鑄鐵氣缸體曲軸箱的輕型結(jié)構(gòu)

【奧地利】 H.Sorger W.Sch?ffmann W.Wolf W.Steinberg

1 目標(biāo)設(shè)定

發(fā)動機(jī)持續(xù)不斷的小型化使得柴油機(jī)和汽油機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力明顯提高［1］，鑄鐵氣缸體曲軸箱應(yīng)用為未來發(fā)動機(jī)負(fù)荷的進(jìn)一步提高提供了出眾的前提條件，其輕型結(jié)構(gòu)也為改善氣缸圓度、摩擦功率、機(jī)油耗、成本和噪聲-振動-平順性（NVH）提供了有利的前提條件［2］。1款4缸1.6L汽油機(jī)被選作為機(jī)型比較的基準(zhǔn)產(chǎn)品，成為對價(jià)格敏感的中級轎車上的價(jià)格尺度，其量產(chǎn)結(jié)構(gòu)型式采用的是壓鑄鋁氣缸體曲軸箱（表1）。

表1 基準(zhǔn)汽油機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)

2 方案開發(fā)和零件結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)階段就已對各種不同結(jié)構(gòu)方案的質(zhì)量、成本、可制造性及其對發(fā)動機(jī)運(yùn)行性能的影響進(jìn)行了評判。第1種方案將鋁氣缸體曲軸箱結(jié)構(gòu)改為鑄鐵薄壁鑄造。而在其他方案中，除了優(yōu)化薄壁鑄造方案之外，在承載區(qū)域內(nèi)改變氣缸蓋緊固螺栓的布置和長度，并在曲軸箱主軸承連接區(qū)域?qū)ι钊埂в需T鋁油底殼上體的短裙，以及有／無主軸承鑲?cè)Φ匿X主軸承座框架等結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了試驗(yàn)研究（圖1）。方案比較表明，根據(jù)目標(biāo)準(zhǔn)則方案5（V5），即具有短氣缸蓋螺栓的最佳深裙薄壁鑄造方案獲得了最好的綜合評價(jià)。

由于鑄鐵具有較高的材料強(qiáng)度且無須使用氣缸套，缸心距可從87.0mm減小到84.5mm，再與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施相結(jié)合，發(fā)動機(jī)長度可縮短12.0mm。圖2示出了目前處于開發(fā)階段的鑄鐵氣缸體曲軸箱，其質(zhì)量與作為比較基準(zhǔn)的壓鑄鋁氣缸體曲軸箱相差4.4kg。

發(fā)動機(jī)長度縮短，能夠減輕其他發(fā)動機(jī)零件的質(zhì)量，節(jié)約了成本。通過諸如曲軸、油底殼、氣缸蓋和凸輪軸等零件質(zhì)量的減輕使質(zhì)量差減小到1.9kg（按照DIN 70020）（圖3）。

3 可能的開發(fā)重點(diǎn)

鑄鐵薄壁鑄造氣缸體曲軸箱方案已通過模擬計(jì)算，并在運(yùn)行負(fù)荷下針對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、缸孔變形和熱狀況等方面進(jìn)行了優(yōu)化，其中承載能力起主導(dǎo)作用的主軸承壁區(qū)域針對減輕質(zhì)量進(jìn)行了持續(xù)不斷的開發(fā)，而氣缸工作表面在安裝應(yīng)力和熱負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)最小的缸孔變形及氣缸蓋密封墊上的壓力分布則是重要的優(yōu)化準(zhǔn)則。方案5在所有這些準(zhǔn)則中都能達(dá)到或超過目標(biāo)值。

