童身亮

摘要：汽車輕量化對(duì)于促進(jìn)汽車節(jié)能減排以及推動(dòng)汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展有重要的意義，而發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車中重量最大的部件，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的途徑進(jìn)行研究，對(duì)相關(guān)的加工制造工藝進(jìn)行創(chuàng)新，從而能夠提高汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展水平。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);輕量化;途徑

中圖分類號(hào)：U464.04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0033-02

0? 引言

根據(jù)相關(guān)研究，汽油乘用車的質(zhì)量每降低100kg，百公里就能夠節(jié)省燃油0.39L，而汽車每質(zhì)量降低10%，便能夠節(jié)省燃油6～8%，減少排放將近4%。乘用車中，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量可以占到12%左右，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行輕量化的處理，能夠使汽車的動(dòng)力性得到較大的提升，同時(shí)還能夠降低汽車的駕駛成本等。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行輕量化處理的過程中，應(yīng)當(dāng)以可靠性與安全性為前提，通過對(duì)結(jié)構(gòu)、工藝以及材料等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的目標(biāo)。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化途徑

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化主要是從結(jié)構(gòu)與材料上進(jìn)行，通過采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)相關(guān)的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)零件的尺寸以及形狀進(jìn)行優(yōu)化，從而降低零件的質(zhì)量與成本;通過采用輕量化的材料以及先進(jìn)的工藝技術(shù)，能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)中的部分零件進(jìn)行輕量化處理。在實(shí)際執(zhí)行的過程中，應(yīng)將材料與工藝技術(shù)結(jié)合，從而達(dá)到最佳的優(yōu)化效果。

2? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑

2.1 氣缸蓋集成排氣歧管

通過將排氣歧管集成到氣缸蓋內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)排氣歧管內(nèi)的熱廢氣與缸蓋水套之間良好的熱交換，從而能夠快速的完成暖機(jī)，降低由于冷啟動(dòng)所導(dǎo)致的內(nèi)部零件之間的摩擦，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到工作狀態(tài)，進(jìn)而可以降低油耗減少排放。此外，將氣缸蓋排氣歧管進(jìn)行內(nèi)置，還能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量降低3～5kg，并且由于減少的是發(fā)動(dòng)機(jī)頂部的質(zhì)量，因此對(duì)降低整車的重心也有較大幫助。

2.2 空心凸輪軸

傳統(tǒng)的凸輪軸為一體式并且使用的材料單一，經(jīng)鍛造或者鑄造后再進(jìn)行多道切削工序加工完成，重量較大。而通過對(duì)凸輪軸進(jìn)行空心化處理，則能夠在一定程度降低重量。某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)通過使用的是組合式空心凸輪軸，這種凸輪軸利用鐵基粉末冶金材料做成凸輪，采用滾花過盈連接或者滾花連接的方式將凸輪與空心鋼管固定在一起。相較于鑄鐵件，空心凸輪軸的質(zhì)量能夠降低將近30%，并且成本更低，對(duì)整機(jī)的性能有較大的提升幫助，比傳統(tǒng)的一體式凸輪軸應(yīng)用性更好。

2.3 缸體鑄造油道

傳統(tǒng)的缸體回油道利用機(jī)械加工打通缸體頂部與曲軸箱的內(nèi)部，對(duì)加工刀具有著較為嚴(yán)苛的要求，并且由于缸頂較窄的油孔直對(duì)曲軸，會(huì)使得流回的潤(rùn)滑油會(huì)濺到曲軸上，進(jìn)而加大了曲軸的運(yùn)動(dòng)阻力。而通過采用回油道鑄造缸體，能夠增大缸體的強(qiáng)度以及整個(gè)缸體的抗變形能力，使得缸體更加緊湊，從而能夠減小缸體的質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體采用鑄造成型油道是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，但如果采用傳統(tǒng)的澆筑方式難度較大，因此研究出了新的澆筑工藝。目前采用的以立澆工藝為主，立澆工藝主要有以下兩種：①純組芯工藝，采用的是直接澆筑的方式，這種工藝不能夠保證現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，因此應(yīng)用性較差。②將造型線與組芯相結(jié)合的生產(chǎn)工藝，建立殼芯的生產(chǎn)線，這種工藝適用性較高，因此應(yīng)用的比較廣泛。

2.4 適用3D打印優(yōu)化結(jié)構(gòu)

