1

DISEÑO DE UNA TAPA DE CULATA EN MATERIAL TERMOPLÁSTICO

Txomin Goitia(1), Iker Gabikaetxebarria(1), Ibon Miranda(P)(1), Gurutz Irazabal(1), Josu Ocerin(2), Ramon Gabika(2), Asier Garmendia(3), David Simó(3)

(1) MTC S. Coop (2) Maier S. Coop

(3) Fagor Ederlan S. Coop

SUMMARY There are several factors that promote the Technological Innovation and the Product Innovation. If we focus on the Automotive sector, the main factors that nowadays appear like promoter agents of the Innovation as well as like threats for the own company are:

• The European Legislation by means of Directives which later on become in national regulations.

• The Cost Reductions without reducing the Quality levels. • The integration of new Functions on an existing product

Within this framework, the present project approaches the phases of design, simulation, prototyping and manufacturing of a Thermoplastic Rocker Valve Cover of a vehicle. RESUMEN Existen varios factores que fomentan o promueven la Innovación Tecnológica y más concretamente la Innovación sobre un Producto. Si nos centramos en el sector de Automoción, se adjuntan los principales factores que hoy en día se presentan como agentes impulsores de la Innovación, que a su vez son tanto amenazas para la propia empresa como oportunidades para que se dé la Innovación:

• La Legislación Europea a modo de Directivas que posteriormente se transponen en legislaciones nacionales.

• La Reducción de Costes sin reducir los estándares de calidad • La integración de Nuevas Funciones sobre un producto existente

Dentro de este marco de actuación, el presente proyecto ha abordado las fases de diseño, simulación, prototipado y construcción de una Tapa de Culata de un vehículo, en material termoplástico. 1. DESARROLLO La utilización de materiales termoplásticos es cada vez más frecuente en el sector de automoción (como ejemplo, indicar que un BMW 328 dispone de 162 kg. de plástico, representando un 11,6% de la masa total del vehículo) Dentro de esta expansión de la utilización de plásticos en el sector de automoción, indicar que algunas aplicaciones son muy comunes y están en una fase de evolución

1

2

muy madura, mientras que otras aplicaciones, sobre todo las aplicaciones relacionadas con el entorno del motor, están en una fase de crecimiento emergente como se puede apreciar en la gráfica adjunta.

Pedales, Paneles de puerta,...Pedales, Paneles de puerta,...

Dentaborterm

Las f

FASE SATURACION

FASE DE MADURACION

FASE DE CRECIMIENTO

FASE DE LANZAMIENTO

FASE DE DESARROLLO

Cárteres de aceite, Aplicaciones de aceite, montajes de motor, piecerío de la suspensión

Cuerpo de la carcasa del obturador de gasolina

Módulos integrados de admisiones de aire

Tapas culata

Cubre motores

Admisiones de aire

Tanques de radiador, ventiladores, cubre-

ventiladores

Penetración en el mercado de aplicaciones plásticas

FASE SATURACION

FASE DE MADURACION

FASE DE CRECIMIENTO

FASE DE LANZAMIENTO

FASE DE DESARROLLO

Cárteres de aceite, Aplicaciones de aceite, montajes de motor, piecerío de la suspensión

Cuerpo de la carcasa del obturador de gasolina

Módulos integrados de admisiones de aire

Tapas culata

Cubre motores

Admisiones de aire

Tanques de radiador, ventiladores, cubre-

ventiladores

Penetración en el mercado de aplicaciones plásticas

Figura 1. Grado de Madurez de aplicaciones de automoción en material Plástico

ro de este ámbito emergente lleno de oportunidades, el presente proyecto ha dado el objetivo de diseñar una Tapa de Culata o Cubre-Balancines en material oplástico.

