铸铁气缸体曲轴箱的轻型结构

【奥地利】 H.Sorger W.Schöffmann W.Wolf W.Steinberg

1 目标设定

发动机持续不断的小型化使得柴油机和汽油机结构中的应力明显提高［1］，铸铁气缸体曲轴箱应用为未来发动机负荷的进一步提高提供了出众的前提条件，其轻型结构也为改善气缸圆度、摩擦功率、机油耗、成本和噪声-振动-平顺性（NVH）提供了有利的前提条件［2］。1款4缸1.6L汽油机被选作为机型比较的基准产品，成为对价格敏感的中级轿车上的价格尺度，其量产结构型式采用的是压铸铝气缸体曲轴箱（表1）。

表1 基准汽油机的技术数据

2 方案开发和零件结构

在设计阶段就已对各种不同结构方案的质量、成本、可制造性及其对发动机运行性能的影响进行了评判。第1种方案将铝气缸体曲轴箱结构改为铸铁薄壁铸造。而在其他方案中，除了优化薄壁铸造方案之外，在承载区域内改变气缸盖紧固螺栓的布置和长度，并在曲轴箱主轴承连接区域对深裙、带有铸铝油底壳上体的短裙，以及有／无主轴承镶圈的铝主轴承座框架等结构方案进行了试验研究（图1）。方案比较表明，根据目标准则方案5（V5），即具有短气缸盖螺栓的最佳深裙薄壁铸造方案获得了最好的综合评价。

由于铸铁具有较高的材料强度且无须使用气缸套，缸心距可从87.0mm减小到84.5mm，再与其他结构设计措施相结合，发动机长度可缩短12.0mm。图2示出了目前处于开发阶段的铸铁气缸体曲轴箱，其质量与作为比较基准的压铸铝气缸体曲轴箱相差4.4kg。

发动机长度缩短，能够减轻其他发动机零件的质量，节约了成本。通过诸如曲轴、油底壳、气缸盖和凸轮轴等零件质量的减轻使质量差减小到1.9kg（按照DIN 70020）（图3）。

3 可能的开发重点

铸铁薄壁铸造气缸体曲轴箱方案已通过模拟计算，并在运行负荷下针对结构强度、缸孔变形和热状况等方面进行了优化，其中承载能力起主导作用的主轴承壁区域针对减轻质量进行了持续不断的开发，而气缸工作表面在安装应力和热负荷下实现最小的缸孔变形及气缸盖密封垫上的压力分布则是重要的优化准则。方案5在所有这些准则中都能达到或超过目标值。

4 浇铸和凝固特性的数值模拟

模拟浇铸过程的目的在于通过确定合适的铸造和加工参数，获得时间和成本上的最大效益。前提条件是使用可靠的材料和工艺数据，它们可通过Fritz Winter公司开发的试验方法来确定，并通过测量试制的铸件进行调整。从试验方法中获得的有关材料和工艺数据方面的经验有：（1）局部凝固速度对金相组织形成的影响；（2）孕育剂品种和数量对金相组织，特别是避免出现白口铁的有显著效果；（3）可通过泥芯砂局部温度变化查明温度传导能力；（4）化学成分对局部金相组织性能和机械强度的影响；（5）检验浇注时间和温度对充满型腔状况和上述性能的影响。

借助于上述方面的匹配调整，就能找到有关浇注系统、孕育剂品种和数量，以及化学成分的最佳工艺窗口，而热诱导的内应力可通过局部几何形状的优化，降低到目标水平。通过这些工艺参数的调整，首批试制铸件就获得了成功。

5 新的制造技术和铸造方法

除了设计和模拟之外，开发一种新的铸造方法，成为实现轻型结构方案的基本组成部分［3］。为此，确定部分数据对产品具有重要意义的目标，包括：（1）一般铸件的公差减小到±0.8mm；（2）壁厚公差减小到±0.5mm；（3）提高铸件品质；（4）达到额定数据质量。

