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1、项目一 发动机机械新技术,在汽油发动机新技术的发展历程中,发动机机械部分一直是所有汽油发动机的基础。在满足了基本运行要求后,发动机机械部分新技术主要致力于提高动力性和减小结构尺寸。 改进所用材料、设计方法和制造工艺。,主要内容,第一节发动机机械新材料、新工艺 第二节发动机机械新结构,任务一 发动机机械新材料、新工艺,一、缸体新材料及新工艺 二、活塞新材料及新工艺 三、连杆新材料及新工艺,发动机材料是汽车设计、质量及竞争力的基础,汽车发动机新技术的发展在很大程度上取决于发动机材料的发展。 汽车发动机材料的发展呈多样化、多元化、轻量化,其中轻量化的趋势更为明显。 当前国内外汽车发动机材料开发方向的
2、重点是铝合金、镁合金、锰合金、钛合金、高强度钢、复合材料和热塑性材料等。,一、缸体新材料及新工艺 迄今为止,发动机缸体仍是整辆车内最重的独立部件之一,对车辆动力性、经济性影响很大。因此,人们尝试尽可能减轻发动机缸体重量。 传统的发动机缸体材料通常是铸铁,其最大缺点是密度大,重量大。相比之下,铝合金和镁合金在密度方面表现出明显的优点。,1.铝合金缸体 铝合金的密度大约是灰铸铁的三分之一,但是不能以1：1的比例将其转化为重量优势,因为其强度较低,因此发动机缸体必须较厚。 铝合金的其他特性还有: 较好的散热能力,较好的耐化学腐蚀性, 较好的切削加工特性。 铝合金中含量相对较高的合金成分包括:硅(Si
3、)、铜(Cu)、镁(Mg)、锌(zn)。,铝合金机体的优点： (1)与铝活塞的热膨胀系数相同，则缸壁间隙可最小，从而降低噪声和机油消耗量。 (2)因铝合金的导热性好，故可以提高压缩比。 (3)铝合金质量轻，有利于FF轿车的轴荷分配。 (4)因散热性好，可减少冷却液容量，减小散热器尺寸，使发动机轻量化。,2.镁合金缸体 镁是密度最小的适用金属。与铝一样,纯镁也无法提供浇注发动机缸体所需的特性,与其他金属铸成合金可弥补这种不足。铝或锌适合作为主要合金成分,可铸成镁合金。 镁合金特性 较好的散热能力,较好的强度特性,较好的切削加工特性,较好的可浇注性。 但镁合金非常容易受到腐蚀。,解决腐蚀的办法宝马
4、发动机N52发动机采用名为AJ62的MgAl6Mn合金（161kg）。 虽然这种镁合金不易受到腐蚀,但如果未遵守正确处理规定,也会存在严重腐蚀的危险。 与镁金属接触的材料必须经过许可才允许使用,安装件的材料必须与AJ62相容或用密封垫与镁合金壳体隔开。 某些区域(例如气缸工作表面)不能使用镁合金,因此缸体采用复合式结构。,缸体复合式结构 曲轴箱由一个硅铝合金嵌入件组成,该嵌入件与镁合金浇注为一体。这种硅铝合金嵌入件通过螺栓连接变速器、气缸盖和曲轴轴承以及冷却液通道,这样镁金属就不会接触到冷却液和水。,使用中还应注意： 由于铝和镁的膨胀系数相同,因此这两种材料的连接不会出现任何问题。由于钢的膨胀
5、系数只有铝和镁膨胀系数的一半,发动机受热时,钢制螺栓的膨胀程度只有曲轴箱的一半左右。但是,在发动机冷却时却存在钢制螺栓松动的危险。因此,在关键部位使用了铝合金螺栓。由于铝的抗拉强度低于钢,必须严格按照规定的操作方法拧紧铝合金螺栓。原则上铝合金螺栓只允许使用一次,每次松开铝合金螺栓后都必须更新。 安装发动机的螺栓时需要特别注意,取下螺栓连接件后必须立即吹干螺纹孔,以免因冷却液造成腐蚀。 重新安装螺栓前也要完全吹干摞纹孔,避免以后在缸体材料和螺栓之间形成接触腐蚀。,二、活塞新材料及新工艺 活塞位于发动机的心脏,其工作质量的优劣直接影响发动机的性能。 现代发动机的活塞材料多采用铝合金,其主要优点是质
6、量轻、导热性能好。 活塞与活塞环是一对摩擦副,为使其工作性能达到最佳化,在选用原材料和工作面的涂覆材料方面,首先应考虑两者间的匹配性。 如活塞环端面进行化学钝化处理,则活塞材料应选用共晶铝(Cu含量5%),且对活塞环槽进行磷化处理。,目前,国内外用作活塞材料的除铝硅合金外,还有铸铁(灰铸铁和球墨铸铁)、钢及铝基复合材料等。 所谓铝基复合材料就是以铝合金为基体,添加诸如高性能纤维、晶须、颗粒等形成的材料。 增强材料的品种、数量,增强形式和增强部位可按零件要求自行设计制造。,与铸铝相比，铸钢的机械强度高、耐磨性能好，但加工麻烦，密度大，成本高，对缸套的磨损严重。因此很少全部用铸钢做活塞，而是在一些
