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AG客户天和機械告訴您發動機製造的先進材料都有哪些呢

文字:[大][中][小] 手機頁麵二維碼 2017/5/8     瀏覽次數:    

  現在,人們在選擇汽車的時候,經常會考慮發動機的材料。我們也經常會在許多廠商的推廣宣傳上看到“全鋁發動機”這個耀眼的字眼。為何廠商要炫耀他的全鋁發動機,那不是“全鋁”的發動機材料是什麽?全鋁發動機有什麽好處呢?還有哪些新型的材料被用來製造發動機部件?這篇文章,我們就來一起討論這個話題。

  傳統的發動機無論是缸體還是缸蓋都是采用鑄鐵的,但是鑄鐵有著許多先天的不足,例如重量大、散熱性差、摩擦係數高等等,所以,許多發動機廠商都在尋找更適合的材料製造發動機的構成部件。
  輕量化材料:首先我們從材料的輕量化來討論新型發動機材料的優勢。
  1、全鋁缸蓋和缸體
  我們日常所說的全鋁發動機是指缸蓋和缸體都是鋁合金製造的發動機。而缸蓋是鋁合金,缸體是鑄鐵的發動機,一般我們還是稱作鑄鐵發動機。現在,全鋁發動機已經在大量的車型上被采用,在國外,羅孚的k係列發動機,寶馬的M52直列六缸發動機,日產的VQ發動機,捷豹的-AJ-V8發動機、奔馳的V6和V8發動機、通用的LS1和北極星V8發動機、標致的2升四缸發動機和通用的新型直列四缸發動機等等都是采用鋁合金製造。國內的許多小排量發動機也逐步采用全鋁發動機,如國產鈴木係列的發動機G13、K14等。甚至包括一些國產發動機也采用鋁合金材質了,最著名的就是東安動力開發的468發動機,這款發動機被配備在哈飛路寶和昌河愛迪爾上,獲得了很大的成功。
  很早以前的汽車發動機就開始大規模采用全鋁缸蓋了。缸蓋的重量並不大,所以汽車製造商喜歡它並不是因為它重量輕,而是因為它有更好的散熱性能。隨著發動機技術的發展,四氣閥結構成為發動機的主流設計趨勢。與一起的兩氣閥發動機相比,每缸四氣閥的氣缸蓋比每缸兩氣閥的氣缸蓋在工作時要產生更多的熱量,采用全鋁缸蓋是最好的解決辦法。
  出於成本的考慮,氣缸體采用全鋁設計比氣缸蓋要晚得多。氣缸體是發動機上最重的部分,因而使用鋁合金材料可以減輕發動機的重量,從而達到減輕整車重量的目的。這一點對於前置前驅車型來說,顯得尤為可貴,當然在另一方麵,由於材料價格和加工工藝的區別,采用鋁合金缸體的發動機會增加一些成本。
  2、樹脂或鎂作為材料的進氣管
  在發動機的構成上,複雜的進氣管是另外一個很重的部件。特別如今流行的更複雜的可變長度的進氣管,其重量相當可觀。剛開始的時候,人們采用鋁合金來作為進氣管的替代材料,後來許多汽車製造商開始采用具有熱塑性的66號尼龍,或者其他耐熱的可塑性材料製造進氣管。因為這些複合材料的有許多優點:價錢便宜、重量輕、內臂平滑(從而空氣流動好、氣阻小),因此它對於汽車製造商來說是很理想的進氣管材料。
  但是這些複合材料也有讓人很頭痛的缺陷,它很容易產生一些細小的裂紋,這種裂紋導致高速進氣時會在進氣管裏產生令人不快的噪音,所以許多高檔的豪華車都沒有采用這種材料製造進氣管。例如奔馳就選擇了鎂合金??這種材料比鋁更輕,盡管它比較昂貴,而且耐高溫能力有限。貴不是主要問題,因為要知道,前提是裝配在豪華車上,對於豪華車來說,性能的提高比成本相對來說要更重要。耐熱能力有限也不要緊,因為進氣管的溫度並不高。鎂合金是金屬材質的,空氣在鎂合金製造的進氣管內流動,要比在塑料的噪音要小的多。