重要的工艺规格目标是指产品具有高耐久性，并且节省资源，同时具有全球可用性工艺和工具装备的标准化，并且具有高的成本效益。

要达到这些目标必须减少工艺步骤及其影响因素。用于轿车的铸铁气缸体曲轴箱（ZKG）通常在湿砂型设备上采用直立式或卧式浇铸方式铸造，而在铸铁机体的新型铸造方法中将摒弃这种湿砂型设备，利用一种专门的型芯方案，能显著提高产品品质和工艺稳定性。结果形成了模块化的铸造车间，能在全球生产并保持相同的产品质量，而无需投资非常大的湿砂型设备及与原材料相关的铸造工艺。

6 接近量产样品的制造

为了验证开发成果，制造了全新设计的样品，其中的挑战是从样品制造到接近量产的转化，以及从铸件铸造到制造加工。在量产条件下，所有的样品都采用新的铸造方法制造，其中首批铸件就已满足所有冶金学的要求，并且达到了非常高的尺寸精度，测定的毛坯质量与计算的额定数据质量最大仅相差0.4%，更为有利的是拉伸强度提高了约5%，硬度提高了约4%。

7 CO2和能量平衡以达到生态耐久性

提高终端用户对环保型产品的兴趣及调整资源利用效率的策略［4］，需要在评价环境影响方面转变思路，从使用阶段的单纯CO2排放评价转向整个产品周期（产地至产品报废）内的总体考察方式［5］。

8 制造阶段

根据铸造技术研究所制定的工艺［6］可以对最重要的铸造工艺进行比较，考察所有重要的运行和使用材料，例如原始／二次用铝、焦炭、型芯粘合剂、电流，以及加工和运输需用的能量等，其结果表明铸铁工艺与各种不同铝铸造工艺之间存在显著的差异（图4）。

9 使用阶段

通过铸造技术研究所得的计算方法［6～8］能够判断在经过一段行驶里程后通过质量相差1.9kg所减少的燃油耗能补偿制造阶段所多消耗的能量。如果用全球分销联盟（GDA）所公布的全球铝再循环利用率及发动机的质量差异作为基础的话，那么根据几种不同的汽车寿命周期才能得出平衡的能量分配。

10 利用阶段

利用阶段是产品的最后寿命周期，此时产品继续作为二次材料循环利用。在铸造车间中废铁可直接作为材料使用，而铝在每次循环再利用过程中必须分离伴随的材料（例如铸铁气缸套），而且必要时还必须通过添加原始铝材料来降低其中的含铁量［10］。

11 成本

对价格敏感的汽车级别中，在提高产品复杂性和要求的同时，制造商及其零部件供应商的成本压力不断地增大。与其他铸造方法相比，铸铁气缸体曲轴箱具有最有利的可能性，而且如果考虑到使用铸铁可能存在的尺寸方面的优势（缩短零件长度）以及可取消气缸涂层、气缸套或铸铁件，还能为降低成本带来附加的潜力。最小的质量差异具有约28%的明显成本优势（图5）。如果将这里所介绍的采用组合型芯（CPS）的铸铁气缸体曲轴箱制造工艺与低压金属模铸造方法进行比较的话，其成本差异相当明显。

12 结论

所实施的开发项目已证实了铸铁材料在质量、成本和生态方面所具有的潜力。通过发动机开发商与铸造商之间非常紧密的合作已成功地将质量差异降低到最小程度，同时取得了显著的成本优势，而且这种新的制造技术能够达到高精度要求，并且可以节省资源进行全球生产。

［1］Schöffmann W，Weißbäck 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］Schöffmann 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 zylinderkurbelgehäusen aus gusseisen oder aus Aluminiumlegierungen［C］.Giesserei Rundschau，2010.

［6］［R］.Institut für Gießereitechnik：Grundlagen für Energiebilanzen von Zylinderkurbelgehäusen，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.