低碳生活促进发动机轻量化技术发展－汽车设计与制造资讯

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　　为了减少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽车的轻量化已经成为众所关注的焦点之一。研究表明，汽车整备质量．每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L。此外，汽车轻量化还可以提高汽车动力性，节省材料，降低成本。

　　发动机的轻量北，除了上述目的以外，还涉及到整车的质量分布（汽车行驶动力学）。将汽油机改换成柴油机时，往往会使发动机变重（坚固的结构、涡轮增压器、增压空气冷却器、喷油装置等），导致前桥轴荷增加，使得整车的均衡性受到了破坏。所以，轿车发动机的轻量北已经成为整车开发中一个不可忽视的问题。

　　发动机轻量化的途径，首先是提高升功率，以降低发动机单位功率的质量。最先进的功率密度指标已逼近1 kg/kW 。以轿车柴油机为例，如果20世纪90年代初升功率还只是在20-30 kW/L徘徊，那么自从20世纪末开始，其上升趋势可谓“突飞猛进”。如今，柴油机最大爆发压力已经达到20 MPa,升功率达到60 kW/L。

　　除了提高升功率以外，减轻单个零件的质量也是发动机轻量化的重要途径。机体是发动机中单件质量最大的零件，一般都超过发动机质量的1/4，甚至接近1/3。目前，减轻传统的灰铸铁机体质量有3铁，如奥迪V6 3.0L TDL直喷式柴油机；三是采用铝合金或者镁合金。早在40多年前，就已经有生产铝合金发动机气缸体的压铸机了。我国砂型铸造汽油机铝合金气缸体的历史至少可以上溯到30多年前。但是，随着气缸最大爆发压力的逐步上升，当年的铝合金气缸体无论从材料性能，还是从结构上都无法满足要求，于是曾有一段时期铝合金气缸体渐渐淡出。但是，随着材料科学的发展和设计水平的提高，近来甚至最先进的轿车柴油机都不乏重新采用铝合金气缸体的实例。最初：铝合金主要用于大型发动机，戴姆勒-克莱斯勒的顶级车Maybach（迈巴赫）和S级轿车的12缸发动机就采用了连同底板（曲轴箱卞半部）质量在内只有38 kg的铝合金气缸体。而梅塞德斯-奔驰V6轿车柴油机的铝合金气缸体每年生产批量已超过20万件。今天有许多中小型发动机，甚至柴油机，也已经在大批量生产中采用了铝合金气缸体。德国大众汽车公司的路波(Lupo )1.2 L TDI涡轮增压直喷式柴油机的气缸体就是一例。甚至一级方程式赛车发动机也有用铝合金制造气缸体的。有人预测，2006年欧洲生产的发动机气缸体将会有超过半数是用铝合金制造的。我国汽车行业应当对这一动向给予足够的重视

　　发动机机体材料的性能比较

　　灰铸铁具有足够的强度，为气缸筒滑移表面提供了良好的摩擦学性能，并且在铸造和机加工方面也很优越。所以，迄今绝大多数发动机气缸体都采用灰铸铁。灰铸铁材料的最大缺点是密度大。蠕墨铸铁也有这个缺点，但它具有更高的刚度和强度。

　　铝合金和镁合金在密度方面表现出明显的优点，但其刚度和强度较低。不过，这两组材料在弹性模量和强度相对于密度的比值方面具有非常良好的结果，完全胜任轻型结构材料的角色。然而，由于其较大的热膨胀，如果没有相应措施，发动机运转时轴承间隙将会过度扩大，使得通过发动机的机油流量剧增，且声学激励明显加剧。

　　此外，铝合金和镁合金的耐磨性较差，不能满足气缸筒表面的要求。而且，它们的蠕变强度有限，而这种蠕变强度是设计中必须加以考虑的。这些缺点可以通过改善结构加以补救，但这将使成本上升得更高。

