【德】　M.Maurizi　R.Lochmann

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零部件

復(fù)合活塞銷
——輕量化設(shè)計(jì)新概念

【德】M.MauriziR.Lochmann

在現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)中，運(yùn)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(jī)運(yùn)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(jī)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(gè)鋁芯棒壓入鋼套管內(nèi)，它能使汽油機(jī)和轎車柴油機(jī)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(jì)，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(jì)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(jī)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(gè)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(shí)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(jī)制造商謀求進(jìn)一步大幅降低排放的方法[1]。然而，這個(gè)目標(biāo)只能通過采取各種不同的舉措才能達(dá)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(dá)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(jī)響應(yīng)會更快，從而動力性也獲得改善。

發(fā)動機(jī)機(jī)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(yùn)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(jìn)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?yàn)榛钊N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(jìn)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(jī)的整體質(zhì)量顯著減輕。

1　復(fù)合活塞銷的輕量化設(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度，以承受高負(fù)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(dá)到最佳配合；(4) 質(zhì)量輕以保持質(zhì)量力較?。?5) 具有較高的剛度，以使曲軸傳動系的屈服強(qiáng)度盡可能最低。

活塞銷質(zhì)量輕和剛性高對發(fā)動機(jī)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(jì)。

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(jī)開發(fā)的影響。在現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)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(qiáng)度的潛力是有限的，可以用1個(gè)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(fù)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(bǔ)償，甚至有時(shí)能實(shí)現(xiàn)過量的補(bǔ)償。

圖4　傳統(tǒng)活塞銷和復(fù)合活塞銷總負(fù)荷的定性分析

對于乘用車發(fā)動機(jī)來說，采用這種活塞銷輕量化設(shè)計(jì)概念可減重達(dá)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(jì)算出芯棒的最小過盈量，以確保在所有的運(yùn)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(jì)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(fù)荷與使用傳統(tǒng)活塞銷時(shí)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(jī)應(yīng)用實(shí)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(jì)活塞銷與配對部件(活塞銷孔和連桿銷孔)的配合界面時(shí)，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(yùn)動不會受到影響。同時(shí)，冷態(tài)間隙必須增大。由于在負(fù)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(jī)的驗(yàn)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(jì)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(diǎn)是考慮用經(jīng)濟(jì)的制造工藝來實(shí)現(xiàn)鋁/鋼界面的優(yōu)化。芯棒的材料選用了1種高強(qiáng)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(qiáng)度，芯棒需要在各種負(fù)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(jì)、易于實(shí)施的制造工藝。熱接合方式的缺點(diǎn)是，為了達(dá)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(diǎn)是接合風(fēng)險(xiǎn)，如高溫引起的熱黏著磨損和材料變化。

為克服這些缺點(diǎn)，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(gè)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(qiáng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是芯棒能完全充滿套管內(nèi)腔，這是因?yàn)樘坠芘c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(yàn)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(yàn)驗(yàn)證

活塞銷通常采用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)和共振脈沖器進(jìn)行測試。通常不提供對活塞銷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的模擬。這樣就不能足夠準(zhǔn)確地驗(yàn)證浮動式活塞銷的應(yīng)力。MNAHLE公司是在1個(gè)專門的試驗(yàn)臺上對浮動式活塞銷進(jìn)行了測試。采用這種試驗(yàn)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(shí)際活塞銷孔和連桿小頭孔的幾何尺寸適配。循環(huán)負(fù)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(jī)循環(huán)負(fù)荷。

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

4　發(fā)動機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動機(jī)驗(yàn)證在1臺2.0L共軌噴油轎車柴油機(jī)上進(jìn)行。發(fā)動機(jī)功率為125kW,最高指示壓力18.5MPa。在完成5h的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)并隨即記錄了全負(fù)荷特性曲線后，開始進(jìn)行300h的高百分比全負(fù)荷的交變負(fù)荷運(yùn)行。所有4個(gè)氣缸都配裝了復(fù)合活塞銷，其中2個(gè)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(jī)試驗(yàn)的最終評價(jià)

在隨后的試驗(yàn)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(shí)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(jī)上使用時(shí)，活塞銷的質(zhì)量能減輕達(dá)25%。將鋁芯棒壓入鋼套管的制造過程生產(chǎn)費(fèi)用并不昂貴。所選用的接合工藝對單個(gè)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(jì)中，尤其是活塞銷孔和連桿小端孔的設(shè)計(jì)，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(jī)試驗(yàn)后復(fù)合活塞銷及其配對件的定性評價(jià)

在臺架上和發(fā)動機(jī)上對這種新輕量化設(shè)計(jì)概念成功進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在柴油機(jī)上使用時(shí)，估計(jì)可以不采取任何降噪措施。在汽油機(jī)中使用時(shí)，對噪聲-振動-平順性性能的評價(jià)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(jī)新零件?？砂凑蛰p量化目標(biāo)、形狀穩(wěn)定性或活塞銷孔的間隙策略對復(fù)合活塞銷進(jìn)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)