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工程塑料应用于船舶引擎0橡胶油封

荣杰五金网 2022-09-15 09:51:54

工程塑料应用于船舶引擎

工程塑料应用于船舶引擎 2011年12月04日来源：工程塑料和船舶引擎已犹如“鸭子和水”一样密不可分。工程塑料具有良好的耐腐蚀性及不断提高的结构性能，它正逐步取代引擎内外零件所用的金属材料。只需看一下Mercury Marine公司最新船舶的舷外，即可知道这种发展趋势。该公司的225-275马力6缸Verado引擎（其系列中首款超动力4冲程发动机），便使用了聚合物材料来制造进气管、凸轮盖、引擎控制箱以及有助于减少引擎空转噪声的消音器和压力通风器。三件优于一件船舶引擎罩很早以前便开始用塑料制造，大多数单件设计均采用片状成型塑料 (SMC) 或热成形塑料。但Verado新引擎罩则由三件注塑成型塑料罩组成，顶罩具有极薄的厚度，由33%玻璃填充尼龙制成，尺寸为33.5× 22.9× 16.4英寸，重11.3磅。Mercury塑料工程师将其称为“世界上最大的注塑成型装饰尼龙零件”，材料供应商杜邦工程塑料公司也赞同这种看法。引擎后罩也采用同样的尼龙制成，与顶罩接缝，并用一个铝制结构件将引擎和船连接。最后，用两片玻璃及矿物填充的杜邦Minlon尼龙制成的较小前罩，与前两件罩一起组成引擎的顶壳。和SMC零件相比，尼龙零件节省的喷漆成本大约占零件总成本减少的46%。引擎罩还采用了其他几个成型塑料零件。顶罩上带有进气用的PC/PBT气坝帽，后罩上带有Mercury公司用尿烷粘合剂粘上的单独成型的66号尼龙结构肋条。最后，Verado还使用了一个用于罩住主动轴箱的底壳。尽管其设计主要还是传统的，但Mercury公司工程师采用杜邦Sorlyn ionomer这种以其高光泽度及模塑色彩而闻名的热塑性塑料来制造引擎的底壳。

增压：通过增加一个增压器及专利多件式尼龙机罩设计，Mercury Marine 公司的新型Verado 引擎创下了4 冲程船用引擎的新记录

整个装配初看似乎有点复杂，毕竟迄今为止船舶引擎顶罩大多数仍为简单及单件式形状。Mercury公司设计总监John Zebley甚至将那些早期的设计称为“带密封的倒扣废罐。”而采用注塑成型塑料以及将罩分成几件，可使Mercury公司的设计具有以下几个方面的优势。最大的优势是减少成本。Sheth解释说，和SMC零件相比，尼龙零件用更少的涂料即可达到A类表面的标准。“它们还具有更少的缺陷（如桔皮等），这能提高我们的良品率。”他说。而且底壳（以其模塑颜色）无需再喷任何油漆。Sheth估计，和SMC零件相比，所节省的喷漆成本大约占零件总成本减少的46%。另一项优势是重量减少。Mercury公司引擎罩项目工程师Tom Walczak指出，传统的SMC罩其重量要占整个引擎重量的20%。以35磅的重量，Verado机罩比SMC罩重量要轻大约30%，而这种重量的减少使其在（这个将性能和功率密度视为同等重要的）行业中显得尤其卓尔不群。

安静下来：为减少NVH，Mercury 公司采用了一种系统方法，不仅包括罩设计，而且也包括一个用于消除增压器噪声的消音器、驱动链中经过改进的排挡质量以及精心调整过的进气系统等。Mercury 公司的测试表明了Verado 引擎为何能优于其他竞争产品