 　　铝合金和镁合金相比，镁的强度指标胜铝一筹，密度也更小，所以在汽车上早就有所应用，例如桑塔纳轿车的变速器壳体一直采用镁合金压铸。可是，镁合金的导热性远不及铝，仅处在灰铸铁的水平上，以致在气缸筒变形和气缸筒之间的薄壁区域的材料热载荷方面出现其他问题。利用压铸镁合金可以使一台2L发动机机体的质量减轻到15 kg以下，但是它的成本较高。有人认为，镁合金作为曲轴箱材料目前在大批量生产中没有什么吸引力。尽管如此，奥迪公司最近还是成功地将一台升功率达到67 kW/L的5气门、1.8 L涡轮增压汽油机的灰铸铁气缸体改成了镁-铝混合材料气缸体，使发动机整机质量从145 kg降为122 kg 。

　　根据各种分析和实践，选择铝合金作为机体材料是目前发动机轻量化的有效途径

　　铸造工艺厂的差别决定机体性能

　　铝合金机体的铸造工艺从原理上可以分成多次使用的铸型（金属型）和一次使用的铸型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。当今在大批量生产中最为常用的是砂型重力铸造和压铸。砂型重力铸造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封闭的气缸盖连接面（闭式顶板）。如果生产件数较高（年产20万件以上），那么压铸是一种经济的解决方案。压铸能以很短的节拍、精细的表面质量和精确的尺寸实现铸件薄壁结构。然而，由于熔融金属充型压力很高不能使用砂芯，水套通常必须往上敞开（开式顶板）。这意味着气缸筒缺乏径向的支撑。但是，即使如此也未必会导致气缸筒严重变形。现在，甚至直喷式柴油机都可以做成开式顶板结构。此外，压铸快速的充型过程易导致气泡的生成，以致无法通过热时效硬化改善力学性能。这个缺点可以利用挤压铸造加以避免，因为这种工艺采用的压力较低，使得充型过程明显地减缓，有可能进行补缩。此外，压铸对于水套的长度有着间接的影响。由于气缸直径、拉杆螺栓的位置、密封法兰最小宽度以及必需的通常为0.5°的起模斜度等因素，实际制成的压铸机体的水套通常至多只能覆盖活塞行程的70%。这会降低通过活塞环的热流量，提高机油的热负荷。在机体结构方面，压铸有一些局限性。不过这些均可通过技术手段加以控制。机体是否采用压铸的工艺，首先还是取决于生产批量。

　　对于高负荷发动机来说，选择砂型铸造更能通过合适的造型工艺、合金优化和热处理来生产可靠、耐久的发动机机体。从零件成本看，充分利用砂型铸造在成型方面较大的自由度，还可以将各种功能整合到气缸体中去，在总体上减轻质量，提高经济效益。

　　铝合金机体结构必须解决的问题

　　灰铸铁气缸体改用铝合金铸造，必须满足一些额外的要求，分述如下

　　1、确保气缸筒滑移表面耐磨，不易变形

　　首先是气缸筒／活塞／活塞环摩擦副的耐磨性和摩擦学问题。活塞和活塞环由于作为摩擦副一的耐磨性和摩擦学特性不好而不能直接在铸铝合金气缸筒上工作。解决的办法是在铝合金气缸体中铸入（或嵌入）其他材料的气缸套，或者在气缸筒上涂敷其他材料·。

　　其次是气缸筒之间区域的变形问题。该区域的应力是由热应力和由于安装力、气缸的内压力引起的机械应力叠加在一起形成的。在较高的最大爆发压力下，首先是动载荷提高了，以致气缸筒之间的区域出现明显的变形和应力。为了改变这种局面，必须使气缸筒之间的区域达到足够的尺寸，还要采用合适的形状，同时采取有效的冷却措施。

