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1、. 轻型发动机设计方案摘要：在过去的一些年里，新一代汽车发动机燃油效率并不是像我们预料中的那样会有所降低。其原因：汽车重量的增加。通过对汽车发动机整车重量以及部分重量的分析知：曲轴箱作为一个单一部件具有潜在的可减少重量的部件，这篇论文讲述的是通过利用轻型材料和现代的设计手段减少发动机重量的方法。将轻型材料应用于曲轴箱设计构思中包含着广泛的设计理念，这种设计理念就是尽最大可能利用被选材料所具有的可能性去减少汽车重量，以下我将详细的谈论关于直列式和V-型发动机特殊方法的构思，发动机重量减轻也可以利用中小型发动机来代替又大又重的发动机，现代技术以被应用于现存的发动机设计构思中从而增加发动机功率重量比
2、，使发动机性能得到提高因此它的市场价值也得到提高。新型轻型发动机设计方案中有一个重要方面就是与传统发动机设计理念相比要尽量减小发动机零部件数量，因为这样对于减少整车重量有着非常重要作用。介绍：汽车在生态方面和将来继续充当普通交通工具的要求已经显著提高尤其在美国和欧洲。通过合法的要求使那些有压力的顾客在这方面得到缓解。必需考虑到这样的事实，对于燃油的消耗，排放，回收在利用这些中心问题要有一个回应。在过去的一些年里，汽车发动机的发展取的了进步，使发动机功率得到了显著的提高同时在降低发动机燃油消耗和排放方面已经付出巨大的努力。通过应用直喷，废气涡轮增压和多气门技术于柴油发动机中，使发动机的性能得到显
3、著提高。新车取代与在它之前所有具有相类似功能车时，其新车发动机工作效率的提高并不是通过对原有车的有效改进。整个交通工具工作效率停滞不前甚至降低的原因是在过去的十五年里增加了15%20%的车辆（图1）。尽管轻型材料的使用不断增长以及设计者有意识的向轻型结构方面设计但是重量减轻却被其他方面所弥补。读者可以通过以下方面得知：多余的汽车外形安全方面的改进关于NVH舒适度方面的改进持续性动力输出方面的提高以及汽车工作情况的改进可靠性方面的改进图1.交通工具重量减轻（由数据2反映）车体增重并不是汽车发展的倒退。持续增长的顾客需求和严格标准要求向重型车方向发展，因此人们开始认识到消除这不利因素的最便利方式是
4、减少车辆数量但是要保持发动机性能不变，所以曲轴箱引起我们特别注意因为它占整个发动机重量的21%25%。大部分柴油机曲轴箱点火上峰值压力可达到16兆帕，在这样的压力下能够引起相当高的部分载荷。减少油耗，排放可以有利于改进车子的性能，也有利于降低车子零部件的制造成本。这篇论文讲述的是关于减轻现代高性能发动机的构思。图2显示的是典型2升排量汽油机核心部分示意图。一个显著的部分是曲轴箱，因为它具有将汽油机重量减轻10%12%的可能性的部件。图2.发动机主要部分重量示意图每种材料的使用情况都需要被改进，新的轻型材料的使用必须要从技术和经济性两个方面得以考虑。车体重量的减轻不仅仅局限于发动机的构思。拥有大
5、功率重量比和扭矩的发动机在减小发动机重量方面具有很大的可能性。对于现代柴油机能够达到最大功率强度所采用的直喷和废气涡轮增压技术是一项非常关键的技术。四气门技术应该被考虑到应用于缸径为75cm或更大直径的发动机上以便提高发动机功率重量比，但与此同时还得考虑到越来越严格的排放法规。图3表明在发动机生产周期是基于发动机结构的小改变来提高发动机的功率重量比来得以实现的。通过诸如直喷和涡轮增压技术来进一步提高功率质量比和扭矩已经没有太大的空间了，因为有更严格的排放法规来限制。因此在将来从结构方面下手会使发动机获得更多的发展空间。应用轻型材料的设计理念于现代曲轴箱设计构思之中对于减轻车体重量是非常必要的。
