新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 发动机轻量化工艺及结构解析

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发表于 2020-11-22 22:24:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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发动机轻量化工艺及结构解析
夏万芝
(昆明云内动力股份有限公司,昆明650217)
摘要:发动机轻量化作为汽车实现节能减排的关键途径,已成为汽车行业主要的发展趋势。本文就发动机的轻量化途径,分析其工艺、结构、材料的优化路径,并提出发动机轻量化工作的实践创新,旨在为相关行业的持续发展提供借鉴。
关键词:发动机;轻量化;材料运用;工艺创新
0 引言
在乘用汽车整车当中发动机质量约占据12%,其属整车的“心脏”。发动机轻量化,不仅能促使汽车的动力性提升、节约材料、减少费用,还能优化整体车质的分布。发动机实现轻量化需要以保证整车的安全性与工作的稳定性为前提,通过优化设计发动机结构、优化材料、革新技术等实现轻量化。
1 发动机的轻量化途径
优化结构与运用材质较轻的材料作为发动机实现轻量化的主要途径。通常而言,就是利用拓扑优化对有关零部件构造进行分析并优化尺寸与形态,在实现零件重量下降的同时减少零件的使用成本,从而达到降低整机成本的目的。通过组合不同的零件性能,设计零件的模块化,使零件的数量缩减,要求供应商合件供货、总成供货,设计变更时减少状态变型,提升模块的通用性。
2 材料运用创新
发动机轻量化材料首先需优先考虑铝合金以及镁合金材料来代替大密度球铁或铸铁材料,如支架类材质由QT450或HT250改为ADC12,飞轮壳材质由HT250(图1)改为A380(图2),齿轮室、链轮室盖由HT250改为ADC12,重量大大减轻,仅为原重量的40%左右,随之外观质量大大提升,铸造缺陷明显减少,废品率也大大降低。铝合金材料具体用于缸盖、滤清器底座、油底壳、飞轮壳、发动机支架、齿轮室、摇臂、空调压缩机壳体、进气管、活塞等发动机零件。近年来其它轻量化材料也都广泛运用,如曲轴皮带轮铸铁件改为旋压件,链条喷嘴本体由45#优化为PPS+6061镶件,增加NBR密封胶圈。在改善整体构造的条件下保证整体结构更加强硬,质量更加轻盈,设计出来的部件更加小型化与紧凑,有利于汽车轻量化
图1

图2

3 工艺创新
创新与优化发动机的零部件构造对工艺与装置提出新需求,相应的设备工装需配套提升,不管是核心零部还是附件,都走向轻量化,充分保证强度、性能,例如以下几种方式:减少壁厚,如飞轮凹面壁厚减少,空调压缩机齿轮壁厚较少;增加减重孔或加大减重孔直径,如喷油泵齿轮增加减重孔直径,惰齿轮轴增加减重孔;缩小体积,如EGR冷却器减少冷却器内的散热管。此外蠕墨铸铁的缸体缸盖也可应用到轻量化中,蠕墨铸铁属于一类强度较高的材料,其力学性能与铸造性能处于球墨铸铁与灰口铸铁中间,适宜制造高强度要求、并具有承热循环负载要求的零部件,如气缸盖及气缸体等等。蠕墨铸铁的强度较高,表示气缸能够在高压力环境中继续工作,更能达到排放尾气的标准了;其次,发动机更能符合轻量化要求,具备紧凑性,通常一台完成装配的此种发动机重量轻于灰铸铁发动机的9%。
4 优化结构4.1 曲轴轻量化
曲轴依然在技术许可的状况下不但材质上优化,更是想办法在结构上减轻重量,将轻量化做到极致。老状态曲轴(图3)通过缩减扇板宽度,连杆轴径,第三档主轴径中空,减轻平衡块重量,促使曲轴的重量减轻10%左右(图 4)。
图3

图4

其他需要优化的结构也很多,比如改善过渡位置的形态,选用优化圆角,增强多出的凹坑等。部分企业所选用的具体策略降低扇板的数量,从传统8片降低至4片;缩减扇板宽度,并优化其形状,缩减主轴颈尺度,平均缩减10%左右。
4.2 凸轮轴轻量化
传统一体式的凸轮轴使用的是单一材料,通过锻造或者铸造制坯之后利用多道工序加工切削而成,但在凸轮的轻量化操作中,具体由其的空心化实施。空心凸轮轴的方法主要有三种,区分为组装空心凸轮轴、铸造空心凸轮轴、加工空心凸轮轴。组装式空心凸轮轴主要由冶金材质制作而成,然后使用热套衔接或是滚花过盈衔接的方式在空心钢管上端固定凸轮。相较铸铁件,装配式中空凸轮轴在降低30%的质量、减少运营成本,提升整机功能等层面具备了传统凸轮难以超越的优势,获得了业界的高度重视,并逐渐成为凸轮轴锻造技术重要的发展趋势。
4.3 缸体铸造油道
传统的缸体回油道一般都是利用机械加工的方法从缸体的顶端打通至曲轴箱的内层,对于加工刀具具有很高的要求,直接让溜回的润滑剂快速运转的曲轴上,促进曲轴阻力增强。另外,回油道的铸造缸体对于加强缸体整体的强度,加强航提预防变形的能力发挥着良好的效用,可以使缸体更加紧凑。缸体铸造而成的发动机油道作为新发动机主要的发展方向,此种缸体若选用一般水平的浇筑会非常困难,当前常用的工艺就是立浇及组芯工艺。前者工作主要有两种:一是纯组芯工艺,直接进行浇注,使用此种方法的现场环境无法得到保障;二是结合组芯和造型线的生产工艺,也就是构建壳芯的生产线。
4.4 运用3D打印技术优化结构
某卡车集团新设计出4缸5L发动机,因有些零件选用了3D打印技术,其质量降低了100-120kg左右,而且有关零件的持久性已经获得了试验验证。迄今为止,该集团制造发动机的工程师已经设计出虚拟完整化的发动机,其凸轮轴与摇臂轴承盖都是用了3D打印金属铸造,并且在台架上顺利对VI发动机实施了600h试验。3D指导打印技术,为内燃机供应了新兴发展前景,他让制造商能够合理运用分层材料进行零部件的制造,并降低装配操作的强度与优化零件的数量,此种工艺的优势非常明显,首先就是可以整合与优化发动机的部件。高公司新研发的发动机最少的零件数量就有两百多个,等同于降低了25%。工程师集成了八十个缸体部件与四十五个缸盖部件。同时,其还将交流发电机与线束发动机支架进行了优化。
5 结束语
总之,发动机的轻量化作为非常复杂的系统性项目,其牵涉到从设计环节至材料,再至工艺等诸多层面。相较整个汽车的轻量化而言,对发动机提出很高的轻量化要求,落实起来非常困难,不但如此,发动机的零部件较多,尤其是排放升级,发动机加强了必要地外附件,每当增加一个零件都会让发动机自身的重量增加。所以,发动机的轻量化将面临更多挑战。
参考文献:
[1]朱正德.实现发动机轻量化的技术途经及实际应用[J].汽车与配件,2013(7):30-31.
[2]潘斯宁,黄传刚,杨双华,等.发动机轻量化技术研究[J].汽车工艺与材料,2013(5):58-61.
[3]李云蕾.通过加工应力的优化实现凸轮轴轻量化设计[J].内燃机与配件,2019(02):12-13.


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