  也有一些車采用了非常少見的材料,例如TVR和法拉力V8采用的是一種稱作凱福拉(Kevlar)的材料來製造進氣管,它能獲得更輕的重量,而且進氣噪音與金屬進氣管相當。這些都是很少采用的特例,就不多討論了。
  摩擦力和運動慣性的優化:除了輕量化,新型材料在摩擦力和運動慣性方麵同樣具有很大的優勢。
  鋁活塞和鋼製氣缸套
  發動機的響應性與發動機部件的運動慣性是分不開的,發動機的運動部件包括曲軸、活塞、連杆等。由於曲軸要求瞬間強度非常高,所以隻能采用高強度鋼來製造。
  活塞就沒有曲軸這樣的局限了,在高轉速發動機上,通常都是用鋁合金來製造活塞。更輕的活塞重量能產生更高的發動機轉速,從而能獲得更大的動力輸出。
  使用鋁合金來製造活塞,成本並不是非常昂貴,主要問題是出在摩擦阻力上。在發動機運轉的時候,活塞與氣缸壁之間肯定會產生摩擦。而鋁和鋁直接的摩擦係數是很高的,它比鋁和鑄鐵之間的摩擦係數要高得多。這樣一來,如果全鋁缸體配合全鋁活塞,發動機運轉的時候摩擦阻力就會非常大,這顯然是不可取的,這也就是為何許多發動機使用鋁合金活塞,但必須使用鑄鐵缸體的原因。但如果為了采用全鋁缸體而采用鑄鐵活塞,那顯然是更得不償失的。
  那如何解決這一矛盾呢?
  目前最主流的解決辦法,就是在鋁製的氣缸體內鑲一個鋼製的氣缸套,讓鋁合金活塞不會與鋁製的氣缸壁相接觸。這種設計可以解決這一矛盾,當然也會增加一些成本。
這種方法在70年代中期首先被雪佛蘭Vega所采用。它的發動機采用全鋁設計,在鋁合金的氣缸體內鑲上了一個鑄鐵的缸套,當然活塞同樣也是用鋁合金製造的。它的摩擦阻力比全鑄鐵的發動機要小得多,因此它的動力得到了很大程度的提高。不僅如此,這台發動機還能獲得更輕的重量和更小的運勁慣性,改善了車子的加速性、操控性和經濟性。後來,這種方法被許多配備了高轉速發動機的汽車所采用。
  還有一個解決辦法,就是采用增強型金屬纖維氣缸套(FRM)。本田在它的NSX3.2升發動機上采用了這個技術。它的成本和升功率在鑄鐵缸體和鑲缸套之間。這種解決辦法,是在全鋁的缸體上直接把金屬纖維加熱融化以後,通過特殊工藝把金屬粒子滲透到氣缸壁上,就仿佛在氣缸壁上電鍍了一層厚度隻有0.5毫米的金屬纖維。與鑄鐵缸體相比,它能產生更低的摩擦阻力,因而改善了轉速和功率。同時,金屬纖維是直接滲透到氣缸缸體裏的,所以它的強度非常大(相當於整個缸體的強度)。
  鈦合金連杆
  鈦是一種重量很輕,強度很大的材料,而且價格非常昂貴,一般隻在航空領域采用。但是,這種航空材料最終還是被應用在了汽車上,不過僅限於高性能的運動轎車,因為隻有這些汽車才會為了提高性能而不計成本的采用盡可能適合的材料。蘭博基尼的Diablo、法拉力的F355/360M/550M、還有保時捷的911GT3等都采用鈦合金來製造連杆,以提高發動機的轉速。
  鍛造工藝
  鍛造是一種非常傳統的製造工藝,但是它不能在高強度和輕量化之間取得很好的平衡。在本田的TypeR和其他高性能汽車上,經常采用鍛造工藝來製造活塞、曲軸和連杆。
  由於鍛造需要用手工完成,因此需要花費巨大的人工成本。鍛造高溫的金屬能讓更多的礦物質滲透到金屬粒子當中去,因而改善了零件的強度和耐熱性,最終有利於發動機的轉速提高和動力輸出。同時,鍛造還能改善一些部件的摩擦係數,例如采用鍛造工藝製造的活塞就能更好的減小表麵的摩擦係數。
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