6、图3.功率强度的提高轻型材料的设计理念-不同单一或综合方案，它可以有效的应用于去减少典型车用发动机的重量。图4展示了四个有关轻型材料的设计方法。基本发动机构造，综合设计以及材料选择都是有很强的联系的因为它们与结构强度计算和有关声学方面有关联。图4.重量减轻方案对于曲轴箱设计存在一个非常突出的边界条件就是生产过程和功能要求。创新的设计方法对于使轻型材料的优点得以发挥起着极其重要的作用。因为更高的材料成本，简单材料去取代那些高成本轻型材料铁，轻型材料的联合使用以及发动机和零部件的创新设计方法导致发动机更轻，零部件更便宜（图5）。图5.部件的优化和轻型材料的成本利用特殊的轻型材料去寻求最优化设计的努
7、力经常被限制，因为额外的要求总是被强加在发动机家庭化设计中。例如专业生产线需要考虑到各个方面如令人厌烦的空间，顶部高度等要有连贯性，然而提高现存发动机市场份额也是很容易的，如可以通过材料替代但是要求被替代材料要具有机械制造性和装配过程连续性。完成一个重新设计仅需改变材料的性能。如图6所示。图6.材料替代品CI铝3图7. AVL桁架系统构思的核心部位图8.顶部板面设计曲轴箱设计修正在机械制造过程中具有适应性，同时在新的曲轴箱设计中要求有更多的修改自由空间，有一个曲轴箱采用AVL桁架系统构思来进行制造的例子4。AVL桁架系统在采用硬结构构思方面具有非常大的重量减轻的可能性。其它优点就是在声学方面和
8、曲轴箱通风系统的整体性以及连接水平通道的油道设计方面。 首先这种桁架构思是采用压缩铅粉铁（以下简写为CGI）来设计曲轴箱5但与此同时也证实这个设计是基于灰铸铁曲轴箱6，7和8。CGI曲轴箱中有一种敏感性材料被用于汽车顶部板面设计中，在图8中得到说明。有优良的声学效果和有可能减小顶部板面重量的板面最厚处约为1014mm是应力集中区。较小的应力集中区域的壁厚约为3.5mm。在尽可能情况下采用轻型材料来作为曲轴箱凸缘区域最优化设计与那些通过付出昂贵的代价使壁厚达到最小化设计相比前者显得更好。图9.曲轴箱材料和设计的影响材料选用构思-图9表明曲轴箱可能使用的材料，设计理念以及所选材料对零部件重量影响的
9、一个变化范围。图10.直列式汽油机曲轴箱构思CGI材料告诉我们：尽管CGI与氯具有相同的材料密度但是将其融于轻型材料设计方法中那么CGI材料大约能将所设计的曲轴箱重量减轻10%的可能性。所示的部件是采用特殊的构思方法设计。由有气体和螺栓力的含铁材料所制成的复杂钢骨架使整个气缸成为整体，同时对整个气缸盖和轴主要突出部位造成一定的威胁。通过对钢部分溶解知：密封钢外部是由铸造的薄金属构成的。对铝部分溶解知：其是由铝合金构成的。低成本曲轴箱构思的应用受到限制其原因是由于复杂的骨架致使形成额外成本。为高速柴油机选择唾手可得的轻型材料是比较容易的，可以通过制造CGI 来分别镶嵌或者用球墨铁镶嵌在包括气缸在
10、内的每个主轴承壁上。今天，用重量可以减轻40%的铝材料设计取代了过去用铁的设计方案，尤其使用含有氯的亚铅制成的铸形曲轴箱已经被证实对于大部分用次曲轴箱的发动机都可以将其溶解，之所以这种方案原因除了具有突出的重量减轻的可能性外，还有：优越的热传导性具有支持复杂和精致结构的先进制造工艺的可能性具有整体性可能更小公差范围市场优势镁，是应用于曲轴箱中最轻的材料，尤其将其用于高速柴油机设计中是极富挑战性。镁在自然界中是广泛存在的。对于大部分采用镁材料曲轴箱研究发现，它会对有益于曲轴箱的铝部分进行溶解，燃而根据材料所具有减小重量的可能性将镁和铝用于曲轴箱最小壁面处是不可能的。用于典型发动机曲轴箱所选择的材