　　2、满足传递力流的要求

　　现代铝合金具有足够的强度可以用作发动机气缸体材料，但成问题的是螺纹连接部位。螺纹孔中的螺纹会由于装配而发生局部的塑性膨胀。装配以后，全靠螺纹孔口上的最前面几道螺纹承受作用力。由于有很高的静载荷，可以在这个区域观察到对这种铝合金而言相当典型的局部塑性化现象。如果在预装配或者后来的维修过程中多次将螺栓连接、松开又重新装上，那么情况就会变得很严峻。高的热载荷与机械的交变载荷叠加在一起，会引起材料的疲劳，同样可能导致螺栓连接的失效。

　　另一种经常观察到的铝合金气缸体失效方式是，从螺纹孔出口的螺纹槽底部延伸出来的裂纹。由于钢螺栓和铝合金气缸体之间弹性模量和热膨胀系数的差异，在发动机运行过程中，主要依靠螺栓和螺纹孔的最后几道共同的螺纹承担着载荷

　　3、控制主轴承间隙的扩大

　　铝合金相对于钢或者铸铁具有较高的膨胀系数。曲轴必须用钢铁制造；机体如果全部用铝合金制造，受热后主轴承间隙将会扩大。在灰铸铁曲轴箱中，主轴承间隙几乎不随温度变化。全铝发动机热态运行时主轴承间隙会扩大1倍以上，机油流量会相应地增加到全灰铸铁方案的近6倍。机油泵必须扩大，这在一台2 L,4缸发动机中几乎使发动机摩擦功增加10%。气缸体轻量化的节油效果甚至还不足以补偿由此引起的油耗上升。如果在铝发动机机体中采用灰铸铁轴承盖，则可在机油流量和摩擦学特性方面获得明显的改善。
　　

　　主轴承间隙的增大还会对发动机的声学激励产生不利的影响。主轴承间隙以30~50μm为最佳。主轴承间隙超过100μm，则激振剧增

　　4、铝合金较低的弹性模量对声学和振动的影响

　　铝合金的弹性模量较低，这会降低结构刚度，增大噪声。为此，必须采取结构优化措施。

　　发动机机体通过材料和结构实现轻量化的途径

　　1、针对气缸筒滑移表面的措施

　　在铝合金气缸体中，处理气缸筒滑移表面的标准方案是采用一个用铸铁材料制成的气缸套。这种气缸套通常是铸入到铝合金气缸体中去的。在加工以后的状态下，其壁厚可以达到1.5或者2.0 mm以下。所用缸套离心铸造材料的弹性模量不比铝合金高出许多。但是，这种方案材料的质量较大，还容易发生气缸筒变形（双金属效应），会在铸铁和铝之间形成间隙，造成较低的导热性和较高的磨损。

　　铸铁缸套可以有不同的方案：一是灰铸铁气缸套外表面涂敷涂层以解决铝和气缸套之间金属内部联接的问题，从而避免形成间隙；二是气缸套采用粗糙的、能阻止分离的外表面形状并与压铸工艺相结合，提供了一种非常良好的机械铆固组合体。

　　另一种解决方案是铸入耐磨的铝合金气缸套。为此，目前存在两种工艺方法。一是采用通过在纤维材料中渗人铝熔液而制成的预成型件，从而导致随地点而改变的材料特性。这种技术主要是与挤压铸造结合在一起使用的。二是采用激光或等离子体涂敷工艺，借助于激光或等离子体射束在铝合金气缸筒表面上涂敷一层仅几十微米厚的耐磨涂层。广义  地说，这个涂层也算是一种缸套。不过，对有待涂敷  的工件有很高的要求（不得有气孔）。

　　对于2.0 L的4缸铝合金气缸体来说，如果要求达到20 MPa的缸内最大爆发压力，那么采用铸铁缸套时，气缸筒之间的区域很难小于10 mm。如果在气缸筒上直接涂敷涂层，例如在批量生产中采用激光或等离子体涂敷工艺，那么情况就会好一些。利用这些方法，气缸筒之间区域的最小宽度缩小了l-2 mm，借此赢得的空间可以用于采取冷却措施；除了减轻质量以外，采用激光或等离子体涂敷工艺还能减少摩擦损失和提高耐磨性

