新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 发动机零件轻量化

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发表于 2015-3-28 17:55:09 | 显示全部楼层 |阅读模式

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轻量化已是现今汽车生产企业产品发展的一个方向和在技术上着重追求的一项目标,而采用轻质材料替代传统材料是主要途径之一。本文主要通过发动机中进气岐管轻量化这一具体案例,就如何提升零部件轻量化轻质材料应用水平的相关问题进行了剖析。
        研究表明,乘用车的整车重量每减少10%,至少可降低油耗8%,甚至可达10%或更多,并使燃油效率提高5.5%,排放则降低5%~6%,若汽车的整体质量每台能减少100kg,则每百公里的燃油消耗可降低0.3~0.6L。对于汽车最重要总成——发动机,减轻其重量的意义也很大。以一台诞生于近几年的新一代德国大众的EA211系列小排量汽油发动机与其前一代EA211系列的产品的对比为例,由于前者更多地采用了铝合金、工程塑料等轻质材料,而且在零部件的集成化、模块化和结构优化上都有了很大的突破,其质量整整轻了22kg,减重18%,燃油消耗相应地有了8%左右的下降。再从两者的碳排放水平来看,减排效果也很明显,前者二氧化碳的排放量约可减少10g/km左右。总之,轻量化对于节能减排的实际意义效果非常明显。
        本文将以发动机的进气岐管为例,通过这一典型零件的轻量化实现,对当今发动机零部件如何发挥轻质材料,特别是工程塑料的作用,并提升其应用水平进行探讨和分析。
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        图1  铝合金进气岐管
从铝合金到增强尼龙材料
        自20世纪80年代中后期起,以上海大众的桑塔纳轿车为代表,在其结构紧凑的发动机中,铝合金材料已在大至缸体、缸盖和进气岐管(见图1),小到水管接头等零件中得到了应用,体现了企业在产品开发、设计过程中对零部件轻量化的关注。
        近年来,随着汽车轻量化日益受到重视和技术上的快速发展,在零部件的生产中利用更轻质化的非金属材料替代传统金属材料也已取得了很大进展,在汽车上的应用势头更猛。应用工程塑料(如尼龙/PA),或者是工程塑料加纤维增强材料(FRP),不但能达到明显的降低整车或总成重量的效果,还具有较高的综合性能。尤其是纤维增强材料中,作为当今已较普遍采用的一种最有代表性的玻璃纤维增强材料(GFRP),具有的密度小、强度高的优势,虽然其刚度较金属材料要低些,但只要用于合适的汽车零部件,就能获得极佳的轻量化效果。
        通过近期一项以进气岐管为研究对象的汽车零部件轻量化的行业调研获知,到20世纪90年代末,包括上海大众、一汽-大众和上海通用等主流企业在内的绝大多数国内汽车厂商,他们生产的发动机所配的进气岐管材质仍然多采用铝合金,然而就在近10年左右的时间内,情况就发生了很大的变化。调查表明,几年前,其进气岐管的材质就已基本完成了由铝合金向工程塑料的过渡。现今已仅有很少企业的个别型号发动机尚在应用铝合金进气岐管,如奇瑞汽车现有的两款发动机(481/484和272)仍采用铝合金材料,372等三款发动机只有约10%在用铝合金进气歧管,显然全部转变为工程塑料已不需要太长时间。此外,江淮汽车、长安铃木等都也是只有一两种发动机还在用铝合金进气岐管,大部分都采用了工程塑料进气歧管。
        事实上,在德国大众系统的一些企业,基本上是采取在产品换型换代时,才采取对发动机中包括工程塑料进气岐管在内的新的零部件进行整体更换,亦即在这之前生产了多年的老款发动机的基本状态(如某些零部件的材质)往往会保持到最后换代前。如上海大众、一汽-大众生产多年的EA827、EA113等发动机系列产品,在被新一代的产品EA888、EA111完全取代前,其上配装的进气岐管仍然是铝合金的,而新一代发动机的进气岐管则完全改成了工程塑料。但多数合资或自主品牌产品生产厂还是选择了通过对原有产品(包括发动机)材质、制造工艺的修改来达到既定的目标。除了上面提到的奇瑞汽车外,吉利汽车已于2007年完成了对现生产的所有发动机的进气岐管由铝合金改为工程塑料的进程,而比亚迪则稍迟些,约在近两年才完成了对最后一款产品进气岐管的材质变更。与国外发达国家的主要汽车制造企业的产品相比,在这一很有代表性的轻量化举措上,国内企业大约有近10年的差距。
        在这次以进气岐管为研究对象的零部件轻量化行业调研中,我们发现所有被调查到的企业所生产的发动机,其配的进气岐管的材质大多采用增加了玻璃纤维增强材料的增强尼龙材料,比如PA6+GF30,即尼龙单6加30%的玻璃纤维增强材料,也有个别工厂,如上汽乘用车、南汽动力总成公司等,采用了PA6+GF35,即尼龙单6加35%的玻璃纤维增强材料。不过其实这两者的性能差别不大。