11、料涉及到已被定义的参数以及如果满足发动机零部件性能需要所作出对材料的选择而引起的一些问题。表1主要材料的性能。 结构硬度是由Young模数和材料密度之比来确定的。拉力和Young模数主要影响曲轴箱静力强度，主轴承所能承受的力以及气缸盖上的销子所产生的力。对于动力强度和可持续性峰值点火压力的主要参数是受材料的屈服强度来限制的。曲轴箱设计中材料的其它重要特性包括热传导率，机械制造性能，热屈服强度，在高温时爬坡阻力，湿度系数，热膨胀系数，抵抗冷却水、矿物油、盐水的腐蚀能力尤其是在重量减轻方面。设计理念-汽油机直列式曲轴箱设计标准是具有高压力含氯的铸有铝的曲轴箱并且要具有大约4.5 mm厚的轴壳或者具
12、有能进一步减轻重量现代化轻型曲轴箱的构思。以一种床板形式被安装的机轴（图10，左）具有能够进行对其外壁处理和连接着裙部的铝制梯形框架的设计构思（图10，右）。每个缸仍然可以通过铝套或者其它热传导套来代替氯衬套将其重量减轻大约0.5千克的可能性，同时取代氯衬套也有益于来自燃烧室的热进行更好的散发，从而可以避免在氯衬套与周围材料之间因热胀冷缩而形成沟槽。用镁取代曲轴箱以前所使用的材料可以进一步减轻重量。图11.直列式柴油机曲轴箱构思峰值燃烧上限压力可达到16兆帕的直列式柴油机曲轴箱所采用的普通衬套材料一般是氯。现代曲轴箱采用深裙部构思方法，正如所说的球墨铁（以下简写为SGI）轴承壁和铝制梯形框架。
13、（图11，左）曲轴箱设计理念是基于因工业发展而形成的占主导的AVL发发动机隧道式构思11和12，这种构思是从声学角度考虑的，因为主轴承会受到高燃烧气体所产生的力作用以及曲轴箱里的声波辐射。这种设计会导致主轴承发生相对柔性变化但是隧道式却能形成大扭矩和大的屈服硬度。第一台AVL-LEADER发动机模型所采用的是单隧道铸形曲轴箱，此结构对于现代化大排量发动机是不可采用的，因此所展示出来的最优化曲轴箱产品要求采用两隧道设计13，同时油泵、吸油管要求在梯子形框架内采用整体式。图12. V-型发动机曲轴箱设计铝合金在柴油机上的使用和铝制直列式家用发动机曲轴箱设计成功提供给我们联合化生产的机会。今天铝已经
14、成为汽油机曲轴箱标准材料但是将铝广泛应用于高速柴油机仍然受到各种问题的捆饶如怎样解决主轴承壁应力集中问题，气缸套、顶部板面以及其它活动部件的扭弯问题。有这样的零部件构思：在保证结构的高硬度情况下尽量减轻曲轴箱重量，经过调查发现砂型铸造铝或镁曲轴箱可以达到这种效果。如图11曲轴箱右边采用通销孔设计而曲轴箱采用镶嵌式床板并要求其具有支撑主轴承外壳功能的设计。在这些镶嵌中整体式线形突起部位也要能够去取代通销孔，同时这样也可以避免昂贵的装配工序。表1.主要材料性质的比较最新产品V-型汽油发动机曲轴箱设计已经被完成。同样还有直列式汽油发动机曲轴箱是一种高压铸铝曲轴箱，同时其具有通过取代氯衬套来进一步减轻
15、重量的床板。目前大部分V-型柴油发动机曲轴箱是采用氯衬套制成，因为它具有高峰值燃烧压力。通过机轴中心线和采用SGI轴承外缘深裙部设计独立平面的床板设计已经被证明是可行的构思。每个主轴承上都有四个插销同时每个轴承边缘上又额外增加了水平插销，这对于缓解轴承边缘上的载荷影响是非常重要的。由于CGI优秀的材料特性使我们想到了将其运用到V-型柴油发动机曲轴箱设计中。尤其在主轴承周围有高载荷影响情况下所采用的氯衬套其重量减轻问题已经被解决。对于V-型柴油发动机曲轴箱不同设计所面临解决问题的方法已经被用于有限元素分析法之中进行比较。通过调查研究发现选择砂型铸造曲轴箱一般采用成90角的V-型8缸发动机（图12