4 澆鑄和凝固特性的數(shù)值模擬

模擬澆鑄過程的目的在于通過確定合適的鑄造和加工參數(shù)，獲得時間和成本上的最大效益。前提條件是使用可靠的材料和工藝數(shù)據(jù)，它們可通過Fritz Winter公司開發(fā)的試驗(yàn)方法來確定，并通過測量試制的鑄件進(jìn)行調(diào)整。從試驗(yàn)方法中獲得的有關(guān)材料和工藝數(shù)據(jù)方面的經(jīng)驗(yàn)有：（1）局部凝固速度對金相組織形成的影響；（2）孕育劑品種和數(shù)量對金相組織，特別是避免出現(xiàn)白口鐵的有顯著效果；（3）可通過泥芯砂局部溫度變化查明溫度傳導(dǎo)能力；（4）化學(xué)成分對局部金相組織性能和機(jī)械強(qiáng)度的影響；（5）檢驗(yàn)澆注時間和溫度對充滿型腔狀況和上述性能的影響。

借助于上述方面的匹配調(diào)整，就能找到有關(guān)澆注系統(tǒng)、孕育劑品種和數(shù)量，以及化學(xué)成分的最佳工藝窗口，而熱誘導(dǎo)的內(nèi)應(yīng)力可通過局部幾何形狀的優(yōu)化，降低到目標(biāo)水平。通過這些工藝參數(shù)的調(diào)整，首批試制鑄件就獲得了成功。

5 新的制造技術(shù)和鑄造方法

除了設(shè)計(jì)和模擬之外，開發(fā)一種新的鑄造方法，成為實(shí)現(xiàn)輕型結(jié)構(gòu)方案的基本組成部分［3］。為此，確定部分?jǐn)?shù)據(jù)對產(chǎn)品具有重要意義的目標(biāo)，包括：（1）一般鑄件的公差減小到±0.8mm；（2）壁厚公差減小到±0.5mm；（3）提高鑄件品質(zhì)；（4）達(dá)到額定數(shù)據(jù)質(zhì)量。

重要的工藝規(guī)格目標(biāo)是指產(chǎn)品具有高耐久性，并且節(jié)省資源，同時具有全球可用性工藝和工具裝備的標(biāo)準(zhǔn)化，并且具有高的成本效益。

要達(dá)到這些目標(biāo)必須減少工藝步驟及其影響因素。用于轎車的鑄鐵氣缸體曲軸箱（ZKG）通常在濕砂型設(shè)備上采用直立式或臥式澆鑄方式鑄造，而在鑄鐵機(jī)體的新型鑄造方法中將摒棄這種濕砂型設(shè)備，利用一種專門的型芯方案，能顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和工藝穩(wěn)定性。結(jié)果形成了模塊化的鑄造車間，能在全球生產(chǎn)并保持相同的產(chǎn)品質(zhì)量，而無需投資非常大的濕砂型設(shè)備及與原材料相關(guān)的鑄造工藝。

6 接近量產(chǎn)樣品的制造

為了驗(yàn)證開發(fā)成果，制造了全新設(shè)計(jì)的樣品，其中的挑戰(zhàn)是從樣品制造到接近量產(chǎn)的轉(zhuǎn)化，以及從鑄件鑄造到制造加工。在量產(chǎn)條件下，所有的樣品都采用新的鑄造方法制造，其中首批鑄件就已滿足所有冶金學(xué)的要求，并且達(dá)到了非常高的尺寸精度，測定的毛坯質(zhì)量與計(jì)算的額定數(shù)據(jù)質(zhì)量最大僅相差0.4%，更為有利的是拉伸強(qiáng)度提高了約5%，硬度提高了約4%。

7 CO2和能量平衡以達(dá)到生態(tài)耐久性

提高終端用戶對環(huán)保型產(chǎn)品的興趣及調(diào)整資源利用效率的策略［4］，需要在評價(jià)環(huán)境影響方面轉(zhuǎn)變思路，從使用階段的單純CO2排放評價(jià)轉(zhuǎn)向整個產(chǎn)品周期（產(chǎn)地至產(chǎn)品報(bào)廢）內(nèi)的總體考察方式［5］。

8 制造階段

根據(jù)鑄造技術(shù)研究所制定的工藝［6］可以對最重要的鑄造工藝進(jìn)行比較，考察所有重要的運(yùn)行和使用材料，例如原始／二次用鋁、焦炭、型芯粘合劑、電流，以及加工和運(yùn)輸需用的能量等，其結(jié)果表明鑄鐵工藝與各種不同鋁鑄造工藝之間存在顯著的差異（圖4）。

