轻量化材料应用

发动机的工作环境比较恶劣，温度变化范围大且振动较强，对材料性能要求较高，需要在-40 ℃～150 ℃反复变化的温度下具有耐热、耐老化、耐油、耐化学腐蚀、耐落锤冲击性、较好的振动和噪声衰减性、对振动和外力优良的耐久性等特性。先进的轻质材料可以使发动机小型化，增加发动机功率密度，以达到降低汽车总质量的目的。同时，使发动机的力学性能得到显著改善，提高其在极端温度和摩擦条件下工作的性能。

发动机轻量化在材料方面首先考虑用铝、镁合金材料替代密度大的铸铁材料，在优化、改进结构的基础上实现结构更强、质量更小。目前，汽车用铝量的80%是铝合金铸件，用于制造发动机零部件和壳体类零件等，如气缸体、气缸盖、活塞、进气管、水泵壳、起动机壳体、摇臂、发动机支架、滤清器底座、齿轮室罩盖、飞轮壳、油底壳等。图6-23所示为发动机缸体用材情况。

镁合金在西方已广泛应用于链条室、气门室罩盖和其他盖板类零件，用镁合金制造缸体的研究国外也正在进行之中。应用铝镁合金的难度在于设计开发和试验验证能力，开发设计验证用的材料典型数据资料不足。

图6-23 发动机缸体材料

目前，发动机进气歧管、气门室罩盖、油底壳等都有很多应用塑料的实例。与金属材质相比，塑料零件可以减轻质量并降低成本。以气门室罩盖为例，其质量减轻50%，成本降低30%。塑料进气歧管具有质量轻、成本低和设计自由度大等优点，用其替代金属进气歧管是必然趋势。在发动机上，塑料零件的应用比例也逐步扩大，现已占据主导地位，并将继续提高应用比例。由于尼龙具有较好的综合性能，并具有品种多、较易回收循环利用、价格相对便宜等优点，尤其是用玻纤改性后，其主要性能，如强度、制品精度、尺寸稳定性等，均有很大的提高，因此玻纤增强尼龙是发动机零部件的理想用材之一。

钢铁材料的用量虽逐年减少，但由于汽车发动机的高功率化、传动系统的紧凑小型化，使得高强度钢的用量有相当大的增加。高强度结构钢可以使零件设计得更紧凑和小型化，有助于汽车的轻量化，其应用于气门弹簧、齿轮、胀断连杆等。

铸铁由于其性能和成本方面的诸多优点，在汽车材料中仍然占有一席之地。铸铁材料的进步更使之在汽车上的应用出现了新亮点。据称蠕墨铸铁气缸体比灰铸铁气缸体减重16%，而结构刚度则提高12%～25%。采用蠕铁制造气缸体还可改善摩擦磨损性能、降低振动和噪声、改善排放。

粉末冶金材料成分自由度大和粉末烧结工艺的近净形特点，其在汽车上的应用有增加的趋势，特别是铁基粉末烧结材料在要求较高强度的复杂结构件上的应用越来越广泛。组装式粉末冶金空心凸轮轴是近年来的新产品，与常规的锻钢件或铸铁件相比，可减重25%～30%。此种凸轮轴已在高速汽油机上使用，随着柴油机凸轮轴服役工况的日益苛刻，粉末冶金空心凸轮轴有推向柴油机的趋势。戴姆勒-奔驰汽车公司的重卡系列发动机的凸轮轴已经采用了装配式粉末冶金凸轮轴。粉末锻造连杆也已经成功应用，近年来开发的一次烧结粉末冶金连杆技术的生产成本较低，可实现11%的轻量化。德国Opel汽车公司、美国福特汽车公司和通用汽车公司的粉末冶金连杆均已投入大批量生产。