小排量燃油發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)能力的提升

朱正德

（上海大眾動(dòng)力總成有限公司）

制造“節(jié)能與新能源汽車”是2015年國家推出的十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。其中，“節(jié)能汽車”是指環(huán)保、節(jié)能和安全性俱佳的，但仍以燃油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的機(jī)動(dòng)車。大力發(fā)展節(jié)能與減排的高性能燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，已成為當(dāng)前業(yè)界的一種趨勢(shì)，并已成為國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)重要的發(fā)展方向。為此，汽車生產(chǎn)企業(yè)就必須在產(chǎn)品（設(shè)計(jì)與開發(fā)）和制造（材料與工藝）兩方面采用一系列新技術(shù)，包括將眾多的新工藝與新材料應(yīng)用于制造過程，才能走上產(chǎn)品輕量化道路。文章通過對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝及使用材料進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)了汽車輕量化與成本降低，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 小排量發(fā)動(dòng)機(jī)已成為行業(yè)的發(fā)展方向

中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布了2016年上半年國內(nèi)汽車和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)銷量信息，從中可清楚地看出，與2015年同期相比，兩者均呈穩(wěn)定增長，增幅都超過了6%。另外，盡管近年來新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長態(tài)勢(shì)，2016年上半年的增幅更是達(dá)到了130%，然而在汽車總（產(chǎn)、銷）量中的占比還是很低，僅為1.4%，且與政府在政策上的鼓勵(lì)和支持分不開。中汽協(xié)的報(bào)告特別指出，1.6 L及以下的小排量乘用車在產(chǎn)銷總量中的比重已達(dá)到72%且呈上升趨勢(shì)。

2 實(shí)現(xiàn)汽車輕量化已在業(yè)界形成共識(shí)

汽車輕量化已成為行業(yè)中產(chǎn)品發(fā)展的一種趨勢(shì)和技術(shù)上著重追求的一項(xiàng)目標(biāo)。世界鋁業(yè)工程協(xié)會(huì)的一項(xiàng)研究表明，乘用車整車質(zhì)量每減少10%，至少可降低油耗6%～8%，甚至可達(dá)10%或更多，而燃油效率可提高5.5%，排放可降低5%～6%，若汽車的整體質(zhì)量能減少100 kg/輛，則燃油消耗可降低0.3～0.6 L/100 km。為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有2個(gè)途徑[1]8-16：1）對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)功能相近組件和部件則予以集成化或模塊化；2）選用鋁合金、鎂合金及工程塑料等輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料。作為汽車重要總成的發(fā)動(dòng)機(jī)，減輕其質(zhì)量有著很大的意義。

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，通過改變其結(jié)構(gòu)可達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。對(duì)某款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行3處改進(jìn)，如圖1所示。1）將用于平衡的扇形板的數(shù)量從8塊減少為4塊；2）增加了4處去質(zhì)量孔；3）減小主軸頸和連桿軸頸直徑。經(jīng)過結(jié)構(gòu)輕量化，曲軸質(zhì)量由12 353 g減輕到8 858 g[2]，質(zhì)量降低率達(dá)到了30%，但曲軸變得更加細(xì)長，剛性差，對(duì)此采用了一體化的曲軸圓角感應(yīng)淬火表面強(qiáng)化工藝，使工件最薄弱的圓角部位借助更深的硬化層，大大提高了強(qiáng)度。

圖1 某款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比

自21世紀(jì)初以來，以工程塑料為代表的非金屬材料在汽車上的應(yīng)用已越來越廣泛，進(jìn)而對(duì)如何提升它們?cè)谄囍圃燧p量化領(lǐng)域的應(yīng)用水平也有了更多的認(rèn)識(shí)和作為[1]223-232。從最近推出的一些新款轎車車型可以發(fā)現(xiàn)，其中所耗用的鋼鐵材料的比例相比之前已有明顯的降低。如新一代Audi A2采用的鋼鐵材料比例已降至34%，而包括塑料復(fù)合材料在內(nèi)的輕質(zhì)材料的使用比例則達(dá)到52%。

3 激光造型工藝及其在企業(yè)中的應(yīng)用

激光造型工藝的工作原理是由激光發(fā)生器產(chǎn)生激光束，通過棱鏡將激光束作用到被加工零件的內(nèi)孔表面，通過頻率的不斷切換，在零件內(nèi)孔指定區(qū)域形成指定大小的激光紋路[2]。通過在發(fā)動(dòng)機(jī)制造關(guān)鍵工序?qū)嵤┰摴に?，有效地改善了配合面的性能，?duì)提升發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和可靠性發(fā)揮了積極的作用。