 　　2、确保力流传递和控制主轴承间隙的措施

　　铝合金较低的强度及其蠕变倾向以及螺纹孔与螺栓之间不同的热膨胀，这些都十分有必要采用铸铁和轻型结构材料的混合结构，就是说，既非全铁，又非全铝。直观地描述了各种混合结构概念。是直列式铝合金机体配用球墨铸铁主轴承下体的结构；图3b在图3a的基础上采用了贯通的拉杆螺栓；基础上铸人球墨铸铁镶嵌件，并且在气缸体和油底壳之间加人了铝质的机体中间框架（油底壳上体）；V形铝合金机体中铸人球墨铸铁镶嵌件，并且采用贯通拉杆螺栓的结构；出了带底板结构和铸人球墨铸铁镶嵌件的V形铝合金机体结构。机体中间框架和底板结构都能够为变速器提供支承，从而增强整个动力总成的刚度。各种结构形式都有一个共同的特点，就是采用铸铁的主轴承下体，利用铸铁承受高的缸内最大爆发压力所产生的力流，而且主轴承具有与曲轴相近的热膨胀系数。这除了有助于解决力流传递的问题以外，还在同等程度上解决了主轴承间隙扩大的问题。除此以外，采用纯粹的“力在铁中流”的解决方案，其优点还在于能够在曲轴上方采用贯通的拉杆螺栓，或者采用铸铁材料制成的镶嵌件。这种结构决不逊色于全部采用灰铸铁的发动机。

　　从功能方面来看，类似于图3c所示的结构是理想的解决方案。此类方案已经通过耐久试验证明了它有能力承受20 MPa的最大爆发压力。

　　浇铸到铝合金气缸体中的镶嵌件的铸造工艺过程必须认真开发，它的加工费用也比纯铝合金曲轴箱更昂贵，这些都导致成本增加。设计时，要根据实际情况考虑如何将铝合金与镶嵌件连接起来。值得注意的是，在铝合金和镶嵌件之间的接触区域不能传递剪切力。

 　　从原理上来说，这里示出的所有概念都可以采用压铸。

　　3、确保结构动态特性的措施

　　轻型结构机体的振动特性必须通过仿真进行仔细优化，使它能与铸铁件方案的同类性能相媲美。通过改进曲轴箱形状，能够创造一种有利于降低固体声的先决条件。

　　目前，在发动机结构中常见的曲轴箱结构可以分为长裙和短裙两种。

　　长裙结构能够用机体中间框架去增强无依无靠的曲轴箱裙部，机体中间框架可以带、也可以不带主轴承连接结构；或者利用横向螺栓连接使曲轴箱裙部得到增强。这样一来，就可以减少与声学特性密切相关的主轴承盖的振动。

　　短裙结构曲轴箱几乎都与机体中间框架或者底板组合在一起。有一种特殊的方案是将中间框架的功能整合到油底壳上体这个零件中去。这种设计刚性可以非常好，因为几乎是封闭的。如果采用底板，那么主轴承和曲轴箱下体整合在一起，底板就成为刚性最好的解决方案。但是，此时往往为了控制主轴承的扩大而不得不采用一个费用高昂的铸人件。所以，将一个中间框架／油底壳上体组合在一起往往是最佳解决方案。

　　无论是底板结构还是机体中间框架结构，如果同时还用于支承变速器，则构成发动机／变速器组合结构的增强概念，都能够相对于原型机的灰铸铁机体达到非常良好的结构传递特性。除了改善声学特性以外，通过这种方式还达到了良好的整车振动特性。

　　铝合金是目前最合适的发动机机体轻量化材料。但是，全铝发动机并非发展方向，采用铝和铁的混合式机体在经济上和技术上都较为可行。对于直列式发动机而言，一种较为典型的铝合金机体结构方案是，铝合金压铸的短裙机体，配上铸铁的主轴承盖，下面接上铝合金压铸的机体中间框架。机体中间框架还可以支承变速器以增强整个动力总成的刚度。油底壳则用钢板制成。

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