輕型混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的可行性

【德】 M.JAUERNICK D.POHNERT W.KUJAWSKI R.OTTE

1 基本情況

目前，最大功率為110 kW的4缸1.5 L缸內(nèi)直噴(TSI)發(fā)動機的鋁合金氣缸體曲軸箱在摩擦、可靠性和質(zhì)量等方面已有了相應(yīng)標準[1]，通過應(yīng)用替代材料能夠?qū)崿F(xiàn)更顯著的輕量化優(yōu)勢。氣缸體曲軸箱采用合成材料可以顯著降低整車質(zhì)量。

借助于各種不同的計算機輔助工程(CAE)計算方法實施優(yōu)化工作流程，包括虛擬設(shè)計、查明聲學性能、熱力性能、機械性能、以及優(yōu)化設(shè)計等，并根據(jù)使用壽命周期分析(LCA)來評估混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱(圖1)的質(zhì)量優(yōu)勢及因使用合成材料對改進制造工藝的影響，并將其轉(zhuǎn)化成樣機。

圖1 輕型混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣缸體曲軸箱承受著復(fù)雜多變的負荷，除了裝配應(yīng)力之外，還必須在高溫下承受著如拉力、壓力，以及彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩交織在一起的運行負荷。基礎(chǔ)機型承受著高達11 MPa的最大氣缸壓力，從而引起了高達180 ℃的氣缸蓋火力面熱負荷，以及高達36 kN的曲柄連桿機構(gòu)作用力和6.5 kN的活塞側(cè)壓力，而運行材料所引起的溫度交變和化學影響同樣值得被關(guān)注。

在設(shè)計邊界條件下，由各部分組成的氣缸體曲軸箱首先采用了由合成材料和金屬組成的混合結(jié)構(gòu)方案(圖2)。鋁合金芯部包括氣缸、主軸承上半部和水套內(nèi)壁，類似于基本型氣缸體曲軸箱。氣缸內(nèi)壁有經(jīng)珩磨加工的大氣等離子噴涂層(APS)，而合成材料外殼則構(gòu)成了氣缸體曲軸箱的外部幾何形狀，并密封鋁合金芯部，同時固定附件及輔助設(shè)備。

圖2 混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的發(fā)展步驟

合成材料外殼采用以酚醛樹脂為基礎(chǔ)的由玻璃纖維加強的熱固性塑料。這種熱塑性塑料考慮到了熱膨脹、耐介質(zhì)穩(wěn)定性和蠕變傾向等方面的要求。鋁合金主軸承蓋框架用于加強氣缸體曲軸箱的剛性，包括主軸承下半部，同時用于連接油底殼。除此之外，鋁合金主軸承蓋框架還承擔變速箱結(jié)合面的一部分，以加強該部位的剛性。無論是氣缸蓋與主軸承之間，還是氣缸體曲軸箱與變速箱之間，作用力都被限制在金屬芯部與鋁合金主軸承蓋框架上。由聚酰胺制成的玻璃纖維加強油底殼可以將整個機體封閉起來。

在進行混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱設(shè)計時，應(yīng)力爭使用盡可能少的金屬和盡可能多的合成材料，并應(yīng)充分利用量產(chǎn)零部件來滿足系統(tǒng)要求。這種設(shè)計方案相對于基本型結(jié)構(gòu)在理論上可使質(zhì)量減輕16%，但這種混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱在數(shù)字模擬中顯示出整個裝置具有扭轉(zhuǎn)異常的現(xiàn)象，并且局部抗疲勞斷裂的安全性系數(shù)較低。

因此，在開發(fā)樣機時，對結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計優(yōu)化，采用了剛性明顯加強的鋁合金主軸承蓋框架，通過添加交叉加強筋的整體式機油收集底盤，可加強主軸承蓋框架的剛性。同時，由于冷卻水套處于逐點加強的鋁合金芯部之中，無論是在主軸承處還是在正時機構(gòu)側(cè)或變速箱側(cè)，采用形狀合理的金屬合成材料雖然加強了總體結(jié)合強度，但是也增加了主軸承蓋框架(+4%)和芯部(+3%)的質(zhì)量，即增加了氣缸體曲軸箱中鋁合金的總份額。即便如此，樣機的總質(zhì)量仍比基本型結(jié)構(gòu)減輕了13%，并通過數(shù)字模擬再次評估了聲學性能、熱力學性能和機械性能。

3 聲學

借助于整個發(fā)動機-變速箱動力總成的噪聲-振動-平順性(NVH)計算，對混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱進行聲學評估，為此建立配備具有所有附件的發(fā)動機-變速箱模型作為彈性有限元(FEM)結(jié)構(gòu)，并由整個曲柄連桿機構(gòu)的氣體力和慣性力產(chǎn)生激勵，從而能對動力總成的振動特性進行詳細的試驗研究。

設(shè)計方案評估的主要組成部分是分析彎曲和扭轉(zhuǎn)振動的頻率范圍及其振幅，為此所必需的激勵由正時機構(gòu)端與變速箱端之間的單位負荷施加在曲軸軸線上。

