【德】　M.Maurizi　R.Lochmann

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零部件

復(fù)合活塞銷
——輕量化設(shè)計新概念

【德】M.MauriziR.Lochmann

在現(xiàn)代汽車發(fā)動機中，運動件的擺動質(zhì)量和慣性力必須保持在盡可能低的水平。較低的擺動質(zhì)量不僅是保證發(fā)動機運行平穩(wěn)性的基礎(chǔ)，而且會對部件的可靠性和壽命有很大影響。曲柄連桿機構(gòu)的擺動質(zhì)量越小，部件的振動越弱，零件的摩擦和磨損越小?；钊N的質(zhì)量約占擺動質(zhì)量的10%～30%，減輕活塞銷的質(zhì)量對減少擺動質(zhì)量會產(chǎn)生較大的影響。MAHLE公司新開發(fā)的復(fù)合活塞銷是將1個鋁芯棒壓入鋼套管內(nèi)，它能使汽油機和轎車柴油機的活塞銷質(zhì)量分別減輕約20%和30%。由于活塞銷的生產(chǎn)應(yīng)該保持簡單和經(jīng)濟，所以該新型活塞銷在制造過程中采用了1種成型工藝。介紹該復(fù)合活塞銷的設(shè)計原則、制造工藝和特性。

復(fù)合活塞銷制造工藝擺動質(zhì)量鋼套輕量化

0　前言

對車輛和發(fā)動機開發(fā)者來說，輕量化并不是新要求。多年來，汽車行業(yè)一直在努力減輕各個車輛部件的質(zhì)量。然而，雖然在該領(lǐng)域內(nèi)成果頗多，在不斷增長的安全性和舒適性要求下，車輛質(zhì)量仍在不斷增加。

為了應(yīng)對這種趨勢，必須持續(xù)提高車輛的工作效率，以實現(xiàn)降低排放。在過去的20年里，乘用車效率已經(jīng)提高約15%。全球的排放法規(guī)正在迫使發(fā)動機制造商謀求進一步大幅降低排放的方法[1]。然而，這個目標只能通過采取各種不同的舉措才能達到，而減輕質(zhì)量被賦予了特殊的重要性。研究顯示，每減少100kg質(zhì)量，每百公里的燃油耗能降低達3.3%[2]。

如果擺動質(zhì)量得到減少，那么對降低燃油耗就具有更顯著的影響，發(fā)動機響應(yīng)會更快，從而動力性也獲得改善。

發(fā)動機機內(nèi)的擺動質(zhì)量包括動力單元(PCU)內(nèi)的部件，尤其指活塞、活塞銷、活塞環(huán)和連桿。PCU質(zhì)量的降低對連桿應(yīng)力、活塞次級運動、曲軸軸承、平衡軸、減振器和噪聲能產(chǎn)生有利的影響。

例如，為了降低PCU部件的質(zhì)量，MAHLE公司已經(jīng)將1種質(zhì)量顯著降低的Evotech?2活塞投放市場。為了進一步優(yōu)化PCU部件，MAHLE公司還著重減輕了活塞銷的質(zhì)量。該方法非常有前景，因為活塞銷的質(zhì)量占活塞總質(zhì)量的50%(圖1)。

圖1　活塞銷質(zhì)量相對于活塞質(zhì)量的百分比

近年來，MAHLE公司開發(fā)了復(fù)合活塞銷，并對其進行了優(yōu)化。鋼套管與壓入式鋁芯棒相組合能使質(zhì)量降低30%左右。連同平衡塊(或者可能再加上平衡軸)的質(zhì)量減輕，可使發(fā)動機的整體質(zhì)量顯著減輕。

1　復(fù)合活塞銷的輕量化設(shè)計理念

為了完成氣體力向曲軸的傳遞，對活塞銷的一般要求如下： (1) 具有足夠的強度和剛度，以承受高負荷而不損壞；(2) 具有較高的表面硬度，以獲得良好的耐磨性能；(3) 具有較高的表面質(zhì)量和尺寸精度，以便它與配對滑動件(活塞和連桿)達到最佳配合；(4) 質(zhì)量輕以保持質(zhì)量力較小；(5) 具有較高的剛度，以使曲軸傳動系的屈服強度盡可能最低。