國外的雷諾卡車公司，在設(shè)計(jì)一款發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，通過利用3D打印技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)的部分零部件，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量減少了將近120kg，同時(shí)3D打印的零件其耐久性等已經(jīng)得到測(cè)試，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求。通過對(duì)3D打印技術(shù)的進(jìn)一步研究，雷諾卡車公司的工程師已經(jīng)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行整體的虛擬設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)中的搖臂與凸輪軸的軸承利用的都是3D打印技術(shù)完成制造，并且在臺(tái)架上進(jìn)行了600h的運(yùn)行測(cè)試，相關(guān)性能指標(biāo)能夠滿足要求。通過科學(xué)合理的應(yīng)用3D打印技術(shù)，能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輕量化制造提供新的方向，發(fā)動(dòng)機(jī)的廠家能夠使用分層材料完成部分零部件的制造，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配操作強(qiáng)度并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的數(shù)量進(jìn)行較大的優(yōu)化。采用這種技術(shù)具有諸多好處，其能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的零部件進(jìn)行優(yōu)化與整合，雷諾卡車公司通過在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用3D打印技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件數(shù)量減少了將近200個(gè)，占總數(shù)量的近25%，此外還對(duì)80個(gè)缸體的零件以及45個(gè)缸蓋的零件進(jìn)行了集成。此外，雷諾卡車公司利用3D打印技術(shù)還對(duì)交流發(fā)電機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)線束的支架進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的重量能夠明顯降低。

2.5 曲軸輕量化

在曲軸輕量化上，上汽大眾相對(duì)比較成熟，其在現(xiàn)有技術(shù)條件能夠達(dá)到的情況下，將零部件的輕量化工作做到了極致。其主要采取的措施包括：減少扇板的數(shù)量，由原來的八片減少到四片;縮短扇板的寬度并優(yōu)化扇板的形狀;減小主軸頸的尺寸;在連桿軸徑上鉆去重孔。此外，還對(duì)過渡部位的形狀進(jìn)行調(diào)整，采用圓角進(jìn)行優(yōu)化，并增加多個(gè)凹坑等。通過采用上述方式，上汽大眾的某型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸重量相較上一代產(chǎn)品能夠減重15～20%。其他發(fā)動(dòng)機(jī)制造商研究出主軸頸以及拐頸為空的中空曲軸，從而使曲軸的重量能夠減少15%左右。

2.6 活塞輕量化

國外某公司為寶馬的一款發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)了一種X形的輕型活塞，這種活塞在裙部以及對(duì)應(yīng)的膨脹處等都呈現(xiàn)出X形狀。通過采用這種X形的活塞，能使得活塞的質(zhì)量降低100g左右，并且不會(huì)改變活塞的壓縮高度以及連桿長(zhǎng)度。同時(shí)X形活塞的摩擦面積更小，進(jìn)而能夠減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中活塞的機(jī)械磨損與燃油的消耗量。完成整體組裝后，相較于傳統(tǒng)的收縮窗式活塞，采用X形活塞能夠減重96g。

還有一種輕量化的活塞為鋼頂鋁裙鉸接活塞，這種活塞的活塞頂與活塞軸相互獨(dú)立，活塞頂相對(duì)于裙部能夠進(jìn)行獨(dú)立的自由擺動(dòng)?；钊闹睆皆酱?，鉸接式活塞在質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)越明顯。如果活塞的直徑低于80mm，則使用純鋁的活塞較輕;如果活塞的直徑等于80mm，鉸接式活塞與純鋁的活塞質(zhì)量大致相同;如果活塞的直徑超過80mm，則鉸接式活塞更輕，比活塞式輕20%左右。此外，鋼頂鋁裙鉸接活塞的壓縮高比更低，從而能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度有所下降。

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的附件進(jìn)行輕量化處理，也能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。比如有的企業(yè)對(duì)鏈條以及張緊器進(jìn)行了材料以及工藝上的優(yōu)化，從而使整個(gè)鏈條系統(tǒng)的質(zhì)量有一定程度的下降。對(duì)鏈條自身來說能夠降低重量25～30%，通過對(duì)張緊器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量能夠降低10～20%。

3? 材料創(chuàng)新

材料在發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化上有很重要的應(yīng)用，通常會(huì)使用鋁合金以及鎂合金材料取代密度較大的鑄鐵材料，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上能夠保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度更高，質(zhì)量更低。通過使用高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼，能夠使得零件進(jìn)行更緊湊的設(shè)計(jì)，并且體積更小，從而能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。其中鋁合金多應(yīng)用在氣缸體、缸蓋以及活塞上等多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)零件上，而鎂合金多應(yīng)用在鏈條室以及氣門上。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告，在汽車上使用0.45kg的鋁就能夠降低整車質(zhì)量約1kg，如果汽車整車都采用鋁制，則比鋼制的能夠降低重量約40%。因此通過對(duì)材料進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)汽車的輕量化有重要意義。

3.1 缸孔噴涂技術(shù)