一些重量减少归结于热塑性塑料优于SMC的特有比重优势，不过成型塑料所具有的设计自由性也对此有一定贡献。Sheth指出，塑料零件具有相对较薄的额定壁厚，而SMC零件在成型时需要对某些区域进行适当“加厚”。而且注塑成型零件具有压缩成型零件所没有的成型特性。例如，Walczak引用了Verado机罩的专利集成闩锁系统，这在以前是一些单独的铰链装配点、电缆导线以及在顶罩中成型的托架。这种设计集成通过消除栓定式闩锁而能减轻一些重量，此外，它还能在46%喷漆成本减少的基础上进一步减少装配的成本。多件式机罩的自然特性同样能实现一些重要的设计目标——一些和引擎封装及外观整洁有关的目标。Verado引擎的6冲程配置与超动力导致其高度较大。Zebley说，机罩的对角线接缝与外观式样“有助于减轻重量。”为在这种工业设计目标与工程需求之间取得平衡，Mercury公司工程师和设计师们从项目一开始就紧密合作，并常常相互做出一些妥协。例如，工程师希望在引擎零件中留下一些空隙以便气流通过，他们还希望留下一些晃动区以便引擎零件间相对运动，以及一个和Verado引擎的铝制安装结构牢固连接的机罩。Walczak说，工业设计师最终“牺牲了一些花样设计”来满足工程所需的空隙。

将机罩分开还解决了经典的通风角度问题。如果没有足够的通风，就几乎不可能采用这种细高及桶形的机罩。即使少量的通风也会使机罩的底部熔化，且宽度还会受船上26英寸引擎安装空间的限制。“将机罩分开很好地解决了零件的通风角度问题。” Walczak说。

工作中：Verado 引擎罩得到了最多的专注，但Mercury公司还在引擎内使用了工程聚合物材料（工程塑料）。该公司使用增强尼龙来制作进气管（下图）、油箱（中图）及凸轮盖。此外，该公司还用塑料来制作引擎控制箱，以及帮助减少引擎空转噪声的消音器和专利压力通风器等

最后，分开的机罩还增加了一项重要的特性——易使用。不像以前需要将笨重的单件式机罩从船外提起，驾船者现在在船内即可打开顶罩闩锁并取下它。坚固的材料引擎罩必须能抗得住船外各边上的冲击负载——无论是在船的吃水线以上还是以下。除其在外观上装饰Verado引擎的作用外，引擎罩还必须扮演结构上的角色以保护引擎。Mercury Marine公司将该引擎罩设计成能抵抗住相当于一个重200磅、穿10码鞋子的壮汉站在引擎盖顶部这样的静态载重。“人们似乎不应该这样进入船内，但有些人就是喜欢这么做。” Walczak说。而且引擎罩还必须能抗得住船外各边上的冲击负载——无论是在船的吃水线以上还是以下。Marine公司曾进行过一项测试，即将一段假圆木迅速撞向浸在水中的变速箱，迫使引擎剧烈地翘出水面。据Walczak介绍，这种测试可产生300G的冲击负载，并最终传向引擎罩零件。这种测试如此严酷，以至于使一些公司的其他冲击试验几乎都变成了一种形式。“如果引擎罩能抗住圆木撞击试验，则它能承受住我们扔向它的任何其他东西。” Walczak说。随着引擎罩的成熟，确保它通过这种测试需要进行一些设计改进。例如，Walczak和Sheth即在后罩里面增加了一根结构肋条，以帮助将其与引擎结构相连。Mercury工程师用一种结构性尿烷粘合剂来粘结肋条，使其具有超过500 psi的粘结切变强度。肋条在这种情况下还不能模制，因为肋条硬度容易受用于将这种马蹄形零件从模子中取出的）独特出坯系统（一种由CDM工具与制造公司开发的专利“浮岛”设计）的影响。“罩需要用工具来弯曲以便从模子中取出。” Sheth 说。适当的材料很好地了解材料性质也有助于零件满足在各种环境和温度条件下的结构要求，而这些条件又往往会降低塑料的工作机械性质。在选择一种适当材料时，Sheth必须考虑到很多这些因素：罩零件会遇到高达华氏230度的高温以及暴露于紫外线、盐水、雨雪以及从燃油到洗涤剂等各种化学物质下。对A类表面的需求使这种选择变得更加复杂。“玻璃填充66号尼龙是同时具有足够结构与美学价值的最便宜的材料。” Sheth说。