16、，左）。有限元素分析法认为每个轴承壁上要用四根插销，为了减小主轴承热膨胀所带来的不利应该用大约4mm厚的轴承外壳来弥补。 图13. 有限元素模型有限元素分析法有限元素分析法被广泛的运用于直列式和V-型发动机曲轴箱半缸3D设计中。有限元素模型法是由曲轴箱，床板部分，半轴承壳，气缸头以及轴承销组成（图13）。引起我们特别注意的是在主轴承壁周围的关键区域要进行持续性峰值燃烧压力计算。不同变化的有限元素模型被负以静主轴承销力用来估算不同峰值燃烧压力同时还要考虑到发动机不同温度下动载荷。峰值燃烧压力受被估算的安全因素以及在静、动载荷情况下主轴承变形情形两方面限制。在这次调查研究发现不同变形必须采取笔筒的
17、变形材料如AlSi9Cu3,AlSi10MgWa,砂型铸造镁合金用 SGI和CGI法镶嵌部分块，图14摘录了这些结果。先前的估算形成家用直列式柴油，汽油发动机高压铸形曲轴箱只能承受13.5兆帕最大压力，其床板采用增加镶嵌方法来分析。图14.峰值燃烧压力极限（气缸内/核心部位=1.12）通过调查研究发现当在没有使用砂型铸造镁合金时，直列式曲轴箱（图11，右）屈服峰值燃烧压力最大可达11.5兆帕，而AlSi9Cu3可最大承受13.0兆帕，如果在没有采取镶嵌方法情况下要想使承受压力达到14.5兆帕必须采用AlSi10MgWa.CGI或SGI镶嵌铝或镁合金基本结构中时可允许峰值燃烧压力达到15兆帕甚至
18、更高。V-型发动机曲轴箱设计与直列式发动机曲轴箱相比，铝镁合金的V-型发动机曲轴箱设计要求更多条件。每个主轴承要求承受两个气缸载荷而不是一个。对气缸盖和主轴承进行必要的力平衡补偿是不可能的。与直列式发动机曲轴箱相比强制减小V-型发动机曲轴箱峰值燃烧压力具有相同的效果。由于它们上述的一些基本原理应用于以上的发动机设计中，V-型发动机可以允许更轻点但是其零部件成本将偏高。采用铸形CGI或 SGI骨架适应于将峰值燃烧压力提高到14.0兆帕甚至更高（图12，右）。对于缸头销和主轴承壁强度的弥补要求使用复杂的框架而不是对每个主轴承壁采用独立镶嵌。如果采用多部件喷雾式衬套、铝衬套或热表层而不是采用骨架整体
19、室衬套那么可使曲轴箱重量减小0.5千克。概要/总结与采用最小壁厚的轻型材料相比，采用薄壁技术的含铁曲轴箱想进一步减轻重量已经受到限制。另外由于铅材料的密度小，汽油机、柴油机联合生产使铝合金的使用成为可能。现代曲轴箱应用轻型材料关键之处在于可以满足尤其是高速柴油机主轴承强度要求，满足缸套和顶部板面扭力的要求以及满足轻型曲轴箱声学要求。将轻型材料应用于V-型发动机曲轴箱受限于可实现的强度。如果没有安装增加强度的装置的话，从有限元素分析法知，对于直列式发动机曲轴箱所承受最大压力为14.5兆帕而V-型发动机曲轴箱所能承受最高压力为14.0兆帕。在主轴承壁面上装有额外的镶嵌物（SGI或CGI）对于阻止现
20、代化高速柴油机所产生的高峰值燃烧压力（15.0兆帕或更高）起着极其重要的作用。复杂的铸骨框架仅适用于V-型发动机曲轴箱因为在更高级的交通工具中允许使用材料更轻成本偏高的零部件。骨框架结构最适用于在主轴承壁存在两缸负载。气缸套在骨框架结构中最好被设计成整体式。尤其对于高速柴油机将最轻型材料镁应用于曲轴箱设计中是极富挑战性的。我们还得继续对含镁材料曲轴箱设计进行研究探寻其潜能。发动机轻型曲轴箱的发展不仅仅是被选择材料方面的问题，同时也是整个发动机构思和设计方面的问题。在这篇论文里所涉及的轻型材料正在被逐渐引进到许多产品设计中，被应用于轻型发动机曲轴箱设计尤其现代化高速柴油机设计中。1第 - 12 - 页