    根據(jù)目前汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)看，塑料油底殼因其具有的減重、降噪、低成本、高效率等優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越廣泛使用在發(fā)動(dòng)機(jī)上。

    從油底殼的失效分析看，兩種材質(zhì)的油底殼失效均以開(kāi)裂為主。鋼制油底殼主要以應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂失效為主，同時(shí)涂層破壞后的腐蝕也不容忽視。塑料油底殼除了受力開(kāi)裂，其受熱、氧等影響發(fā)生的老化失效也將是今后在塑料油底殼設(shè)計(jì)和選材中關(guān)注的重點(diǎn)。

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