7、强化程度高的柴油机上用铸造合金钢(如40CrMo、4Crl0Si2Mo)做活塞头部，用铸铝做活塞裙部，构成钢顶铝裙的组合式活塞。 在超长冲程的L-GBGBE系列的低速发动机上得到了应用。 法国Renault公司制造的重型商用车用420马力DCill发动机也采用了这种结构的活塞。,硼酸铝单晶纤维团粒化坯体，强化活塞第一道环槽和顶部的二冲程汽油机用铝基复合材料活塞已经有应用。 国内东南大学材料学院与跃进集团及南京金陵汽车配件厂合作的NJ433发动机采用增强基体材料的活塞，通过了1000小时台架试验；与玉柴机器公司、德国马勒(南京)公司合作的YC6112发动机活塞顶部燃烧室周边增强，已形成年产数千万
8、元的复合材料活塞产业，使陶瓷纤维增强铝基复合材料在我国的汽车发动机行业进入了工业应用阶段。,全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞已在特种发动机上得到了一定的应用。五十铃汽车公司所研制的绝热发动机的活塞是采用Si3N4（氮化硅）活塞头部，用一钢卡环与铸铁裙部连接，头部与裙部之间设置空气隙，并安装一隔热衬垫。这种设计的活塞隔热效果较佳，头部最高温度为700，裙部却只有100200。 但由于陶瓷的性能特点、复杂的制造技术和高成本，要使陶瓷活塞大规模地应用于内燃机，还需要做许多研究工作。,美国赛车公司在24KW发动机32小时全负荷性能台架试验中发现碳纤维增强碳基复合材料的活塞明显优于铝合
9、金活塞。 其成本分析报告指出：如果年产量100万只则单只活塞成本可降到91美元，而铝合金活塞的单只成本为612美元，由此可见，碳基复合材料活塞有着广阔的应用前景。 还有树脂基复合材料。,活塞的改进主要体现在结构和工艺两方面。 例如改变加强筋的形状、环槽的表面粗糙度等,以改变活塞工作时的应力分布、温度场和耐磨性。,采用梯形活塞结构,可以使活塞销的接触面增大。梯形面积比采用普通支撑结构可传递的作用力大。,活塞顶部的处理方法主要有阳极氧化处理、镀铬、陶瓷喷镀、微弧氧化; 活塞裙部的处理方法主要有镀锡、涂石墨、涂二硫化钼。,三、连杆新材料及新工艺 连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷,因此
10、连杆必须具有足够的疲劳强度与刚度。同时,为了减少惯性力,连杆的重量应尽可能的轻。 长期以来连杆使用的材料是中碳钢、中碳合金钢或铸铁。当然最理想的是高比强度的轻质材料钛合金,但目前限于成本高,钛合金连杆仅用在赛车发动机上。 近年来连杆材料发生了不少变化,如粉末冶金和高碳钢（裂解连杆）已有使用。,连杆裂解(也称连杆胀断)技术的原理 就是利用材料断裂理论,首先将整体锻造的连杆毛坯大头孔人为产生裂痕,形成初始断裂源,然后用特定方法控制裂痕扩展,达到连杆本体与连杆盖分离的目的。,裂解连杆特点： 锻造后空冷而无需热处理,裂解后连杆本体与连杆盖的接触面不需要机械加工,节约了加工费用。装配后连杆本体与连杆盖的
11、裂解面紧密接触并互相锁定,防止它们之间的相互移动,提高了曲轴零件的刚度,改善了发动机性能。 因其分离面不平,取消了连杆瓦定位凸起。连杆轴承盖与连杆本体之间的连接通过螺栓直接拧入连杆本体的螺孔中,而不是使用双头螺柱和螺母。,梯形连杆的连杆小头的横截面呈梯形 这样可以进一步减轻重量(节省了未承受负荷一侧的材料,而承受负荷一侧则为整个轴承宽度); 缩小活塞销孔间距,提高了活塞销的抗弯能力; 还可以取消连杆小头内的油孔,机油可通过滑动轴承的倾斜沿渗入,可以避免对该侧轴承强度造成的不利影响。,2013东京车展，NIPPON GASKET选用酚醛树脂材料制作齿轮。首先在芳纶长纤维表面附着酚醛树脂粉末，接着