這種設(shè)計方案的彎曲振動特性得到了與基本型結(jié)構(gòu)相似的振幅，而扭轉(zhuǎn)振動卻顯現(xiàn)出較大的差異。這種設(shè)計方案的扭轉(zhuǎn)振動頻率位于發(fā)動機第2階振動頻率范圍內(nèi)，因此最大扭轉(zhuǎn)角顯著提高(圖3)。此外，因擺動支承和變速箱支座處較大的橫向位移，顯現(xiàn)出不易察覺的非主要振動階次。

圖3 正時機構(gòu)端與變速箱端之間的扭轉(zhuǎn)角

由于加強了主軸承蓋框架剛性，扭轉(zhuǎn)振動頻率就從發(fā)動機第2階振動激勵范圍凸顯出來，其振幅又降低到基本型結(jié)構(gòu)的水平。圖4示出了加強剛性后的效果。

4 溫度場

混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的另1個評價標準是熱特性,為此要為帶有主軸承蓋框架和水套的整個氣缸蓋-機體組合體建立1個耦合傳熱(CHT)計算模型，而燃燒室側(cè)的熱量輸入則由類似于基本型結(jié)構(gòu)選擇的邊界條件來考量，以考察氣缸體曲軸箱的溫度水平和溫度分布。在水套下部金屬/合成材料結(jié)合區(qū)域會產(chǎn)生較高的溫度(圖5)，這是合成材料的傳熱能力降低300倍的結(jié)果。在合成材料表面橫截面中的溫度梯度是不容忽視的，在2.5 mm壁厚中的溫度梯度高達30 K，這導(dǎo)致了其外表面的溫度明顯比基本型結(jié)構(gòu)低。

圖5 全負荷時的溫度場

與原方案相比，樣機的合成材料外殼表面溫度要更低，這歸因于帶有完整的整體式冷卻水套的鋁合金芯部幾何形狀的變化，但是在直接緊貼氣缸的壁面橫截面中仍保持著相似的溫度水平。對于混合結(jié)構(gòu)方案而言，合成材料水套的這種“熱桶效應(yīng)”意味著能較快地達到運行溫度，并能保持較長的時間。前提條件是要使用與此相應(yīng)的熱-機械性能穩(wěn)定的合成材料，如熱固性塑料或高功率熱塑性塑料等。

5 強度

除了聲學特性和溫度場之外，混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的使用強度通常被認為是最重要的評價標準。

在進行強度計算時首先要查明裝配狀態(tài)下的靜態(tài)斷裂強度、等溫線溫度和爆發(fā)壓力負荷，接著是高循環(huán)疲勞(HCF)運行強度，以及金屬與合成材料結(jié)合區(qū)域的接觸壓力。所應(yīng)用的支承力、活塞側(cè)壓力和爆發(fā)壓力與基本型發(fā)動機全負荷加速時相當。所有的零件都處于1個線性材料模型之中。顯然，這種方案在很多區(qū)域的安全系數(shù)較低，特別是涉及到第2道主軸承、通風口內(nèi)外壁面，以及機體頂面的部分位置(圖6)。

樣機上處于臨界范圍部位的加強剛性明顯有所減少(圖7)，但在前面2道主軸承的通風口處還存在進一步優(yōu)化的可能。同樣，在機體頂面?zhèn)€別部位及主軸承處，關(guān)鍵形狀部位新設(shè)計的金屬合成材料也存在進一步優(yōu)化的可能。

圖6 混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱方案的安全系數(shù)

圖7 混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱樣機的安全系數(shù)

6 溫室氣體平衡

在進行聲學、熱力學和機械性能計算之后，環(huán)保是1項重要的評價因素。下面將對混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的溫室氣體平衡進行比較評估。按照ISO 14040/14044標準，依據(jù)LCA方法進行較粗略的評估。不僅要對制造階段，而且還要對使用階段進行評估。對于混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的基礎(chǔ)殼體金屬部分(芯部和主軸承蓋框架)主要采用經(jīng)熱處理的二次壓鑄鋁合金，基礎(chǔ)殼體的主軸承蓋將采用粉末冶金鋼?；旌辖Y(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的制造使溫室氣體CO2當量比基本型結(jié)構(gòu)降低15%(圖8)，這是通過減少零件鋁合金用量而達到的。即使在使用階段期間，混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱在溫室氣體平衡方面也有明顯的優(yōu)勢。由于質(zhì)量減輕及由此帶來的燃油耗優(yōu)勢，就所消耗的行駛功率而言，溫室氣體排放比基本型混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱減少了15%。由此可知，所有氣體的總和與水化合會使水體和土壤酸化，酸化主要是由酚醛樹脂在制造過程中產(chǎn)生的廢水所引起的，但其危害程度可以忽略不計。