活塞銷質(zhì)量輕和剛性高對發(fā)動機動力性有益。雖然這些要求相互沖突，但活塞銷的制造必須盡可能的簡單和經(jīng)濟。

活塞銷的質(zhì)量和剛性取決于活塞銷內(nèi)徑的選擇，而活塞銷外徑經(jīng)常會受到新發(fā)動機開發(fā)的影響。在現(xiàn)有的發(fā)動機中，活塞銷外徑是固定的。隨著輸出功率提高，活塞銷的內(nèi)徑減小，質(zhì)量增加，但提高強度的潛力是有限的，可以用1個簡化的模型(圖2和圖3)來加以說明。

圖2　活塞銷應(yīng)力定性分析圖

圖3　　　　活塞銷總應(yīng)力和活塞銷質(zhì)量隨內(nèi)徑/外徑　　　比值變化的定性分析曲線

隨著壁厚減小或內(nèi)徑增大，應(yīng)力和變形會逐步增加。相反，增加壁厚和相應(yīng)的質(zhì)量，使應(yīng)力降低很少(圖3)。在銷孔中插入芯棒，壁厚未增加，但能避免橢圓變形引起的較高應(yīng)變?；钊N基本上只會發(fā)生彎曲變形，從而總負荷得以降低(圖4)。芯棒的附加質(zhì)量可以通過使用比重較小的材料予以補償，甚至有時能實現(xiàn)過量的補償。

圖4　傳統(tǒng)活塞銷和復(fù)合活塞銷總負荷的定性分析

對于乘用車發(fā)動機來說，采用這種活塞銷輕量化設(shè)計概念可減重達25%?；钊N2種材料(鋼和鋁合金)的熱膨脹差異會改變其膨脹特性，這對復(fù)合活塞銷的開發(fā)是種挑戰(zhàn)。輕金屬芯棒會使復(fù)合體的熱膨脹率增大，與傳統(tǒng)活塞銷相比，復(fù)合活塞銷直徑隨溫度的變化會增加50%。

對復(fù)合體來說尤為關(guān)鍵的是，在較低的工作溫度下鋁芯棒會比鋼套管收縮量更大，因此芯棒與套管之間采用了過盈配合。通過有限元模擬計算出芯棒的最小過盈量，以確保在所有的運行工況和溫度下都能夠充分接觸(圖6)。

圖5　復(fù)合活塞銷與傳統(tǒng)活塞銷減重情況對比

圖6　有限元計算得出的芯棒與套管之間所需的過盈量

由于復(fù)合活塞銷變形較小(幾乎沒有橢圓變形)，活塞的負荷與使用傳統(tǒng)活塞銷時相比會有所變化。因此，活塞的結(jié)構(gòu)必須針對復(fù)合活塞銷而專門定制。在柴油機應(yīng)用實例中，可以通過調(diào)整活塞銷孔的輪廓來保持必要的安全性。

在設(shè)計活塞銷與配對部件(活塞銷孔和連桿銷孔)的配合界面時，必須將復(fù)合活塞銷增加的熱膨脹量考慮在內(nèi)。這樣，在工作溫度下即可獲得足夠的間隙，而且活塞銷的運動不會受到影響。同時，冷態(tài)間隙必須增大。由于在負荷作用下產(chǎn)生的橢圓變形很小，因而可以不必考慮這問題。在1臺發(fā)動機的驗證過程中，間隙增大0.7‰，未觀察到活塞銷轉(zhuǎn)動受到任何限制。

2　制造概念

復(fù)合活塞銷的理念并不是新的想法。它的首批專利已在20世紀初就已申請。MAHLE公司一直在持續(xù)開發(fā)和優(yōu)化這一理念。開發(fā)的焦點是考慮用經(jīng)濟的制造工藝來實現(xiàn)鋁/鋼界面的優(yōu)化。芯棒的材料選用了1種高強度鋁合金。套管則特意使用了ISO18669規(guī)定的M等級典型活塞銷淬硬鋼材料，以保證活塞銷界面的摩擦學(xué)特性。

為確?；钊N要求的強度，芯棒需要在各種負荷下都與套管保持固定連接，以免接觸界面產(chǎn)生磨損或變形，以及芯棒脫出。為此，常用的工藝是采用過盈配合連接。壓入式或熱接合方式是成本經(jīng)濟、易于實施的制造工藝。熱接合方式的缺點是，為了達到所需的最小過盈量，必須保證非常精密的部件公差。另一缺點是接合風(fēng)險，如高溫引起的熱黏著磨損和材料變化。

為克服這些缺點，選用了1種不同的方法來制造復(fù)合活塞銷。將芯棒以松配合插壓入套管中，然后用1個活塞工具在芯棒的兩端沖壓芯棒使之變形，直到芯棒徑向緊卡在套管中(圖7)。

