范金龍 朱興龍 郝 汀 張立松 吳琳楠

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近幾年汽車企業(yè)在節(jié)能降耗方面逐漸提高重視度,除研發(fā)新能源、油電混合技術(shù)之外,輕量化材料的研發(fā)同樣是重中之重。發(fā)動機作為汽車行駛的動力源,采用相應(yīng)材料進行發(fā)動機的輕量化設(shè)計始終是車企的關(guān)注重點。在保證汽車發(fā)動機質(zhì)量、性能的前提下,采用輕量化材料來降低發(fā)動機制造成本,并達到節(jié)能降耗的目的。

1 鋁及鋁合金材料應(yīng)用及其展望

現(xiàn)階段汽車發(fā)動機制造涉及到對大量鋁及鋁合金材料的應(yīng)用,相較于傳統(tǒng)鋼材的應(yīng)用,鋁及鋁合金材料的應(yīng)用取得一定的輕量化成效,并且在耐腐蝕性、導熱性、低密度性等方面,鋁及鋁合金材料的優(yōu)勢更為顯著。據(jù)相關(guān)實踐研究表明,發(fā)動機制造過程中利用鋁及鋁合金材料替代傳統(tǒng)鋼材,能夠有效降低發(fā)動機自重,并且有助于減少汽車尾氣排放。目前鋁及鋁合金材料多用于發(fā)動機缸體、進氣歧管等構(gòu)件,實現(xiàn)發(fā)動機重量降低超過30%[1]。同時,發(fā)動機壓縮比因鋁及鋁合金材料的耐腐蝕性、導熱性而得到提升,避免發(fā)動機功率因熱應(yīng)力的提高而下降。為外,不同于普通材料的應(yīng)用,鋁及鋁合金材料能夠回收利用,以此在降低車企制造成本的同時,達到節(jié)能環(huán)保的目的。

縱觀現(xiàn)階段鋁及鋁合金材料的應(yīng)用,雖然在輕量化設(shè)計方面取得一定成效,但是仍尚存成本過高的問題,并且部分構(gòu)件仍需涉及到對鑄鐵材料的應(yīng)用,因不同材料熱膨脹率存在差異,增大出現(xiàn)變形問題的概率,未來需要對此問題加以關(guān)注,借助先進技術(shù)進行變形問題的控制。

2 鎂及鎂合金材料應(yīng)用與展望

盡管現(xiàn)階段我國對鎂及鎂合金材料的應(yīng)用尚未普及,但是該材料有著較大的發(fā)展空間與前景[2]。相較于常規(guī)材料而言,鎂及鎂合金材料在低密度、強度、減震性能、質(zhì)量、導電性能等方面優(yōu)勢顯著,所以此類材料應(yīng)用,可以在保證發(fā)動機質(zhì)量的前提下,進行散熱性能的優(yōu)化,并實現(xiàn)對發(fā)動機加工精度的優(yōu)化。當前汽車制造中,鎂及鎂合金多用于對壓鑄件的制造,其比厚度可以達到0.5mm,有助于推動汽車輕量化發(fā)展。

近幾年,國外對鎂合金材料的研發(fā)以及制造已經(jīng)取得一定成效,如Mg-AL-Ca等抗蠕變鎂合金材料、MRI1202s等高溫鎂合金材料,并且已經(jīng)在汽車制造領(lǐng)域進行上述材料的應(yīng)用。而縱觀近幾年我國對鎂及鎂合金材料的研發(fā)與應(yīng)用,存在產(chǎn)品仿制、自主創(chuàng)新落后、技術(shù)發(fā)展不成熟等問題,這導致鎂及鎂合金材料的應(yīng)用受到一定的限制。并且針對鎂材料尚未明確統(tǒng)一的檢測標準,其中材料中存在的有害物質(zhì)難以做到有效清除[3]。