但即使选择了适当的尼龙也未必能提供引擎罩工作所需的条件。在选择一种材料前，Mercury工程师用ANSYS软件对罩进行了广泛的有限元素分析，且这种分析告诉Sheth，他需要一种至少具有700 kpsi挠曲模数的材料。这一数字很好地落入了增强型66号尼龙的能力范围。事实上，Mercury使用的尼龙大约具有1300 kpsi的挠曲模数。不过Sheth的丰富塑料经验告诉他，该材料在现场不可能处处都表现得很好。“在考虑了潮湿、热及化学腐蚀等影响后，我们需要一种具有700 kpsi挠曲模数的材料，”他说，“而这是FEA没有告诉我们的。”广泛的材料测试告诉他（这也正是他需要知道的），1300 kpsi的挠曲模数在引擎实际工作条件下大约为800 kpsi。“这对于我们的应用来说仍够用。”他说。Sheth还花了大量精力来预测及控制罩零件中的玻璃纤维方向。方向很明显会影响结构性能，但除此之外它还会影响材料的收缩性与弯曲性，而这可能会破坏罩组件的配合。“罩顶部与底部的收缩必须一致，” Sheth说。而且玻璃纤维相对于零件表面的位置也会防碍其达到A类表面的能力——如果纤维集中在树脂表面的话。在设计阶段，Sheth进行了模填充分析，以检查在各种不同选通情况及成型条件下纤维在零件中的排列方向。稍后，他又和Mercury公司的模具供应商Bemis制造公司及杜邦公司的专家一起，对成型方法以及影响纤维方向的条件进行了仔细调整。例如他们决定用顺序阀门选通工具来成型顶罩，这有助于通过控制填充方案来管理纤维方向。保持安静 Verado罩的另一个重要作用是减少引擎噪声、振动和刺耳声 (NVH)。引擎罩并不是完全能屏蔽噪声。“为使引擎安静已经采取了很多措施。” Mercury公司研发部引擎设计总监Tim Reid表示。他举出了Verado引擎的几个例子，包括改进驱动链中的排挡质量、精心调整进气管系统、调整空档排放的压力通风系统，以及消除一些增压器转子噪声的消音器等。引擎罩能帮助使引擎安静，并抵消掉一些由增压器带来的噪声。不过引擎罩无疑能帮助使引擎安静，并抵消掉一些由增压器带来的噪声。“在设计引擎罩以前，从早期引擎原型上测得的噪声指标让我们有些担心。” Walczak回忆说，“无罩Verado引擎最初的噪声指标要高于我们一些无罩竞争产品的噪声指标。”然而设计小组并未满足于这种噪声大的引擎。Walczak回忆说，他们投入了大量的精力来优化引擎的进气系统，包括罩顶部的气坝几何形状以及进气管通道等。噪声考虑也反映到了材料选择过程中。Sheth说，他审查了动态机械分析数据，并呼吁在选择引擎罩材料以前在板样品上进行声传播实验。他们的努力得到了回报。“我们相信我们拥有此类引擎中最安静的产品。” Walczak说。Joseph Ogando为Design News高级编辑，您可以通过以下email地址和他联系： jogando@reedbusiness.com 。原载DESIGN NEWS ChinaMercury 公司的Verado 引擎罩设计在2004 年举行的“国际结构塑料会议”上带回了两项设计奖。其顶罩在会议设计竞赛中以其最富创新的设计而赢得会议奖，整个机罩则赢得了由美国工业设计协会与Plastics News（塑料新闻）杂志赞助的“最受欢迎奖”。(end)