圖7　復(fù)合活塞銷制造示例說明

如果芯棒的沖壓是由施加的外力而不是由活塞工具的位移來控制，那么套管與芯棒之間的貼合僅由芯棒材料的屈服強度決定，而與部件的尺寸和形狀公差無關(guān)。

這種沖壓工藝的另一個優(yōu)點是芯棒能完全充滿套管內(nèi)腔，這是因為套管與芯棒之間除了產(chǎn)生摩擦配合外，還會產(chǎn)生成形配合。檢驗表明，采用這種接合方法能以很小的變化率獲得很大的過盈量。

開發(fā)過程顯示，可以通過觀測鋼套管壓入芯棒前后的直徑變化來監(jiān)控沖壓工藝。圖8為生產(chǎn)中活塞銷兩端區(qū)域的膨脹量變化范圍。變化范圍小于20μm，它比熱壓接合方式的膨脹量變化范圍小。

圖8　生產(chǎn)中直徑變化的監(jiān)測結(jié)果

3　臺架試驗驗證

活塞銷通常采用伺服液壓試驗機和共振脈沖器進行測試。通常不提供對活塞銷旋轉(zhuǎn)運動的模擬。這樣就不能足夠準確地驗證浮動式活塞銷的應(yīng)力。MNAHLE公司是在1個專門的試驗臺上對浮動式活塞銷進行了測試。采用這種試驗裝置能夠再現(xiàn)活塞銷旋轉(zhuǎn)過程中彎曲和橢圓變形所產(chǎn)生的交變應(yīng)力。

活塞銷應(yīng)與實際活塞銷孔和連桿小頭孔的幾何尺寸適配。循環(huán)負荷相當(dāng)于活塞銷轉(zhuǎn)動1圈的情況，并反映了約1000次工作循環(huán)的發(fā)動機循環(huán)負荷。

經(jīng)過若干次試驗后，可以繪制出復(fù)合活塞銷的疲勞強度曲線圖，它與傳統(tǒng)鋼制活塞銷的疲勞強度近似。

4　發(fā)動機試驗驗證

發(fā)動機驗證在1臺2.0L共軌噴油轎車柴油機上進行。發(fā)動機功率為125kW,最高指示壓力18.5MPa。在完成5h的磨合運轉(zhuǎn)并隨即記錄了全負荷特性曲線后，開始進行300h的高百分比全負荷的交變負荷運行。所有4個氣缸都配裝了復(fù)合活塞銷，其中2個缸的活塞銷有金剛石碳(DLC)涂層(表1)。為了增大在活塞銷孔和連桿小頭孔中的安裝間隙，活塞銷外徑磨去了15～20μm?；钊系匿N孔采用了2種不同的輪廓，表1為各缸的配置情況。

表1　零部件特性和發(fā)動機試驗的最終評價

在隨后的試驗分析中，給出了零件的典型接觸形態(tài)。觀察顯示，活塞銷孔的廓形對接觸形態(tài)沒有影響。然而，活塞銷有DLC涂層時形成的接觸形態(tài)更好。

5　總結(jié)

新開發(fā)的輕量化概念復(fù)合活塞銷在乘用車發(fā)動機上使用時，活塞銷的質(zhì)量能減輕達25%。將鋁芯棒壓入鋼套管的制造過程生產(chǎn)費用并不昂貴。所選用的接合工藝對單個零件的緊配合公差要求要比其他方法的低得多。

在活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，尤其是活塞銷孔和連桿小端孔的設(shè)計，必須考慮到復(fù)合活塞銷的變形和熱膨脹率。

圖9　發(fā)動機試驗后復(fù)合活塞銷及其配對件的定性評價

在臺架上和發(fā)動機上對這種新輕量化設(shè)計概念成功進行了試驗驗證。在柴油機上使用時，估計可以不采取任何降噪措施。在汽油機中使用時，對噪聲-振動-平順性性能的評價尚未完成。

復(fù)合活塞銷是汽車開發(fā)的各種不同策略中涌現(xiàn)的1種發(fā)動機新零件?？砂凑蛰p量化目標、形狀穩(wěn)定性或活塞銷孔的間隙策略對復(fù)合活塞銷進行系統(tǒng)優(yōu)化。

[1]Siehe mitteilungen der kommission zur überwachung de CO2-emissionen von personenkraftwagen[OL]. http:∥ec.europa.eu/environment/air/transport/co2/co2_monitoring.htm.

[2]Klaus R B. Was bringen 100 kg gewichtsreduzierung im verbrauch? eine physikalische Berechnung[J]. ATZ, 07-08,2013.

2015-09-17)