對此,我國要想實現(xiàn)對鎂及鎂合金材料的有效應(yīng)用,需重視對自主研發(fā)、自主創(chuàng)新加大力度,加大對鎂試驗、材料處理等方面的資金投入,以此實現(xiàn)對鎂及鎂合金材料的加強應(yīng)用,并達到通過合理應(yīng)用鎂及鎂合金材料進行發(fā)動機輕量化設(shè)計的目的。

3 鈦及鈦合金材料應(yīng)用與展望

作為當代新型結(jié)構(gòu)材料的重要代表,鈦及鈦合金材料有著優(yōu)勢顯著的性能參數(shù),其材料熔點可達到1660℃,其抗拉強度相較于常規(guī)材料表現(xiàn)優(yōu)異,可以與超高強度剛材料相媲美。并且該材料有著極大的工作溫度范圍,最低工作溫度約為-250℃,最高工作溫度可達550℃。正因此,現(xiàn)階段全世界范圍內(nèi),軍事、醫(yī)療、航空、汽車等領(lǐng)域均涉及到對鈦及鈦合金材料的應(yīng)用[4]。

而因成本造價等因素的限制,導致鈦及鈦合金材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用并不廣泛,僅在連桿、彈簧、閥門等個別部件中應(yīng)用。同時,合理應(yīng)用鈦及鈦合金材料有助于汽車的輕量化發(fā)展,與同樣結(jié)構(gòu)的鋼材料發(fā)動機相比,鈦及鈦合金材料的應(yīng)用可以降低發(fā)動機20%的零部件重量,并且因鈦及鈦合金材料的高性能特點,可實現(xiàn)促進汽車發(fā)動機性能參數(shù)的優(yōu)化。

縱觀現(xiàn)階段鈦及鈦合金材料的應(yīng)用,首要解決問題為材料的高成本問題,使得當前汽車發(fā)動機輕量化設(shè)計中難以做到對鈦及鈦合金的廣泛應(yīng)用。對此,未來對鈦及鈦合金材料的研發(fā)需要以降低成本為主要目標[5]。

4 塑料、陶瓷材料應(yīng)用與展望

針對機用塑料而言,各車企在不同類型汽車中都涉及到對此材料的應(yīng)用,相較于常規(guī)鋼材料而言,機用塑料的使用可以提升發(fā)動機的維護便利性,并在降低發(fā)動機總重量的同時,實現(xiàn)對發(fā)動機性能的優(yōu)化?，F(xiàn)階段機用塑料在發(fā)動機中的應(yīng)用,具體部位包括進氣歧管、氣門室罩蓋等。

針對陶瓷材料的應(yīng)用,因其特點優(yōu)勢明確而得到廣泛應(yīng)用,例如汽車渦輪增壓器中以往的金屬渦輪可以利用陶瓷材料進行取代,以此在降低重量的同時,實現(xiàn)對渦輪滯后現(xiàn)象的有效避免。相較于鋼材料的應(yīng)用,陶瓷材料的耐高溫性較強,即系統(tǒng)運行受到高溫的影響較低,達到優(yōu)化、改善增壓器運行性能的目的。此外,陶瓷材料還可以應(yīng)用于氣缸套、活塞等部位,可以在降低構(gòu)件磨損的同時,進行機熱效率、輸出功率的優(yōu)化。

5 結(jié)束語

綜上所述,汽車輕量化的發(fā)展與發(fā)動機材料的應(yīng)用存在直接關(guān)聯(lián),盡管現(xiàn)階段汽車領(lǐng)域?qū)︽V及鎂合金、鈦及鈦合金等材料的應(yīng)用相對較少,但是未來汽車輕量化發(fā)展必然有鎂材料與鈦材料的一席之地。同時,需繼續(xù)加大對鋁材料、機用塑料、陶瓷等材料的研發(fā)與應(yīng)用力度,充分挖掘出現(xiàn)階段輕量化材料應(yīng)用存在的問題,通過深入研究、研發(fā)來實現(xiàn)對材料問題的有效避免,以此實現(xiàn)在發(fā)動機強量化設(shè)計的同時,促進汽車發(fā)動機性能參數(shù)的優(yōu)化。