12、将其溶于水中使之均匀分散，再像抄纸那样制造成2mm厚的片材。将1020张片材层叠，制成2040mm的板材，并将板材冲压成齿轮形状。这时由于是冲压，因此齿轮为平齿轮。之后将冲压件放入模具，加热、压缩成型。齿线随着模具变为倾斜，变成斜齿齿轮。最后像金属齿轮一样用滚齿机加工，获得精度。加工余量为0.3mm。成品出来后在内侧热装金属衬套，交付给平衡轴厂商日本欧德克斯（OTICS）。未来将搭载在丰田混动车型。,PCM法是采用冲压机进行压缩制造CFRP的量产技术，利用固化时间为25分钟的热固性环氧树脂来制造预浸料的预制件，然后将预制件放入模具中加热，并在310MPa的高压下冲压成型。这种方法将成型作业的周
13、期缩短到了约10分钟，可用于汽车部件的量产。另外，由于是在高温高压下冲压，因此部件表面的非常平滑，涂装后也很美观，这也是首次在量产车的外板部件上采用该技术。,轮胎作为车辆与地面唯一接触的部件，其特性不仅影响车辆的操控性，同样会对燃油经济性产生影响。使用低滚阻轮胎一直是新能源车降低能量损耗的重要手段，除了调整胎面宽度外，优化轮胎花纹以及改进轮胎使用橡胶也是减低轮胎滚动阻力的好方法。 住友橡胶工业公司于2013年12月3日公布将于2014年秋季上市“滚动阻力降低50的轮胎”等轮胎技术。,钢铝结合车门,据本田推算，与钢制车门相比，改成全铝制车门后每辆车能减轻22.5kg，但成本却达到290%，接近原
14、来的3倍。如果只将外板改为铝制，则可减轻11kg，成本只有110%。也就是说，重量减轻的幅度虽然是全铝车门的一半，但成本上升幅度只有全铝车门的1/19。,当钢铝这两样不同材料实施结合时，会发生使两种金属中的惰性金属腐蚀速度比平时金属腐蚀速度加快的电蚀效应，为了消除这种效应，本田使用新日铁住金株式会社生产的表面含11%铝、3%镁、0.2%硅、85.8%锌的镀膜“Super Dyma”钢板，铝材使用6000系列铝合金，通过这层为-1.0V，比铝腐蚀电位更低的镀膜避免电蚀效应。 在应对钢铝结合加工过程产生曲翘这个问题时，本田的解决办法是使用双折叠边法。通过材料间的相互挤压来抵抗外板伸长方向的力。通过
15、在热变形较大的四个部位采用这种构造，防止了加热时的变形。除了这四个部位以外，其他地方的折边仍旧只折叠一次，同时增加粘接剂中橡胶的比例，因此硬化时也只有一定程度的变形，这样便可抑制曲翘。,项目二 发动机机械新结构 一、平衡轴系统 二、曲轴箱通风新装置 三、双质量飞轮 四、无回流燃油系统 五、双离合器（底盘新技术）,一、平衡轴系统 轿车通常使用高速发动机。然而,由于发动机存在不平衡往复惯性质量,且不平衡质量引起的惯性力与发动机转速的平方成正比。因此,高速发动机通常振动和噪声也较大。 加平衡轴可以显著降低高速发动机的振动和噪声。由于对舒适性的要求越来越高,目前越来越多的轿车高速发动机采用平衡轴系统（
16、在曲柄臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力及其力矩）。,当发动机的结构和转速一定时，一阶往复惯性力与曲轴转角的余弦成正比，二阶往复惯性力与力矩与二倍曲轴转角的余弦成正比。,发动机往复惯性力的平衡与气缸数、气缸排列形式及曲拐布置形式等有关。,平衡轴分单平衡轴和双平衡轴。 单平衡轴用于平衡直列三缸发动机、五缸发动机或者型六缸发动机的一阶往复惯性力矩。 双平衡轴用于平衡直列四缸发动机的二阶往复惯性力,两根平衡轴转向相反能降低倾倒力矩中部分二阶往复惯性力矩。 平衡轴的驱动有三种方式:链传动、齿轮传动或齿型带传动。,宝马M43TU发动机采用由齿轮驱动的双平衡轴。 平衡轴与平衡轴配对使用,不得单独更换,不得随意拆开平衡轴箱。 平衡轴与曲轴齿轮之间的齿侧间隙可通过垫片来调整,将垫片(多种厚度)安装在气缸体与平衡轴箱之间。 调节曲轴与平衡轴箱之间的齿侧间隙时必须严格遵守维修说明中的相关规定。齿侧间隙过小或过大都不允许。,两根平衡轴与曲轴平行且与气缸中心线等距，旋转方向相反，转速相同，都为曲轴转速的2倍。两根轴上都装有质量相同的平衡重，其旋转惯性力在垂直于气缸中心线方向
