作者： 周巧玲
来源：《科技资讯》 2011年第35期
周巧玲
(合肥工业大学 合肥 230009)
关键词:发动机 轻量化
中图分类号:U464 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)12(b)-0128-02
石油是现代汽车的主要能源,目前,地球上的石油储备含量有限,而汽车产量的增加也带来燃油价格的上涨。所以汽车设计、制造和使用的重要任务是节约燃油、提高燃油经济性。减轻汽车整备质量,实现汽车车身及零部件的轻量化,是降低油耗最有效的重要措施之一。表1所示为汽车自身重量的主要构成比例。可见,发动机、底盘及车身零部件是轻量化的重点。本文介绍发动机的轻量化。
1 汽车轻量化的意义
汽车轻量化必须是在保证汽车强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力利用率,减少燃料消耗,降低排气污染。汽车轻量化对于节约能源、减少废气排放十分重要。
汽车行驶时需克服的阻力有滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、和加速阻力。阻力越大,燃油消耗率就越大。其中滚动阻力、坡度阻力和加速阻力与整车总质量成正比,质量越大,阻力越大。空气阻力主要与迎风面积和车身形状有关,与整车的总质量无关。降低汽车总质量,能减小行驶阻力,从而减小行驶驱动力,降低燃油消耗,提高燃油经济性。汽车质量每减轻100kg,能使汽车百公里油耗减少30%以上。根据美国1978年进行的统计表明,总质量为1360kg的汽车,当汽车总质量减少10%,燃油消耗降低约8.8%,而燃油消耗每减少1L,产生的CO2排放量则减少2.45Kg。所以汽车轻量化也是节能环保的有效措施之一。
2 发动机的轻量化
轻量化应该通过结构、材质、制造工艺的优化来取得,必须以保证汽车的安全性为最基本的前提。根据零部件的受力、功能和要求,分析每个部件的应力和轻量化目标,进行优化设计后,再确定轻量化材料。应用先进的制造技术和工艺(高强度钢的制造技术,合金复合材料的成型技术和非金属材料的成型技术等),采用先进的加工工具和设备,来达到零部件的轻量化。通过相关结构的轻量化优化设计和几何形状的优化,尽可能降低零部件的成本。
2.1 新设计在发动机上的应用
随着计算机的飞速发展,越来越多的先进设计理论应用到发动机设计中。利用现代化信息化技术,创新轻量化设计理论和优化设计工具,减少零部件数量,将部件零件化、复合化。减少零部件数量,整合零部件,结合结构优化方法与有限元法,对零部件进行结构优化设计,保证零部件的强度的前提下使零部件中空化、薄壁化,消除零部件的冗余部分。
目前在汽车轻量化结构优化设计中已普遍采用拓扑优化的方法,可以在不减轻质量的情况下提高刚度,及在不降低刚度的情况下减轻质量。如奥迪公司采用拓扑方法优化、改进结构,并通过有限元结构模拟计算,对主轴承盖进行优化设计,使质量减轻了22%。
发动机零部件 2.2 新材料在发动机上的应用
铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料、复合材料和高强度钢等材料是实施发动机轻量化的主要材料,主要用以改造和替代发动机材料。其目的是在保证发动机性能的前提下,通过使用轻质材料来降低发动机质量,从而实现节能环保功能。
发动机材质通常采用三种方式:缸体缸盖全铸铁、缸体缸盖全铝合金以及缸体铸铁缸盖铝合金。目前缸体铸铁缸盖铝合金的发动机动机较多。发动机的轻量化,采用铝合金或镁铝合金结构代替密度大的铸铁发动机部件,从而实现强度更强和质量更轻。
铝具有良好的机械性能,耐腐蚀性、导热性好,其密度只有钢铁的1/3。其合金还具有高强度、易回收、吸能性好等特点。但铝合金焊接性能差,其加工难度比钢材高。目前,占汽车用铝量80%是铝合金铸件。铝合金用于制造发动机零部件和壳体类零件等,如缸体、缸盖、活塞、进气管、水泵壳、起动机壳、发动机壳、摇壁、摇壁盖、滤清器底座、发动机支架、正时链轮盖、发动机拖架等。铝合金铸件也大量应用在重型车发动机中的进气歧管、油底壳、飞轮壳和齿轮室罩盖等零件中。
