Koncern DuPont pokazał na niedawnych targach tworzyw sztucznych Fakuma 2008 w niemieckim Friedrichshafen nowe zastosowanie tworzywa termoplastycznego. Zademonstrował wykonaną z niego miskę olejową znajdującą zastosowanie w nowych czterocylindrowych silnikach wysokoprężnych marki Daimler.Osignięcie koncernu DuPont jest przełomowe. Oto bowiem zrealizowano projekt, dzięki któremu w seryjnej produkcji samochodów osobowych tworzywo konstrukcyjne odgrywa tak istotną rolę. Po raz pierwszy w historii motoryzacji wykorzystano w seryjnej produkcji podzespół miski olejowej, który został wykonany z tworzywa termoplastycznego.
Na czym polega istota przedstawianego rozwiązania?
Dla czterocylindrowych silników wysokoprężnych zostało opracowane modułowe rozwiązanie w postaci górnej pokrywy wykonanej technologią wtrysku ciśnieniowego z aluminium oraz wielofunkcyjnej części dolnej wykonanej z poliamdu DuPont Zytel 70G35HSLR. Przyjęte rozwiązanie zapewnia odpowiednią sztywność części przy jednoczesnym znacznym obniżeniu wagi o 1,1 kg w porównaniu z częścią całkowicie aluminiową. Ponadto, dzięki wysokiej płynności oraz wzmacnianego włóknem szklanym poliamidu zyskano także większą wydajność produkcji.
Rozwiązanie to sprawia, że w cyklu produkcyjnym możliwe są długie drogi płynięcia, krótkie czasy wtrysku oraz precyzyjne formowanie cienkich ścianek. Dodatkową korzyścią produkcyjną jest wysoka łatwość wykorzystania technologii zgrzewania wibracyjnego. Pierwszym przykładem zastosowania nowej miski olejowej będzie model Mercedes-Benz klasy C.
Specjalny kształt tylnej części miski olejowej, stanowiącej zbiornik na około 6 litrów oleju, zapewnia jej bardzo dużą sztywność. Część przednia jest bardziej płytka, co wynika z konstrukcji podwozia oraz układu kierowniczego, a w konsekwencji mniej sztywna i mniej odporna na zginanie.
By uzyskać taki efekt konieczne było zastosowanie dodatkowych rozwiązań projektowych, mających na celu minimalizację możliwych wypaczeń i odkształceń oraz wyeliminowanie potencjalnych nieszczelności na połączeniu z aluminiową pokrywą.
W tym celu zastosowano rozwiązanie typu "sandwich" z drugą częścią kształtowaną wtryskowo. Jest to produkowany oddzielnie odrzutnik oleju, przymocowany za pomocą zgrzewu do płytkiej części miski, którego zadaniem jest "uspokojenie" oleju, gwałtownie rozbryzgiwanego wałem korbowym oraz wałkiem wyrównawczym.
Orzutnik kieruje w ten sposób olej z powrotem do miski olejowej. Dzięki misce oraz odrzutnikowi, a także drobnym zmianom projektu ogólnego, możliwa jest wyższa stabilność pracy w każdych warunkach. W części głębokiej miski śruba spustowa oleju oraz czujnik poziomu oleju umieszczone zostały w zgrzanych wkładkach mosiężnych. Wysokie żebra usztywniające w misce służą także jako deflektory, dzięki którym olej jest stabilizowany i z lepszym skutkiem kierowany w stronę miski.
Przed wyprodukowaniem pierwszej części DuPont wykonał pomoc techniczną w uzupełnieniu oprogramowania symulacyjnego. Do optymalizacji umiejscowienia żeber usztywniających na krawędzi miski - poza strefą przykrytą odrzutnikiem - zastosowano metodę elementów skończonych. Dzięki temu udało się znacząco zwiększyć sztywność części płytkiej przy minimalnej zmianie łącznej wysokości podzespołu. Badania przepływu, oparte także na modelowaniu metodą elementów skończonych, zostały wykorzystane do oceny wpływu grubości ścianek, ilości i rozmieszczenia otworów wtryskowych na wypaczanie oraz linie zgrzewu, jak również do optymalizacji parametrów obróbki.
Stwierdzono, że dzięki wysokiej płynności materiału Zytel 70G35HSLR, do całkowitego wypełnienia formy wtryskowej wystarczający okazał się jeden umieszczony centralnie otwór wtryskowy. Umożliwiło to skrócenie cyklu wtryskowego. W porównaniu z zastosowaniem wielu otworów wtryskowych, co byłoby konieczne w przypadku polimerów innych klas, uzyskano niższe koszty maszyn do produkcji części oraz uproszczenie kontroli procesu produkcyjnego, przy jednoczesnej minimalizacji ilości linii zgrzewu oraz zmniejszeniu ryzyka powstawania niejednorodności struktury.
Dalszych analiz konstrukcji dokonano w Europejskim Centrum Technicznym DuPont w Genewie, poprzez symulację upadku kompletu silnika i skrzyni biegów z wózka widłowego. Sukces przyjętego rozwiązania potwierdziły testy praktyczne przeprowadzone z zastosowaniem podzespołów prototypowych. Nowa miska olejowa wytrzymuje testy symulujące eksploatacje, nawet 1000 godzin przy oleju rozgrzanym do temperatury 150 st. C, bez powstania uszkodzeń krytycznych.
Wykorzystanie polimerów termoplastycznych do produkcji misek olejowych daje ogromne możliwości dalszej "integracji funkcjonalnej". Już w opisywanym rozwiązaniu zintegrowano odrzutnik oleju, mający na celu zapewnienie spokojniejszego spływu oleju do głębszej części miski olejowej. Inne funkcje, które potencjalnie można zintegrować w przyszłych modelach misek olejowych, to na przykład ssak oleju, czujnik poziomu oleju, filtr oleju oraz inne elementy systemu obiegu oleju oraz pompy olejowej.
