車輛的總質量直接影響到燃油耗、CO2排放和加速性能。內燃機氣缸體曲軸箱具有極大的輕量化潛力，已逐漸成爲行業關注的焦點。內燃機的輕型結構對於混合動力車型意義重大，如電機、功率電子器件和蓄電池等部件均使車輛質量有所增加。隨着汽車電動化的發展，氣缸體曲軸箱的設計要求也在相應提高。

1 基本情況

目前，最大功率爲110 kW的4缸1.5 L缸內直噴(TSI)發動機的鋁合金氣缸體曲軸箱在摩擦、可靠性和質量等方面已有了相應標準，通過應用替代材料能夠實現更顯著的輕量化優勢。氣缸體曲軸箱採用合成材料可以顯著降低整車質量。

藉助於各種不同的計算機輔助工程(CAE)計算方法實施優化工作流程，包括虛擬設計、查明聲學性能、熱力性能、機械性能、以及優化設計等，並根據使用壽命週期分析(LCA)來評估混合結構氣缸體曲軸箱(圖1)的質量優勢及因使用合成材料對改進製造工藝的影響，並將其轉化成樣機。

圖1 輕型混合結構氣缸體曲軸箱

2 結構設計

氣缸體曲軸箱承受着複雜多變的負荷，除了裝配應力之外，還必須在高溫下承受着如拉力、壓力，以及彎曲力矩和扭轉力矩交織在一起的運行負荷。基礎機型承受着高達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的曲柄連桿機構作用力和6.5 kN的活塞側壓力，而運行材料所引起的溫度交變和化學影響同樣值得被關注。在設計邊界條件下，由各部分組成的氣缸體曲軸箱首先採用了由合成材料和金屬組成的混合結構方案(圖2)。鋁合金芯部包括氣缸、主軸承上半部和水套內壁，類似於基本型氣缸體曲軸箱。氣缸內壁有經珩磨加工的大氣等離子噴塗層(APS)，而合成材料外殼則構成了氣缸體曲軸箱的外部幾何形狀，並密封鋁合金芯部，同時固定附件及輔助設備。

圖2 混合結構氣缸體曲軸箱的發展步驟

合成材料外殼採用以酚醛樹脂爲基礎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、耐介質穩定性和蠕變傾向等方面的要求。鋁合金主軸承蓋框架用於加強氣缸體曲軸箱的剛性，包括主軸承下半部，同時用於連接油底殼。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。由聚酰胺製成的玻璃纖維加強油底殼可以將整個機體封閉起來。

在進行混合結構氣缸體曲軸箱設計時，應力爭使用盡可能少的金屬和儘可能多的合成材料，並應充分利用量產零部件來滿足系統要求。這種設計方案相對於基本型結構在理論上可使質量減輕16%，但這種混合結構氣缸體曲軸箱在數字模擬中顯示出整個裝置具有扭轉異常的現象，並且局部抗疲勞斷裂的安全性係數較低。

因此，在開發樣機時，對結構進行了設計優化，採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，由於冷卻水套處於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側或變速箱側，採用形狀合理的金屬合成材料雖然加強了總體結合強度，但是也增加了主軸承蓋框架(+4%)和芯部(+3%)的質量，即增加了氣缸體曲軸箱中鋁合金的總份額。即便如此，樣機的總質量仍比基本型結構減輕了13%，並通過數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

藉助於整個發動機-變速箱動力總成的噪聲-振動-平順性(NVH)計算，對混合結構氣缸體曲軸箱進行聲學評估，爲此建立配備具有所有附件的發動機-變速箱模型作爲彈性有限元(FEM)結構，並由整個曲柄連桿機構的氣體力和慣性力產生激勵，從而能對動力總成的振動特性進行詳細的試驗研究。

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

這種設計方案的彎曲振動特性得到了與基本型結構相似的振幅，而扭轉振動卻顯現出較大的差異。這種設計方案的扭轉振動頻率位於發動機第2階振動頻率範圍內，因此最大扭轉角顯著提高(圖3)。此外，因擺動支承和變速箱支座處較大的橫向位移，顯現出不易察覺的非主要振動階次。

圖3 正時機構端與變速箱端之間的扭轉角

由於加強了主軸承蓋框架剛性，扭轉振動頻率就從發動機第2階振動激勵範圍凸顯出來，其振幅又降低到基本型結構的水平。圖4示出了加強剛性後的效果。

圖4 扭轉引起的變形(放大2 000倍)

4 溫度場

混合結構氣缸體曲軸箱的另1個評價標準是熱特性，爲此要爲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，而燃燒室側的熱量輸入則由類似於基本型結構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佈。在水套下部金屬/合成材料結合區域會產生較高的溫度(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，這導致了其外表面的溫度明顯比基本型結構低。與原方案相比，樣機的合成材料外殼表面溫度要更低，這歸因於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着相似的溫度水平。對於混合結構方案而言，合成材料水套的這種“熱桶效應”意味着能較快地達到運行溫度，並能保持較長的時間。前提條件是要使用與此相應的熱-機械性能穩定的合成材料，如熱固性塑料或高功率熱塑性塑料等。