隨著汽車輕量化的發(fā)展需求越來越迫切，鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車中的應(yīng)用開始逐漸變得廣泛起來。因?yàn)殇X合金的耐磨性與相關(guān)力學(xué)性能低于鑄鐵材料，使得傳統(tǒng)的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)需要鑲嵌鑄鐵缸套，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。如果使用鑄鐵缸套，由于缸套和缸體間材料的熱容性不同，從而對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的耐用性會(huì)產(chǎn)生較大的影響。為了解決這種問題，國外相關(guān)汽車企業(yè)開發(fā)出一種新的工藝技術(shù)，即缸孔噴涂技術(shù)，也叫無缸套技術(shù)。

缸套噴涂技術(shù)利用電弧噴涂或者等離子噴涂等熱噴涂技術(shù)，將合金涂層或其他的復(fù)合材料噴涂在經(jīng)粗化處理的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔內(nèi)壁上，從而替代傳統(tǒng)的鑄鐵缸套。通過采用這種缸套噴涂技術(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體為一體式的鋁合金缸體，涂層的厚度只有0.3mm，能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)質(zhì)量，減小活塞與缸孔之間的摩擦磨損，并且具有較好的熱傳導(dǎo)性，能夠明顯降低燃油消耗量與CO2的排放量。

3.2 蠕墨鑄鐵缸體缸蓋

蠕墨鑄鐵屬于高強(qiáng)度材料，其力學(xué)性能以及鑄造工藝性能在球磨鑄鐵與灰口鑄鐵之間，比較適合制造發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體以及缸蓋等對(duì)制造強(qiáng)度有較高要求并且需要承受熱循環(huán)負(fù)荷的零部件。因?yàn)槿淠T鐵的強(qiáng)度與剛度較高，因此氣缸能夠在壓力更高的環(huán)境中運(yùn)行，從而更容易達(dá)到尾氣排放的相關(guān)要求。此外其質(zhì)量更低，相較于灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)，一臺(tái)裝配完成的蠕墨鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)其重量能夠低9%左右。

隨著國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率以及噴射壓力等有了更高的要求。而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，將是發(fā)動(dòng)機(jī)下階段技術(shù)發(fā)展的重要工作。國Ⅵ時(shí)期我國柴油機(jī)的熱效率為46～48%，而國Ⅵ后將提高到50～55%。通過應(yīng)用蠕墨鑄鐵，對(duì)推動(dòng)國Ⅵ時(shí)期的技術(shù)發(fā)展有重要幫助。

目前國內(nèi)的大型柴油機(jī)企業(yè)已經(jīng)開始使用蠕墨鑄鐵制造發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體與缸蓋，但由于蠕墨鑄鐵的加工難度較大，因此對(duì)刀具有著較為嚴(yán)格的要求。而導(dǎo)致蠕墨鑄鐵加工困難的原因有多種，具體包括：①蠕墨鑄鐵的熱傳導(dǎo)性較差，在加工的過程中所產(chǎn)生的切削熱不能及時(shí)散出，從而使刀具磨損比較嚴(yán)重。②采用蠕墨鑄鐵制造的零件，窮鑄造硬皮中含有鐵素體，刀具在切削時(shí)容易與切削刃發(fā)生粘結(jié)。③同灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵中沒有硫化物，因此不能夠沉積到刀具的切削刃上，從而沒有良好的潤(rùn)滑效果。④蠕墨鑄鐵具有較高的強(qiáng)度，因此在實(shí)際加工過程中需要較高的切削功率。在多種因素的影響下，切削蠕墨鑄鐵的刀具使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于切削灰鑄鐵的刀具使用壽命，因此還需要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

3.3 應(yīng)用非金屬材料

現(xiàn)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要材料為優(yōu)質(zhì)鑄鐵或者鋁合金等，不過隨著材料技術(shù)的快速發(fā)展，部分復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的制造中。目前發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼主要采用沖壓成型的鋼制油底殼或者采用壓鑄成型的鋁合金油底殼，不過有的企業(yè)已經(jīng)開始玻纖復(fù)合材料的油底殼。相較于鋼材與鋁合金，玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料的密度更低，因此能夠減重，并且通過采用注塑成型的工藝，能夠?qū)κ占饕约皺C(jī)油濾清器等進(jìn)行集成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的布局優(yōu)化以及降低制造裝配費(fèi)用有較大幫助。相較于鑄鋁油底殼，采用玻纖復(fù)合增強(qiáng)材料的油底殼重量能夠降低約40%。

此外，采用塑料進(jìn)氣歧管，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化也有一定幫助。塑料的進(jìn)氣歧管重量更低，并且內(nèi)壁更加光滑，能夠改善氣體的流動(dòng)性，提升進(jìn)氣效率，具備較好的隔熱效果，從而能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油利用率與工作性能得到一定程度的提升。

4? 結(jié)語

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化是未來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，不僅是為了降低生產(chǎn)成本，同時(shí)對(duì)節(jié)能減排也有重要意義。因此，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、工藝、材料等多個(gè)方面繼續(xù)深入研究，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的相關(guān)技術(shù)更加成熟，促進(jìn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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