淺析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化材料的應(yīng)用和展望

范金龍 朱興龍 郝 汀 張立松 吳琳楠

1.揚(yáng)州揚(yáng)子江寶云缸套有限公司 江蘇 揚(yáng)州 225100；2.中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 江蘇 揚(yáng)州 225100

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近幾年汽車企業(yè)在節(jié)能降耗方面逐漸提高重視度,除研發(fā)新能源、油電混合技術(shù)之外,輕量化材料的研發(fā)同樣是重中之重。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車行駛的動(dòng)力源,采用相應(yīng)材料進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)始終是車企的關(guān)注重點(diǎn)。在保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量、性能的前提下,采用輕量化材料來(lái)降低發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本,并達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 鋁及鋁合金材料應(yīng)用及其展望

現(xiàn)階段汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造涉及到對(duì)大量鋁及鋁合金材料的應(yīng)用,相較于傳統(tǒng)鋼材的應(yīng)用,鋁及鋁合金材料的應(yīng)用取得一定的輕量化成效,并且在耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、低密度性等方面,鋁及鋁合金材料的優(yōu)勢(shì)更為顯著。據(jù)相關(guān)實(shí)踐研究表明,發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中利用鋁及鋁合金材料替代傳統(tǒng)鋼材,能夠有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)自重,并且有助于減少汽車尾氣排放。目前鋁及鋁合金材料多用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、進(jìn)氣歧管等構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)重量降低超過(guò)30%[1]。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比因鋁及鋁合金材料的耐腐蝕性、導(dǎo)熱性而得到提升,避免發(fā)動(dòng)機(jī)功率因熱應(yīng)力的提高而下降。為外,不同于普通材料的應(yīng)用,鋁及鋁合金材料能夠回收利用,以此在降低車企制造成本的同時(shí),達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

縱觀現(xiàn)階段鋁及鋁合金材料的應(yīng)用,雖然在輕量化設(shè)計(jì)方面取得一定成效,但是仍尚存成本過(guò)高的問題,并且部分構(gòu)件仍需涉及到對(duì)鑄鐵材料的應(yīng)用,因不同材料熱膨脹率存在差異,增大出現(xiàn)變形問題的概率,未來(lái)需要對(duì)此問題加以關(guān)注,借助先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行變形問題的控制。

2 鎂及鎂合金材料應(yīng)用與展望

盡管現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)鎂及鎂合金材料的應(yīng)用尚未普及,但是該材料有著較大的發(fā)展空間與前景[2]。相較于常規(guī)材料而言,鎂及鎂合金材料在低密度、強(qiáng)度、減震性能、質(zhì)量、導(dǎo)電性能等方面優(yōu)勢(shì)顯著,所以此類材料應(yīng)用,可以在保證發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的前提下,進(jìn)行散熱性能的優(yōu)化,并實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加工精度的優(yōu)化。當(dāng)前汽車制造中,鎂及鎂合金多用于對(duì)壓鑄件的制造,其比厚度可以達(dá)到0.5mm,有助于推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展。

近幾年,國(guó)外對(duì)鎂合金材料的研發(fā)以及制造已經(jīng)取得一定成效,如Mg-AL-Ca等抗蠕變鎂合金材料、MRI1202s等高溫鎂合金材料,并且已經(jīng)在汽車制造領(lǐng)域進(jìn)行上述材料的應(yīng)用。而縱觀近幾年我國(guó)對(duì)鎂及鎂合金材料的研發(fā)與應(yīng)用,存在產(chǎn)品仿制、自主創(chuàng)新落后、技術(shù)發(fā)展不成熟等問題,這導(dǎo)致鎂及鎂合金材料的應(yīng)用受到一定的限制。并且針對(duì)鎂材料尚未明確統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),其中材料中存在的有害物質(zhì)難以做到有效清除[3]。

