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汽车涡轮增压器用纤维增强树脂代替铝合金 |
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newmaker |
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近年来，汽车轻量化技术已经被广大汽车企业所高度认同和重视，骨干汽车企业都在加大投入，在确保和提升车辆安全性的基础上不断提高产品的轻量化技术水平，汽车轻量化技术创新战略联盟各项工作也取得了较好的进展，已经被国家科技部列为首批试点联盟之一。
由于纤维强化树脂的强度比高强度钢还高，而密度仅为1.5g/cm3~2.0 g/cm3，比铝合金还要低。利用纤维强化树脂制造压气机叶轮，可达到减轻涡轮增压器质量的目的。
1 碳纤维强化树脂PKU的特性
新开发的聚合物材料是以聚醚酮系树脂PKU为基础的30%质量的碳纤维增强复合材料，用于制造压气机叶轮，以代替以往使用的铝合金材料。表中所列为两者特性的比较。碳纤维强化树脂PKU具有良好的耐蠕变性、耐腐蚀性、耐磨损性和热伸缩性小（-65℃~105℃之间无伸缩）等特点。与其它碳纤维复合材料相比，PKU/CF30的玻璃转移温度较高（比聚醚酮系树脂约高30℃），适合于压气机叶轮的使用环境。
| 特性参数 | 纤维强化树脂PKU/CF30 | 铝合金，相当于JIS ACA4D | | 密度g/cm3 | 1.38 | 2.7 | | 抗拉强度MPa | 290 | 320 | | 延伸率 | 1.6 | 3.8 | | 杨氏模量GPa | 25.3 | 72.5 | | 107疲劳强度（MPa） 常温100℃ | 155
140 | —
123 | | 1000h蠕变破坏强度（MPa） 150℃ | 127 | 132 |
2 碳纤维强化树脂的定向控制技术
为了提高树脂制叶轮的耐久性和可靠性，增加最大应力发生部位的强度和使用寿命，控制复杂形状碳纤维的方向性非常重要。通过三维有限元法对压气机叶轮的离心应力进行分析，结果表明，最大应力发生在轴孔部位。因此，如图1所示那样，在射出成形金属模的下型设置深度为L的可调整材料积存坑（余料坑），使碳纤维的方向最佳化。图2所示为从树脂制叶轮上切取试样进行蠕变试验的寿命的比较。试样是从图2所示的部位，从垂直于轴的方向切取的。由图可知，采用材料积存坑的试样可大幅度提高碳纤维强化树脂的蠕变寿命。
图1 射出成形金属模的结构
图2 蠕变寿命的比较结果
3 树脂制压气机叶轮的应用效果
通过涡轮增压器加速性能试验，表明压气机叶轮材料用碳纤维强化树脂代替铝合金后，可使旋转体的惯性降低27%，从踏下加速踏板起到设定增压压力的时间缩短8%~9%，明显改善了涡轮增压器的加速响应性。
在涡轮增压器上应用纤维强化树脂代替耐热合金和铝合金，可达到轻量化的目的。今后，随着材料的结合技术和零件设计技术等相关技术的发展，轻量化材料在汽车上将得到广泛应用。(end)
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(10/19/2010) |
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