Figura 2. Despiece de un motor, apreciándose en la parte superior la Tapa de Culata

unciones principales de una Tapa de la Culata o Cubre-balancines son:

2

3

-Destinar al usuario de un acceso para realizar la recarga de aceite lubricante al vehículo. -Realizar la función de decantación o precipitación del aceite que contienen los gases provenientes de la zona del motor. Es decir, los gases que se generan en el motor y que ascienden hasta la Tapa de la Culata, transportan aceite evaporado, el cual se recircula de nuevo a la Culata, al precipitarse el aceite contra las paredes de una zona especifica de la Tapa de la Culata con una geometría determinada destinada a tal fin. -Realizar la función de insonorización acústica evitando expansiones y amplificaciones de los ruidos generados en el motor del vehículo. -Mantener un comportamiento estanco evitando fugas de aceite por tanto la interfase de la Tapa de la Culata y la propia Culata, como por los retenes de los inyectores, o incluso por la propia zona de carga de aceite. -Proteger al motor de la inclusión de agentes externos (polvo, agua, etc). -Proteger el motor de posible impactos provenientes de la zona superior. Actualmente, como se puede apreciar en la imagen adjunta, la mayoría de las Tapas de Balancines con un porcentaje de mercado aproximado del 70% son de aluminio o magnesio (ambos transformados mediante procesos de inyección).

Estos materialepor otro lado prel campo de lmoratorias temde Plomo en pi Los termoplástila duda sobre termoplástico constructores d

Figura 3. Tapa de Culata en Material Aluminio

s son considerablemente resistentes mecánica y térmicamente, pero esentan problemas de peso, altos costes de fabricación (al menos en as inversiones de los útiles y equipos de fabricación) y plantean porales a la Directiva Europa 2000/53/CE en lo concerniente al uso ezas bajo motor inyectadas en aluminio.

cos no presentan estos últimos inconvenientes, pero surge el temor y la factibilidad de diseñar y producir un componente en material para componentes calificados como de Seguridad por los e automoción.

3

4

Por lo tanto, al comienzo del presente proyecto y partiendo del diseño de un motor específico y una Tapa de Culata específica realizada en aluminio, se marcaron los siguientes objetivos: -Demostrar que se puede rediseñar un componente, que siendo de material termoplástico, pueda reemplazar a ciertas aplicaciones que históricamente han estado reservadas para aleaciones metálicas. -Eliminar la utilización de metales pesados utilizados para mejorar la procesabilidad de las aleaciones metálicas -Reducir costes de inversión y producción comparando con los procesos de transformación habituales, y por ende reducir el coste de venta del producto. Pero para conseguir estos objetivos tan ambiciosos y garantizar un correcto funcionamiento, la Tapa de Culata rediseñada para ser realizada con un material termoplástico mediante el proceso de inyección de plástico, ha de pasar satisfactoriamente ensayos muy restrictivos como por ejemplo, ensayos de tracción, alargamiento, elasticidad, impacto, dureza, resistencia térmica, etc. según las correspondientes normas NES y ASTM, además de un sinfín de ensayos de Hot cold, HSDHT, WTC, SHSD, Fujy Test, Termal Shock, vibraciones, estanqueidad, montaje-desmontaje, envejecimiento y resistencia a agentes químicos como aceite, gasolina, ácido, agua salada, etc. que emulan el comportamiento en vida del producto. Con objeto de afrontar satisfactoriamente todos estos ensayos, se ha procedido a observar los siguientes campos de trabajo durante el desarrollo del proyecto: 1.1. Comportamiento Estructural Para proveer de una rigidez estructural a la Tapa de la Culata, se ha trabajado principalmente en 2 campos: el diseño de la formulación de un material termoplástico y el diseño de la propia Tapa de Culata. En el apartado de la formulación del material, se ha trabajado junto con el proveedor internacional Rhodia, especializado en plásticos técnicos, con objeto de desarrollar una formulación polimérica cuyas características físicas y mecánicas se asemejaran a las características del aluminio de la Tapa de Culata seleccionada como punto de partida, intentando de esa manera cumplir las especificaciones de planitud, estabilidad dimensional y resistencia a altas temperaturas exigidas a la pieza. Obviamente y aunque la tecnología de los polímeros va avanzando rápidamente, actualmente es imposible replicar un termoplástico con las mismas características del aluminio, pero sí acercarse a un grupo reducido de características deseadas como en el presente caso. Tras varios meses de síntesis y posteriores ensayos de diferentes formulaciones de polímeros, se ha obtenido una Poliamida 66 reforzada con fibra de vidrio discontinua (este refuerzo emula a los refuerzos metálicos utilizados en las construcciones de hormigón) con una densidad de 1,29 gr/cm3, con un Modulo de Tensión de 9.000