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汽车轻量化应“量材录用”
毫无疑问,以工程塑料取代铝合金作为进气岐管的基体材料乃是实施汽车轻量化中的一个很大的成果。被工程塑料所取代的铝合金虽然本身也是一种轻质材料,但将两者对比,前者的优势十分明显。首先是零部件轻量化的效果,进一步减重将可达到50%左右,至于材料自身和制造成本的降低,虽然各企业间因加工方法会稍有些差异,但最少可下降一半是无疑的,而且在确保了零部件基本功能的前提下,还会进一步提高零件的减振性和吸能性。当然,虽然它相对于纤维增强材料家族中的另一种性能更优越的碳纤维增强材料(CFRP),差距还是很大的。实际上,CFRP的某些性能指标甚至超过了钢材,也是机动车辆,尤其是轿车车身(包括“四门二盖”)和底盘(车架、悬挂等)等有很高的要求的部件的轻量化适用材料。然而问题是,即使在汽车轻量化发展和应用水平最高的德国,CFRP也尚处于起步阶段,各国大的汽车厂商近年也不断报道有采用CFRP车身的概念车推出,但迄今只有奥迪、宝马等企业以小批量方式生产一两款跑车等非主流车型。根本原因还是其技术和工艺成形技术等方面所遇到的诸多难题,特别是由此将涉及到的成本、价格问题。汽车轻量化必须秉承“量材录用”的原则。
不断创新的聚丙烯改性材料
        基于多方面面临的巨大挑战,生产厂商会持续努力与原材料供应厂商相配合,开发出经济性更好的适用材料,以进一步降低制造成本。近年来,德国大众与知名的材料供应商巴斯夫、博禄合作,通过对普通塑料聚丙烯(PP)的增强改性,将PP+GF30和PP+GF35等玻纤增强聚丙烯改性材料成功地用于部分轿车车型的进气岐管,替代了原来的PA6+GF30,即是一个典型的案例。
        众所周知,材料的弹性模量E可以在很大程度上作为其力学性能的一个表征,而为了适应进气岐管在机动车辆内的工作环境,还必须强调耐温这项指标,即能满足发动机的长期工作温度要求,多数情况下约在-40~140℃的范围。图2反映了三种对比材料弹性模量E的对比,其纵坐标为拉伸弹性模量E,横坐标为温度。蓝色虚线表示了已被众多国内外企业的应用实践所充分验证了可行性的PA6+GF30在工作环境下的变化,可以看到,温度达到140℃时,PA6+GF30的E值仍比3000稍高。黑色实线代表了玻纤增强聚丙烯改性材料PP+GF30的变化情况,曲线走势表明该材料无法满足高温使用环境,即使在100℃时已很勉强。为此,供应商专门研制了能适用于耐高温环境的玻纤增强聚丙烯改性材料PP+GF35,从图中红色虚线可见,在140℃时,它与蓝色虚线的对应值差别已不大,完全能满足需求。经过自2009年起在欧洲、2012年起在中国的一些主流企业的实际使用,PP+GF35已被证明了其可靠性,鉴于厂商已将这种材料申请了专利,故PP+GF35也称“Fibremod GB306 SAF”。图3是已成功地用于大众和斯柯达品牌旗下多款车型(如Polo、Golf、Jetta、Fabia等)的1.4L和1.6L发动机上所配的PP+GF35进气岐管。
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        现今,已有越来越多的玻纤增强聚丙烯改性材料被用于汽车零部件,对汽车业界来说,无论是从生产企业的降本增效还是从汽车轻量化这一产品的发展目标这一趋势有着十分积极的意义。这是因为:
1.聚丙烯的原料来源丰富,采用的聚合工艺相对高效且简单,而形成的改性材料也易于成形加工,故整个制造成本就比较低了。就以进气岐管为例,相比增强尼龙材料PA6+GF30,改为玻纤增强聚丙烯改性材料后,整个成本下降了20%;
2.研究和试制表明,通过多种多样的改性手段,如填充、增强、增韧以及特殊的添加剂体系,将可获得长期耐热老化性等优异的物理性能和力学性能,从而扩大了应用范围;
3.聚丙烯在所有聚合物中密度最低,仅为0.9g/cm3,即使经过改性后,也在1.1~1.2g/cm3之间,相比其他的材料,减重效果提高了15%左右;
4.较之其他的工程塑料减振和吸振的效果更好,以进气岐管大量采用的尼龙改性材料为例,在改用了玻纤增强聚丙烯改性材料PP+GF35后,噪声可整整下降5dB;
5.聚丙烯的耐化学药品性好,不会与添加剂和填料发生反应;
6.无论聚丙烯还是其改性材料,均为环境友好材料,因此可以多次循环使用。
结语
        实现汽车轻量化已成为当今国内外汽车产业界的一个战略目标,而作为轻量化的主要方式之一,借助车身、各大总成和零部件采用轻质材料来减重,也已经取得了长足的进步。但客观地说,迄今在这一领域不但尚有诸多技术难题有待攻克,对于一些国内企业来讲还需解决若干理念上的问题。其中之一就是在实施轻量化过程中务必同时考虑制造成本等涉及工厂运行的核心问题,若为了取得有限的节能减排的效果而付出了过高地成本代价,甚至影响到产品的安全性,那显然是不可取的。因此,在确保轻量化零部件基本功能的前提下,按量材选用、量体裁衣的原则,通过选择相对经济、适用的轻质材料以替代之前的材料才是一条正确的途径。

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