7 制造

研究人員對樣機進行了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行試制。試制過程從制造芯部和主軸承蓋框架開始，緊接著必須進行芯部表面處理，包括表面噴砂、脫脂和表面增附劑涂層(增加附著力)，隨后在樣機制造時采用手工方法在硅樹脂模具中進行合成材料注塑。其挑戰(zhàn)在于必須確保在硬化時間之內(nèi)完成材料注塑過程才能使得流量處于最佳狀態(tài)。一方面保障樹脂完全填滿模具；另一方面使熱固性塑料中的加強纖維材料實現(xiàn)均勻分布。在注塑過程后，將零件在1個爐子中進行保溫處理，以便提高熱固性塑料的聚合度，改善其機械性能。

圖8 制造階段和使用階段的溫室氣體平衡評估(圖中EOL=使用壽命終止)

然后，即可以開展氣缸表面涂層工作。通過專門調(diào)整，混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱上部能在發(fā)動機量產(chǎn)設(shè)備上按照標準方法進行加工。借助于激光器的噴砂工藝，通過鋼微粒噴涂形成工作表面涂層。圖9示出了經(jīng)表面涂層工藝加工后的氣缸工作表面。在涂層工藝過程期間，局部導(dǎo)入的熱量要加以限制，至少應(yīng)使直接緊貼氣缸的合成材料表面不會受到損壞。

另外，在其他部位合成材料中會出現(xiàn)細微的裂紋和龜裂，它們位于頂面上金屬合成材料結(jié)合區(qū)域，正時機構(gòu)側(cè)第1道主軸承和變速箱側(cè)密封法蘭區(qū)域。在主軸承座處可看到金屬合成材料結(jié)合區(qū)域中顏色深淺程度的差異(圖10)，根據(jù)這種相互關(guān)系要力爭獲得結(jié)合技術(shù)中的新方法，以改善2種材料的結(jié)合品質(zhì)[2]。

圖9 APS涂層后和頂面加工前的氣缸

圖10 主軸承座局部照片

接著進行的工藝步驟是將氣缸體曲軸箱與主軸承蓋框架裝配在一起，并對功能表面進行加工。經(jīng)玻璃纖維加強的合成材料使刀具磨損較大，可延展的鋁合金與脆性合成材料之間的材料過渡改變了切屑的斷裂特性。因此，這種金屬合成材料表面的切削加工需要使用轉(zhuǎn)位式刀片以獲得較高的表面加工品質(zhì)。

最后，在樣機加工設(shè)備上鏜出主軸承孔通道，并對氣缸進行珩磨處理。為此借助于1個專門制作的夾具以固定主軸承蓋框架。鏜出主軸承孔通道需要新的加工參數(shù)，這是因為基本型氣缸體曲軸箱的主軸承瓦放在帶有鋼主軸承蓋的鋁合金主軸承座中，而混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的主軸承座則完全由鋁合金構(gòu)成。主軸承孔通道采用較長的刀具能一次性加工成形。最終的氣缸珩磨利用珩磨中心支架逐步開展(圖11)。氣缸珩磨之后在氣缸工作表面上依然有個別的缺陷，分析可能是因為在進行涂層時導(dǎo)入的熱量和珩磨時施加的壓力而導(dǎo)致的。由于合成材料外殼的絕熱特性使得熱量難以向外傳導(dǎo)，與基本型結(jié)構(gòu)相比，鋁合金壁厚較薄，因而導(dǎo)致材料中的應(yīng)力較大。

圖11 混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的珩磨

8 結(jié)論和展望

為了實現(xiàn)輕量化設(shè)計目標，輕型混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱的使用對結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造提出了極高的要求，特別是在量產(chǎn)時必須考慮到這些要求。通過CAE方法能在動態(tài)負荷下進行詳細的分析，以這種方式就能開發(fā)出混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱樣機，其性能取決于基礎(chǔ)部件。

對未來混合結(jié)構(gòu)氣缸體曲軸箱進行展望，合成材料可靠地貼合在金屬上是成功實現(xiàn)該目標的關(guān)鍵。采取簡單的工藝和可靠的方法實施2種材料的貼合，且不能忽視每個生產(chǎn)工藝步驟對材料結(jié)合的影響。過程中必須確保壓鑄工藝、熱處理工藝和加工工藝不會產(chǎn)生裂紋、脫殼，以及使材料發(fā)生化學變化等避免其他形式的缺陷。力求優(yōu)化最終輪廓形狀的制造過程，避免混合切削加工，以及設(shè)定好熱處理在每個部件工藝過程中的次序定位。

本文介紹的試驗研究工作以氣缸體曲軸箱為例，闡明了輕型混合結(jié)構(gòu)方案的潛力和主要挑戰(zhàn)。這種組合能有效地減輕結(jié)構(gòu)部件約13%的質(zhì)量，相應(yīng)減少在車輛使用壽命期內(nèi)約15%的CO2排放。

輕型結(jié)構(gòu)在汽車電動化中也起著重要的作用：一方面能改善車輛行駛動力性能；另一方面在行駛里程相同的情況下，較輕的車輛只需配備較小的蓄電池容量。