镁的密度伟1.8g/cm3,与铝相比,镁可使重量减轻21%,镁合金减震性能好,能降低汽车噪音及震动。但铸造性能比铝差,其后处理工艺复杂,导致成本高。发动机上已大批量应用镁的主要是进气歧管,以及支架、罩盖等。
高强度不锈钢耐热,耐腐蚀,在排气系统中大多使用不锈钢材料。但不锈钢的成本较高。采用高强度不
锈钢板试制的发动机支架等零部件,轻量幅度可达到30%左右。
钛的密度为4.5g/cm3,钛及其合金强度比铝、镁合金高;其高温力学性能和低温力学性能好,钛合金在500℃左右仍能保持良好的力学性能;钛合金具有优异的耐蚀性能,可在恶劣的工作环境下使用。因此钛合金将是替代钢铁的高性能的轻量化材料。但其价格昂贵。钛可用于制造发动机气门、气门座、气门弹簧、连杆、紧固件等,除了减轻重量外,还可提高使用性能,抗振、节约燃油。由于钛合金具有良好的高温力学性能和抗腐蚀性能,在赛车、改装车或高档轿车中采用钛合金排气系统。
精细陶瓷具有优良的力学性能和化学性能,高温强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐热冲击、耐氧化、蠕变等。但成本高,制造工艺复杂,可靠性差。特种陶瓷主要用于发动机的各种耐磨耐高温零件,如活塞、气缸、发动机、配气机构零件、催化转化器载体等,纳米陶瓷可制作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶、氧传感器材料等。采用陶瓷材料不仅减轻重量,而且使功率提高,油耗大大下降。
高强度钢弹性模量高、刚性好、耐冲击性好、抗疲劳强度高等特点,且价格低,缺点是耐腐蚀性差。目前汽车发动机使用的高强度钢主要用于燃烧室,降低了质量,提高了发动机功率,从而降低油耗。此外, 发动机托架也可采用液压成形技术生产的高强度钢构件。
塑料柔韧性较好,耐磨,避震。每100kg的塑料可替代其它材料200kg～300kg,可减少车辆自重,增加有效载荷。发动机上采用聚酰胺和PP制造空气的净化系统,采用玻纤增强尼龙制造进气歧管等,不仅节约了制
造材料和装配成本,也减轻了发动机的重量,提高燃料的利用率。
2.3 新的制造技术和工艺在发动机上的应用
随着零部件的多材料设计、部件的零件化(减少零件设计)的发展,材料技术与设计、制造工艺越来越紧密的结合。激光拼焊、内高压成形以及不同材料的连接技术等新技术应运而生。应用先进的加工技术和连接技术,对多材料结构进行优化,从而减轻发动机重量。
2.3.1 激光拼焊
激光拼焊是指将几个小零件通过激光焊接集成到一个大的毛坯,进而冲压成形成所需的整体部件,主要用于差强度、差厚度或不同表面处理状态的零件整体成形。采用激光拼接板材后,可使零件数量减少19%,零件重量减轻24%,焊点下降49%。可用于制造发动机进气歧管等。
2.3.2 内高压成形
内高压成形也叫液压成形或液力成形,是一种利用液体作为成形介质,通过控制内压力和材料流动来达到成形中空零件目的的材料成形工艺。发动机的排气系统异形管件即采用管材液压成形技术。与冲压焊接件相比,管材液压成形能节约材料,减轻重量,轴类零件可减重30%～50%,一般结构件可减重20%～30%,提高了构件的强度与刚度,由于焊点减少而提高疲劳强度。
2.3.3 热冲压成形技术
热冲压成形技术是将钢板(初始强度为500～600MPa)加热至奥氏体状态,然后进行冲压并同时以20～300℃/s的冷却速度进行淬火处理,(保压一段时间以保证淬透)以获得具有均匀马氏体组织的高强钢构件的成形方式。可用于制造发动机罩等。
2.3.4 楔横轧工艺
楔横轧工艺是阶梯轴类零件塑性成形的新工艺,在该工艺中,楔形模具作相向运动,扎入圆形截面的毛坯,迫使毛坯回转并沿着模具的型面作相应地减径和延伸。采用楔横轧工艺,生产效率高,可比其他工艺提高3～10倍,材料利用率高,可节约材料20％～35％,采用楔横轧,可以由钢管制造各种阶梯轴,如凸轮轴等,一般可减重30%。
3 结语
发动机的轻量化是一个复杂的系统工程。发动机的轻量化与底盘、车身的轻量化应结合起来,不断开发应用新材料,不断发展零部件设计、制造等先进技术,这样才能达到最佳的轻量化效果。
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