4

5

Mpa, con una Tensión de Rotura de 140 Mpa y con una Resistencia al Impacto Charpy de 45 KJ/m2. Con estas propiedades intrínsecas del material junto con un diseño muy reforzado mediante nervaduras tanto internas como externas que robustecen el diseño a flexión, torsión e impacto, además de garantizar la planitud de la pieza, se ha conseguido una Tapa de Culata que pasa satisfactoriamente todos los ensayos químicos, físicos, mecánicos y dimensionales solicitados.

Figura 4. Nervaduras dispuestas en la Tapa de la Culata

1.2. Estanqueidad y Absorción de Vibraciones La zona más crítica desde el punto de vista de tanto fugas de aceite como de generación y transmisión de ruido y vibraciones es la interfase de la Tapa de Culata y la Culata, debido a que la mayor superficie de discontinuidad es esa misma. Por otra parte, la Tapa de Culata tiene el requisito de no entrar en resonancia dentro de la frecuencia de excitación del vehículo, es decir, dentro del rango de revoluciones del motor (0-7000 rpm). Para evitar los citados problemas, se ha procedido a trabajar en 3 áreas: -Desarrollo de una formulación de plástico vulcanizado para la junta de estanqueidad, con comportamiento estable a temperaturas de –40ºC y a 150ºC, y que además absorba homogéneamente las tensiones verticales originadas por las fuerzas de apriete. -Aumento del número de fijaciones. Debido a que un termoplástico tiene un comportamiento menos rígido que el aluminio de la Tapa de Culata que se ha tomado como punto de partida, y con objeto de evitar que la Tapa de Culata se deformara excesivamente produciendo fugas originadas por las contracciones y dilataciones térmicas a las cuales está sometida el producto en vida, se ha procedido a aumentar el número de fijaciones, o dicho de otra manera, se ha procedido a reducir la distancia entre puntos de unión (distancia máxima 110 mm.), y por ende a reducir las flechas de deformación que se pudieran formar por las contracciones y dilataciones térmicas.

5

6

Figura 5. Reducción de distancia entre puntos de fijación -Diseño de una junta de estanqueidad de altura variable. Como se representa en la imagen adjunta, la Tapa de la Culata sufre unos desplazamiento verticales debido a las fuerzas de apriete que ejercen tanto las fijaciones (tornillos) como la sobrepresión de hasta 1 bar a la que se somete la pieza durante la fase de ensayos con objeto de validar el producto en condiciones de vida extremas. Es decir, que si utilizáramos una junta de altura constante, en algunas zonas la junta estaría sobredimensionada mientras que en otras zonas estaría infradimensionada, lo que ocasionaría notables fugas. Para evitar este problema se ha diseñado una junta que copiara exactamente el perfil de las deformaciones de apriete de la Tapa de la Culata.

Variable

Fijación

Junta de estanqueidad

Figura 6. Perfil de la Junta de Estanqueidad

Gracias a estas 3 soluciones de diseño, se ha conseguido diseñar una Tapa de Culata de material termoplástico que replica las condiciones de Estanqueidad y Absorción de Vibraciones de una Tapa de Culata convencional en Aluminio. 1.3. Decantación Para realizar la función de decantación (separación y recirculación del aceite que portan los gases que ascienden del motor hacia la culata) se ha diseñado un método muy ingenioso basado en permitir que el gas portador del aceite circule por los orificios (con geometría y dimensiones específicas) de una pared vertical y posteriormente al impactar contra la siguiente pared vertical (sin orificios), la pared quede impregnada de aceite y por efecto de la gravedad, este aceite se deposite en la parte inferior de la pared, donde se dispone de una pendiente que dirige al aceite precipitado hacia el orificio que devuelve el aceite lubricante al motor.

