某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)球墨鑄鐵曲軸輕量化結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

陶前昭，蔚興建

（1.廣西玉柴機(jī)器配件制造有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

按國(guó)際能源署公開的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全世界交通運(yùn)輸行業(yè)主要交通工具（如火車、汽車、飛機(jī)、輪船等）產(chǎn)生的二氧化碳排放量約占總量的24%，而這些交通工具中汽車的二氧化碳排放量約占比最大，這比例與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平對(duì)應(yīng)，如歐盟經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，道路運(yùn)輸排放占整個(gè)運(yùn)輸業(yè)的比例達(dá)到了72%。因此，降低汽車排放是目前降低經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)排放的主要措施，而汽車輕量化是目前為實(shí)現(xiàn)降低汽車排放關(guān)鍵工作。汽車輕量化就是通過減輕汽車零部件的重量，來降低汽車能耗從而減少汽車二氧化碳排放量。

汽車零部件過重，每個(gè)零部件根據(jù)使用功能可以輕量化。本研究?jī)H從發(fā)動(dòng)機(jī)核心零部件曲軸輕量化進(jìn)行改進(jìn)分析和驗(yàn)證，并以某款四缸發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵曲軸改進(jìn)為例進(jìn)行分析，供行業(yè)技術(shù)人員參考。

1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

1.1 分析

某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)是一款已投放市場(chǎng)超過十年的成熟機(jī)型，市場(chǎng)保有量超過50萬臺(tái)，客戶要求需將曲軸重量減輕10%以上。因?yàn)樵摪l(fā)動(dòng)機(jī)已是成熟量產(chǎn)機(jī)型，輕量化工作需兼顧后市場(chǎng)服務(wù)、制造成本、驗(yàn)證周期等等原因，在曲軸設(shè)計(jì)上不能做太多的改進(jìn)；經(jīng)過對(duì)曲軸的分析，決定通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀來實(shí)現(xiàn)曲軸降重的要求。

此款四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸材料為QT800-6球墨鑄鐵材料，曲軸曲柄臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為的全平衡結(jié)構(gòu)（即8個(gè)平衡塊），毛坯采用鐵模覆砂工藝鑄造，材料具有良好的性能，其抗拉強(qiáng)度大于800 MPa，延伸率大于6%[1]，材料密度約7.1 g/cm3，主軸徑和連桿徑均為實(shí)心結(jié)構(gòu)。曲軸加工采用“軸徑淬火+圓角滾壓”強(qiáng)化工藝進(jìn)行，裝機(jī)用球墨鑄鐵曲軸安全系數(shù)要求大于1.8，改進(jìn)前曲軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，主軸徑直徑：85 mm；連桿頸直徑：70 mm；臺(tái)肩厚度：28 mm；曲柄臂最大半徑：93 mm；曲軸毛坯重50.6 kg。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，此款曲軸在動(dòng)平衡工序中，去重位置及動(dòng)不平衡量均集中在第一、八平衡塊，因此評(píng)估減少一些曲柄平衡塊來減輕曲軸重量是可行的。從使用功能上看，減少平衡塊后，如果發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭振振幅滿足設(shè)計(jì)要求，且不影響到生產(chǎn)的動(dòng)平衡，則說明改進(jìn)是可行的，需要在后續(xù)進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)驗(yàn)證。

1.2 軸徑結(jié)構(gòu)改進(jìn)

相關(guān)公開資料表明，曲軸軸徑采用適宜的中空結(jié)構(gòu)可有效提高曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度數(shù)值[2]，但不同的曲軸軸徑尺寸及油孔布置對(duì)曲軸軸徑的中空方案存在不確定因素。本研究從發(fā)動(dòng)機(jī)球鐵曲軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出適宜此款曲軸的中空結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

1.3 材料改進(jìn)

QT800-6材料與滾壓匹配性已成熟，曲軸強(qiáng)化工藝采用“軸徑淬火+圓角滾壓”工藝[3]。在已確保曲軸安全系數(shù)的情況下，出于成本和時(shí)間上的考量，在提出方案時(shí)就沒有考慮性能更高的球墨鑄鐵材料QT1000-5。同時(shí)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)原因，產(chǎn)品需求急，由于曲軸材料變更需進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，所需驗(yàn)證時(shí)間約一年，因此，此款發(fā)動(dòng)機(jī)不允許對(duì)曲軸應(yīng)用高性能材料進(jìn)行減重和過多時(shí)間驗(yàn)證。所以材料上維持不變，只是從材料性能一致性去提高不在本研究范圍。

2 改進(jìn)驗(yàn)證

2.1 曲柄臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)

（1）曲柄臂扇形平衡塊改進(jìn)。由原8個(gè)全平衡塊改為4個(gè)全平衡塊，平衡塊兩側(cè)面僅考慮拔模斜度1度，在鑄造上的最高點(diǎn)加工余量為0 mm，分型面為+1.4 mm，如圖1所示。

