鑄鐵氣缸體曲軸箱的輕型結構

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

1 目標設定

發動機持續不斷的小型化使得柴油機和汽油機結構中的應力明顯提高［1］，鑄鐵氣缸體曲軸箱應用為未來發動機負荷的進一步提高提供了出眾的前提條件，其輕型結構也為改善氣缸圓度、摩擦功率、機油耗、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汽油機被選作為機型比較的基準產品，成為對價格敏感的中級轎車上的價格尺度，其量產結構型式采用的是壓鑄鋁氣缸體曲軸箱（表1）。

表1 基準汽油機的技術數據

2 方案開發和零件結構

在設計階段就已對各種不同結構方案的質量、成本、可制造性及其對發動機運行性能的影響進行了評判。第1種方案將鋁氣缸體曲軸箱結構改為鑄鐵薄壁鑄造。而在其他方案中，除了優化薄壁鑄造方案之外，在承載區域內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域對深裙、帶有鑄鋁油底殼上體的短裙，以及有／無主軸承鑲圈的鋁主軸承座框架等結構方案進行了試驗研究（圖1）。方案比較表明，根據目標準則方案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。

由于鑄鐵具有較高的材料強度且無須使用氣缸套，缸心距可從87.0mm減小到84.5mm，再與其他結構設計措施相結合，發動機長度可縮短12.0mm。圖2示出了目前處于開發階段的鑄鐵氣缸體曲軸箱，其質量與作為比較基準的壓鑄鋁氣缸體曲軸箱相差4.4kg。

發動機長度縮短，能夠減輕其他發動機零件的質量，節約了成本。通過諸如曲軸、油底殼、氣缸蓋和凸輪軸等零件質量的減輕使質量差減小到1.9kg（按照DIN 70020）（圖3）。

3 可能的開發重點

鑄鐵薄壁鑄造氣缸體曲軸箱方案已通過模擬計算，并在運行負荷下針對結構強度、缸孔變形和熱狀況等方面進行了優化，其中承載能力起主導作用的主軸承壁區域針對減輕質量進行了持續不斷的開發，而氣缸工作表面在安裝應力和熱負荷下實現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化準則。方案5在所有這些準則中都能達到或超過目標值。

4 澆鑄和凝固特性的數值模擬

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，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據，它們可通過Fritz Winter公司開發的試驗方法來確定，并通過測量試制的鑄件進行調整。從試驗方法中獲得的有關材料和工藝數據方面的經驗有：（1）局部凝固速度對金相組織形成的影響；（2）孕育劑品種和數量對金相組織，特別是避免出現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能力；（4）化學成分對局部金相組織性能和機械強度的影響；（5）檢驗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整，就能找到有關澆注系統、孕育劑品種和數量，以及化學成分的最佳工藝窗口，而熱誘導的內應力可通過局部幾何形狀的優化，降低到目標水平。通過這些工藝參數的調整，首批試制鑄件就獲得了成功。

5 新的制造技術和鑄造方法

除了設計和模擬之外，開發一種新的鑄造方法，成為實現輕型結構方案的基本組成部分［3］。為此，確定部分數據對產品具有重要意義的目標，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；（4）達到額定數據質量。

重要的工藝規格目標是指產品具有高耐久性，并且節省資源，同時具有全球可用性工藝和工具裝備的標準化，并且具有高的成本效益。

要達到這些目標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）通常在濕砂型設備上采用直立式或臥式澆鑄方式鑄造，而在鑄鐵機體的新型鑄造方法中將摒棄這種濕砂型設備，利用一種專門的型芯方案，能顯著提高產品品質和工藝穩定性。結果形成了模塊化的鑄造車間，能在全球生產并保持相同的產品質量，而無需投資非常大的濕砂型設備及與原材料相關的鑄造工藝。

6 接近量產樣品的制造

為了驗證開發成果，制造了全新設計的樣品，其中的挑戰是從樣品制造到接近量產的轉化，以及從鑄件鑄造到制造加工。在量產條件下，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的要求，并且達到了非常高的尺寸精度，測定的毛坯質量與計算的額定數據質量最大僅相差0.4%，更為有利的是拉伸強度提高了約5%，硬度提高了約4%。

7 CO2和能量平衡以達到生態耐久性

提高終端用戶對環保型產品的興趣及調整資源利用效率的策略［4］，需要在評價環境影響方面轉變思路，從使用階段的單純CO2排放評價轉向整個產品周期（產地至產品報廢）內的總體考察方式［5］。

8 制造階段

根據鑄造技術研究所制定的工藝［6］可以對最重要的鑄造工藝進行比較，考察所有重要的運行和使用材料，例如原始／二次用鋁、焦炭、型芯粘合劑、電流，以及加工和運輸需用的能量等，其結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

通過鑄造技術研究所得的計算方法［6～8］能夠判斷在經過一段行駛里程后通過質量相差1.9kg所減少的燃油耗能補償制造階段所多消耗的能量。如果用全球分銷聯盟（GDA）所公布的全球鋁再循環利用率及發動機的質量差異作為基礎的話，那么根據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

利用階段是產品的最后壽命周期，此時產品繼續作為二次材料循環利用。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

對價格敏感的汽車級別中，在提高產品復雜性和要求的同時，制造商及其零部件供應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。最小的質量差異具有約28%的明顯成本優勢（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行比較的話，其成本差異相當明顯。

12 結論

所實施的開發項目已證實了鑄鐵材料在質量、成本和生態方面所具有的潛力。通過發動機開發商與鑄造商之間非常緊密的合作已成功地將質量差異降低到最小程度，同時取得了顯著的成本優勢，而且這種新的制造技術能夠達到高精度要求，并且可以節省資源進行全球生產。

［1］Sch?ffmann W，Wei?b?ck M，Sorger H，u．a．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.