3.1 激光造型在缸孔精加工中的應(yīng)用

缸孔-活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的一組摩擦運(yùn)動(dòng)副，而在諸多影響摩擦的因素中，缸孔表面的微觀形貌有著特殊的意義。這是由于它決定了能否有足夠的潤滑油在摩擦副表面駐留較長的時(shí)間，由此形成的流體動(dòng)態(tài)壓力將使相對(duì)運(yùn)動(dòng)只存在于潤滑層內(nèi)部，以達(dá)到在運(yùn)行狀態(tài)下磨損盡量小的目的。而為了更好地改善配合面的潤滑功能，應(yīng)形成一種合理的缸孔珩磨表面微觀形貌——平臺(tái)網(wǎng)紋，即既有平臺(tái)又有網(wǎng)紋。事實(shí)上，經(jīng)過加工后的缸孔表面是由無數(shù)個(gè)均勻、相間交叉且窄又深的溝槽與小平臺(tái)構(gòu)成，并且網(wǎng)紋與網(wǎng)紋交錯(cuò)，相互有適當(dāng)夾角。這樣的微觀結(jié)構(gòu)，使在潤滑層內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生很大的磨損。而通過降低該運(yùn)動(dòng)副在工作中的摩擦損失，不但能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，減少燃料的消耗[3]，而且還滿足了日益提高的排放要求。

激光造型在實(shí)施表面造型的加工過程中，部分高能量的光束將被工件表面反射，部分則被吸收，被吸收的光束能在瞬間將材料加熱并使之達(dá)到氣化狀態(tài)。由于溫度升高是瞬間產(chǎn)生的，并且具有很高的能量聚集密度，因此光束只在一個(gè)有限的局部做瞬間切削，工件材質(zhì)的特性不會(huì)因此而產(chǎn)生變化。激光造型設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)事先設(shè)置的一系列參數(shù)和所編制的、需執(zhí)行的相應(yīng)程序，對(duì)激光頭的上下和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及激光束的開關(guān)時(shí)間和能量進(jìn)行控制，從而可按不同要求獲得所需的表面微觀結(jié)構(gòu)。激光造型工藝與傳統(tǒng)珩磨工藝的本質(zhì)區(qū)別就在于前者能按嚴(yán)格定義、利用數(shù)控加工的方式產(chǎn)生可控的表面微觀構(gòu)造，而后者加工出的結(jié)果客觀上是不受控的，故僅就合格率而言，前者就高于后者[3]。

圖2示出采用激光造型工藝加工后的發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔形貌。真正實(shí)施激光造型的只是位于承受高負(fù)載的缸孔上死點(diǎn)附近的區(qū)域，以保證活塞環(huán)在該區(qū)域受到高負(fù)荷時(shí)的良好潤滑。圖2所示為發(fā)動(dòng)機(jī)已運(yùn)行超過10萬km再拆解后的缸壁表面情況。從圖2中可以看出，無論是激光造型形成的規(guī)則溝槽，還是下部珩磨加工后的網(wǎng)紋都清晰可見。這也說明利用激光造型技術(shù)可使磨損大幅度降低，從而延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

圖2 采用激光造型工藝加工后的發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔形貌

3.2 激光造型用于“罩殼集成技術(shù)”中凸輪內(nèi)孔的精加工

罩殼集成技術(shù)的應(yīng)用使發(fā)動(dòng)機(jī)具備了輕量化的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的、迄今仍然作為主流的分體式罩殼相比，集成式罩殼的質(zhì)量減輕了700 g，CO2排放相應(yīng)地減少0.9 g/km，另外凸輪軸的軸承孔直徑從41 mm縮小為24 mm，從而使摩擦功降低約50%。從經(jīng)濟(jì)性（制造成本）來看，與仍采用分體式罩殼的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其制造成本降低超過16.4歐元。

在集成化的罩殼總成中，裝配式凸輪軸是通過熱脹冷縮的原理將凸輪和管子結(jié)合在一起的。為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，就必須增大凸輪與軸之間的摩擦，即通過對(duì)凸輪內(nèi)孔加工后產(chǎn)生可控制的紋理結(jié)構(gòu)，使最后由熱脹冷縮所形成的結(jié)合力足夠大。為了增加摩擦，對(duì)在凸輪內(nèi)孔造型所產(chǎn)生的微觀構(gòu)造有明確的要求，其顯微鏡下的微觀結(jié)構(gòu)，不但要求縱橫排布規(guī)則，而且還規(guī)定峰谷高度差需要保持在2 μm。包括珩磨在內(nèi)的許多工藝無法滿足這樣的要求，但激光造型工藝的特點(diǎn)恰恰能使之得以實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 采用激光造型工藝加工后的凸輪內(nèi)孔圓周上的造型區(qū)

在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，雖然缸孔和連桿大頭孔（乃至凸輪內(nèi)孔）最后一道精加工工藝都是相同的（迄今大部分企業(yè)還是采用珩磨工藝），但兩者的被加工面所應(yīng)具有的工藝性能完全不同。因此，為獲得所期望形成的表面微觀結(jié)構(gòu)，引入激光造型這一新工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的“按需定制”。

4 結(jié)論

為在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中實(shí)現(xiàn)輕量化，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)中推行和應(yīng)用了一系列新工藝與新材料，使小排量發(fā)動(dòng)機(jī)仍然具有強(qiáng)大的生命力。其中，激光造型工藝作為一種新的制造技術(shù)，成功地應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的缸體缸孔[3-4]和凸輪內(nèi)孔（或連桿大頭孔）的精加工。采用該項(xiàng)工藝后，大大提升了關(guān)鍵零件的制造質(zhì)量，適應(yīng)了產(chǎn)品的輕量化原則，直接推進(jìn)了企業(yè)對(duì)節(jié)能汽車生產(chǎn)的目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。