圖1 曲軸加工余量分布

（2）在減少4個(gè)平衡塊后，同步減小曲柄臂平衡塊大圓半徑，為確保曲軸動(dòng)平衡，改進(jìn)前后的曲軸質(zhì)量中心與幾何中心保證偏移量一致。通過三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)成品曲軸進(jìn)行各種平衡塊結(jié)構(gòu)尺寸的測(cè)算。經(jīng)過測(cè)算，在減少4個(gè)平衡的基礎(chǔ)上，將余下的4個(gè)平衡塊大徑尺寸R93 mm全部改為R91 mm。改進(jìn)前后的兩中心偏移量不超過0.02 mm。改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 曲軸結(jié)構(gòu)圖

2.2 軸徑中空結(jié)構(gòu)改進(jìn)

曲軸連桿頸直徑φ66 mm，主軸頸直徑φ85 mm，軸徑中空減重設(shè)計(jì)：主軸頸中空部分兩頭φ30 mm，中間φ50 mm，連桿頸頸中空部分兩頭φ25 mm，中間最大處φ35 mm，其他地方圓滑過渡，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軸徑中空結(jié)構(gòu)圖

該中空改進(jìn)結(jié)構(gòu)需要后續(xù)生產(chǎn)上進(jìn)行相關(guān)的控制，如泥芯生產(chǎn)上需采用強(qiáng)度高和發(fā)氣量較好的制芯砂，并配備相應(yīng)的環(huán)氧樹脂和三乙胺制造，保證泥芯混砂后即拉強(qiáng)度達(dá)到1.6 MPa以上，同時(shí)減少泥芯制造過程中出現(xiàn)斷裂，并設(shè)計(jì)防轉(zhuǎn)動(dòng)的泥芯頭，以減少泥芯浮動(dòng)所造成壁厚不均勻的隱患。

2.3 改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述方案進(jìn)行生產(chǎn)200根曲軸進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，下面從4個(gè)方面進(jìn)行敘述：

（1）減重效果：經(jīng)過上述減重方案改進(jìn)后，原毛坯重量由50.6 kg減為44.1 kg，減重率12.84%，滿足客戶要求。

（2）動(dòng)平衡驗(yàn)證：利用三維軟件對(duì)曲軸改進(jìn)前后的質(zhì)量中心偏移量進(jìn)行測(cè)量，兩中心偏移量不超過0.02 mm，設(shè)計(jì)上滿足要求。對(duì)曲軸動(dòng)平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，全部200根曲軸通過去重后均符合曲軸設(shè)計(jì)要求（動(dòng)平衡量20 g.cm），其中首次動(dòng)不平衡量≤300 g.cm曲軸數(shù)量165根，占比82.5%，比改進(jìn)前86%稍差，但經(jīng)動(dòng)平衡后均滿足要求，增加少量動(dòng)平衡去重工作量，在可接受范圍。

（3）臺(tái)架扭振測(cè)試：按照“GB/T15371曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)定方法”對(duì)該型號(hào)曲軸進(jìn)行去重優(yōu)化后的扭振測(cè)試，測(cè)得數(shù)據(jù)見表1。

表1 扭振測(cè)試結(jié)果

單諧次最大扭振值0.076°，出現(xiàn)在8諧次的2699 r/min；單次諧次的振幅均小于限值0.2°。確認(rèn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)軸系扭振是符合設(shè)計(jì)要求小于0.2°的，確認(rèn)改進(jìn)符合扭振要求。因此，此輕量化結(jié)構(gòu)改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)證是可行的。

（4）疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。曲軸曲柄平衡塊多少，對(duì)曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度沒有影響，而軸徑中空結(jié)構(gòu)則有影響，因此，需進(jìn)行系統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證軸徑中空結(jié)構(gòu)對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度的影。

試驗(yàn)過程：使用DXP-200電動(dòng)諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)，載荷為對(duì)稱的正弦波，加載頻率約78 Hz。試驗(yàn)前對(duì)系統(tǒng)的載荷進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定后在所使用的載荷范圍內(nèi)，彎矩的相對(duì)誤差不大于1.5%。用升降法[4]測(cè)定試樣的疲勞極限彎矩。試驗(yàn)的循環(huán)基數(shù)為107周次。疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

按升降法的計(jì)算要求，剔除異常數(shù)據(jù)后進(jìn)行配對(duì)計(jì)算，可得曲軸安全系數(shù)為n=1.87，滿足球鐵曲軸要求安全系數(shù)大于1.8的要求[5]。

3 結(jié)論與成效

綜上所述驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)于該款發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸來說，減少四個(gè)曲柄臂平衡塊、軸徑改為中空結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可滿足動(dòng)平衡、軸系扭振、彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。如驗(yàn)證這兩方面都能達(dá)到要求，則意味著此項(xiàng)輕量化改進(jìn)方案是可行的。當(dāng)然，曲軸軸徑中空結(jié)構(gòu)也會(huì)帶來一些需要解決的問題，如清潔度、增加泥芯成本等也需要從事鑄造技術(shù)人員進(jìn)行相關(guān)的攻關(guān)解決。

輕量化是汽車發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)于曲軸零件來說，也不僅僅是上述的措施實(shí)現(xiàn)輕量化，仍需要從事汽車零部件行業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行更多的研究，才能取得更好的改進(jìn)方案。