圖5 全負荷時的溫度場

5 強度

除了聲學特性和溫度場之外，混合結構氣缸體曲軸箱的使用強度通常被認爲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下的靜態斷裂強度、等溫線溫度和爆發壓力負荷，接着是高循環疲勞(HCF)運行強度，以及金屬與合成材料結合區域的接觸壓力。所應用的支承力、活塞側壓力和爆發壓力與基本型發動機全負荷加速時相當。所有的零件都處於1個線性材料模型之中。顯然，這種方案在很多區域的安全係數較低，特別是涉及到第2道主軸承、通風口內外壁面，以及機體頂面的部分位置(圖6)。樣機上處於臨界範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化的可能。同樣，在機體頂面個別部位及主軸承處，關鍵形狀部位新設計的金屬合成材料也存在進一步優化的可能。

圖6 混合結構氣缸體曲軸箱方案的安全係數

圖7 混合結構氣缸體曲軸箱樣機的安全係數

6 溫室氣體平衡

在進行聲學、熱力學和機械性能計算之後，環保是1項重要的評價因素。下面將對混合結構氣缸體曲軸箱的溫室氣體平衡進行比較評估。按照ISO14040/14044標準，依據LCA方法進行較粗略的評估。不僅要對製造階段，而且還要對使用階段進行評估。對於混合結構氣缸體曲軸箱的基礎殼體金屬部分(芯部和主軸承蓋框架)主要採用經熱處理的二次壓鑄鋁合金，基礎殼體的主軸承蓋將採用粉末冶金鋼。混合結構氣缸體曲軸箱的製造使溫室氣體CO2當量比基本型結構降低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，混合結構氣缸體曲軸箱在溫室氣體平衡方面也有明顯的優勢。由於質量減輕及由此帶來的燃油耗優勢，就所消耗的行駛功率而言，溫室氣體排放比基本型混合結構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製造過程中產生的廢水所引起的，但其危害程度可以忽略不計。

圖8 製造階段和使用階段的溫室氣體

7 製造

研究人員對樣機進行了詳細的結構設計並進行試製。試製過程從製造芯部和主軸承蓋框架開始，緊接着必須進行芯部表面處理，包括表面噴砂、脫脂和表面增附劑塗層(增加附着力)，隨後在樣機制造時採用手工方法在硅樹脂模具中進行合成材料注塑。其挑戰在於必須確保在硬化時間之內完成材料注塑過程才能使得流量處於最佳狀態。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均勻分佈。在注塑過程後，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。

然後，即可以開展氣缸表面塗層工作。通過專門調整，混合結構氣缸體曲軸箱上部能在發動機量產設備上按照標準方法進行加工。藉助於激光器的噴砂工藝，通過鋼微粒噴塗形成工作表面塗層。圖9示出了經表面塗層工藝加工後的氣缸工作表面。在塗層工藝過程期間，局部導入的熱量要加以限制，至少應使直接平衡評估(圖中EOL=使用壽命終止)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細微的裂紋和龜裂，它們位於頂面上金屬合成材料結合區域，正時機構側第1道主軸承和變速箱側密封法蘭區域。在主軸承座處可看到金屬合成材料結合區域中顏色深淺程度的差異(圖10)，根據這種相互關係要力爭獲得結合技術中的新方法，以改善2種材料的結合品質。

圖9 APS塗層後和頂面加工前的氣缸

圖10 主軸承座局部照片

接着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，並對功能表面進行加工。經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位式刀片以獲得較高的表面加工品質。最後，在樣機加工設備上鏜出主軸承孔通道，並對氣缸進行珩磨處理。爲此藉助於1個專門製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，這是因爲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，而混合結構氣缸體曲軸箱的主軸承座則完全由鋁合金構成。主軸承孔通道採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)。氣缸珩磨之後在氣缸工作表面上依然有個別的缺陷，分析可能是因爲在進行塗層時導入的熱量和珩磨時施加的壓力而導致的。由於合成材料外殼的絕熱特性使得熱量難以向外傳導，與基本型結構相比，鋁合金壁厚較薄，因而導致材料中的應力較大。

圖11 混合結構氣缸體曲軸箱的珩磨

開發出混合結構氣缸體曲軸箱樣機，其性能取決於基礎部件。對未來混合結構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該目標的關鍵。採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工藝步驟對材料結合的影響。過程中必須確保壓鑄工藝、熱處理工藝和加工工藝不會產生裂紋、脫殼，以及使材料發生化學變化等避免其他形式的缺陷。力求優化最終輪廓形狀的製造過程，避免混合切削加工，以及設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爲例，闡明瞭輕型混合結構方案的潛力和主要挑戰。這種組合能有效地減輕結構部件約13%的質量，相應減少在車輛使用壽命期內約15%的CO2排放。輕型結構在汽車電動化中也起着重要的作用：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。

注：本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第3期

作者：[德] M.JAUERNICK等

整理：範明強

編輯：何丹妮

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