9 使用階段

通過鑄造技術(shù)研究所得的計(jì)算方法［6～8］能夠判斷在經(jīng)過一段行駛里程后通過質(zhì)量相差1.9kg所減少的燃油耗能補(bǔ)償制造階段所多消耗的能量。如果用全球分銷聯(lián)盟（GDA）所公布的全球鋁再循環(huán)利用率及發(fā)動機(jī)的質(zhì)量差異作為基礎(chǔ)的話，那么根據(jù)幾種不同的汽車壽命周期才能得出平衡的能量分配。

10 利用階段

利用階段是產(chǎn)品的最后壽命周期，此時產(chǎn)品繼續(xù)作為二次材料循環(huán)利用。在鑄造車間中廢鐵可直接作為材料使用，而鋁在每次循環(huán)再利用過程中必須分離伴隨的材料（例如鑄鐵氣缸套），而且必要時還必須通過添加原始鋁材料來降低其中的含鐵量［10］。

11 成本

對價(jià)格敏感的汽車級別中，在提高產(chǎn)品復(fù)雜性和要求的同時，制造商及其零部件供應(yīng)商的成本壓力不斷地增大。與其他鑄造方法相比，鑄鐵氣缸體曲軸箱具有最有利的可能性，而且如果考慮到使用鑄鐵可能存在的尺寸方面的優(yōu)勢（縮短零件長度）以及可取消氣缸涂層、氣缸套或鑄鐵件，還能為降低成本帶來附加的潛力。最小的質(zhì)量差異具有約28%的明顯成本優(yōu)勢（圖5）。如果將這里所介紹的采用組合型芯（CPS）的鑄鐵氣缸體曲軸箱制造工藝與低壓金屬模鑄造方法進(jìn)行比較的話，其成本差異相當(dāng)明顯。

12 結(jié)論

所實(shí)施的開發(fā)項(xiàng)目已證實(shí)了鑄鐵材料在質(zhì)量、成本和生態(tài)方面所具有的潛力。通過發(fā)動機(jī)開發(fā)商與鑄造商之間非常緊密的合作已成功地將質(zhì)量差異降低到最小程度，同時取得了顯著的成本優(yōu)勢，而且這種新的制造技術(shù)能夠達(dá)到高精度要求，并且可以節(jié)省資源進(jìn)行全球生產(chǎn)。

［1］Sch?ffmann W，Wei?b?ck M，Sorger H，u．a(chǎn)．Hochleistung und reibungsreduktion-herausforderung oder widerspruch？zukünftige diesel-und ottomotoren auf basis einheitlicher familienarchitektur［C］．Graz，22．Internationale Konferenz，Motor und Umwelt，2010．

［2］Sch?ffmann W，Sorger H，v.Falck G，u.a.Leichtbau，funktionsintegration und reibungsreduktion-der grundmotor im spannungsfeld zwischen kosten und CO2-optimierung［C］.34.Internationales Wiener Motorensymposium，2013.

［3］Schulze T，Wolf W，Steinberg W，u.a.Optimierung aller entwicklungs-und herstellprozessen von anspruchsvollen bauteilen aus gusseisen［C］.Giesserei，2011.

［4］Comitee E E.［M］.Roadmap to Resource Efficient Europe，2011.

［5］Fritsche E.Vergleich der energieeffizienz und CO2emissionen bei der herstellung von zylinderkurbelgeh?usen aus gusseisen oder aus Aluminiumlegierungen［C］.Giesserei Rundschau，2010.

［6］［R］.Institut für Gie?ereitechnik：Grundlagen für Energiebilanzen von Zylinderkurbelgeh?usen，2014.

［7］［R］.DEKRA：Informationen zum Thema CO2.

［8］Dienhart M.［C］.Ganzheitliche bilanzierung der energiebereitstellung für die Aluminiumherstellung，Aachen，2003.

［9］［R］.GDA：alu.info，Statistik，2014.

［10］［R］.Arte：Xenius-Aluminium （Dokumentation），gesendet，2013.