6

7

Figura 7. 1.4. Simulaciones R Finalmente, con todprocedido a realizarreológico (Moldflow

producto, y con la finde plásticos, como pa las tensiones intern En esta fase de validrealizado un diseño de entrada de inyeinyección, etc. logrprocesabilidad del pr

Figura 8. Hipótes

1.5. Validación med Con objeto de validaexclusivamente a vaTapa de Culata en incorporados (juntas Este prototipo ha sicitar todos ellos, enHSDHT, WTC, SHSDdesmontaje, envejecácido y agua salacoherencia con las solicita a una Tapa d

Sistema de Decantación y

eológicas

as estas soluciones una serie de simula) con objeto de analizalidad de evitar defectueden ser los rechupeas creadas durante la

ación mediante el citade experimentos manección, diferentes tem

ando unas combinacoducto.

is de diferentes puntos de i

iante un Prototipo Fu

r físicamente todas elidaciones computacimaterial termoplástico, retenes, tornillos, etc

do sometido a ensayosayos de impacto y r, Fujy Test, Termal S

imiento y resistencia ada, obteniendo en tespecificaciones exige Culata de Aluminio.

7

Recirculación del aceite lubricante

de diseño que se han aportado, se ha ciones mediante un software de análisis ar la factibilidad de la transformación del os inherentes a la tecnología de inyección s, las líneas de unión, los alabeos debido s contracciones de solidificación, etc.

do software de simulación reológica se ha jando diferentes parámetros como el tipo peraturas, velocidades y presiones de

iones de parámetros que garantizan la

nyección y simulación del llenado del molde

ncional

stas soluciones de diseño y no limitarnos onales, se ha construido un prototipo de , junto con el resto de los componentes

).

s tan restrictivos como por ejemplo y sin esistencia térmica, ensayos de Hot cold, hock, vibraciones, estanqueidad, montaje- agentes químicos como aceite, gasolina, odos ellos resultados satisfactorios en idas en el Cuaderno de Cargas que se

8

2. RESULTADOS Finalmente, como se puede apreciar en la imagen adjunta, el Resultado obtenido ha sido una Tapa de Culata, en material termoplástico, que:

• Evita la inclusión de agentes externos al interior de la culata • Mantiene la estanqueidad evitando fugas del líquido lubricante de la culata al

exterior (nivel de fugas 0 hasta los 100.000 km), mejorando sobre este diseño específico los resultados obtenidos de la Tapa de Culata de aluminio.

• Realiza correctamente la función de decantación de gas/aceite en la aspiración del motor.

• Resiste las altas temperaturas de la zona motor (hasta 150ºC) e incluso en condiciones extremas de sobrepresión a 1 bar.

• Mantiene la estabilidad dimensional y planitud, adaptándose a las variaciones térmicas.

Y lo que es más importante, debido al éxito técnico-económico del proyecto, un cliente ya ha mostrado su interés en incorporar con celeridad el presente desarrollo en una plataforma de vehículos.

Figura 9. Tapa de la Culata en Aluminio y en Plástico

AGRADECIMIENTOS Agradecer la colaboración prestada por el CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial) y la empresa Nissan Motor Ibérica S.A. y en particular agradecer la involucración de los señores Ramón tardá, José Maria Melero, Ángel Palomo, Fernando Trapero y Francisco Ramos. CORRESPONDENCIA Ibon Miranda (Maier Technology Centre S. Coop.) / Email: ibomir@mtc.maier.es

8