對(duì)此,我國(guó)要想實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂及鎂合金材料的有效應(yīng)用,需重視對(duì)自主研發(fā)、自主創(chuàng)新加大力度,加大對(duì)鎂試驗(yàn)、材料處理等方面的資金投入,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂及鎂合金材料的加強(qiáng)應(yīng)用,并達(dá)到通過(guò)合理應(yīng)用鎂及鎂合金材料進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的目的。

3 鈦及鈦合金材料應(yīng)用與展望

作為當(dāng)代新型結(jié)構(gòu)材料的重要代表,鈦及鈦合金材料有著優(yōu)勢(shì)顯著的性能參數(shù),其材料熔點(diǎn)可達(dá)到1660℃,其抗拉強(qiáng)度相較于常規(guī)材料表現(xiàn)優(yōu)異,可以與超高強(qiáng)度剛材料相媲美。并且該材料有著極大的工作溫度范圍,最低工作溫度約為-250℃,最高工作溫度可達(dá)550℃。正因此,現(xiàn)階段全世界范圍內(nèi),軍事、醫(yī)療、航空、汽車等領(lǐng)域均涉及到對(duì)鈦及鈦合金材料的應(yīng)用[4]。

而因成本造價(jià)等因素的限制,導(dǎo)致鈦及鈦合金材料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用并不廣泛,僅在連桿、彈簧、閥門等個(gè)別部件中應(yīng)用。同時(shí),合理應(yīng)用鈦及鈦合金材料有助于汽車的輕量化發(fā)展,與同樣結(jié)構(gòu)的鋼材料發(fā)動(dòng)機(jī)相比,鈦及鈦合金材料的應(yīng)用可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)20%的零部件重量,并且因鈦及鈦合金材料的高性能特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)促進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的優(yōu)化。

縱觀現(xiàn)階段鈦及鈦合金材料的應(yīng)用,首要解決問題為材料的高成本問題,使得當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)中難以做到對(duì)鈦及鈦合金的廣泛應(yīng)用。對(duì)此,未來(lái)對(duì)鈦及鈦合金材料的研發(fā)需要以降低成本為主要目標(biāo)[5]。

4 塑料、陶瓷材料應(yīng)用與展望

針對(duì)機(jī)用塑料而言,各車企在不同類型汽車中都涉及到對(duì)此材料的應(yīng)用,相較于常規(guī)鋼材料而言,機(jī)用塑料的使用可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)便利性,并在降低發(fā)動(dòng)機(jī)總重量的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)化。現(xiàn)階段機(jī)用塑料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用,具體部位包括進(jìn)氣歧管、氣門室罩蓋等。

針對(duì)陶瓷材料的應(yīng)用,因其特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)明確而得到廣泛應(yīng)用,例如汽車渦輪增壓器中以往的金屬渦輪可以利用陶瓷材料進(jìn)行取代,以此在降低重量的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)渦輪滯后現(xiàn)象的有效避免。相較于鋼材料的應(yīng)用,陶瓷材料的耐高溫性較強(qiáng),即系統(tǒng)運(yùn)行受到高溫的影響較低,達(dá)到優(yōu)化、改善增壓器運(yùn)行性能的目的。此外,陶瓷材料還可以應(yīng)用于氣缸套、活塞等部位,可以在降低構(gòu)件磨損的同時(shí),進(jìn)行機(jī)熱效率、輸出功率的優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,汽車輕量化的發(fā)展與發(fā)動(dòng)機(jī)材料的應(yīng)用存在直接關(guān)聯(lián),盡管現(xiàn)階段汽車領(lǐng)域?qū)︽V及鎂合金、鈦及鈦合金等材料的應(yīng)用相對(duì)較少,但是未來(lái)汽車輕量化發(fā)展必然有鎂材料與鈦材料的一席之地。同時(shí),需繼續(xù)加大對(duì)鋁材料、機(jī)用塑料、陶瓷等材料的研發(fā)與應(yīng)用力度,充分挖掘出現(xiàn)階段輕量化材料應(yīng)用存在的問題,通過(guò)深入研究、研發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料問題的有效避免,以此實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)量化設(shè)計(jì)的同時(shí),促進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的優(yōu)化。