簡要分析空心球墨鑄鐵曲軸的輕型結(jié)構(gòu)潛力

曲軸的質(zhì)量最多可占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的12%。大多數(shù)曲軸采用鍛鋼制成，鑄造曲軸在其中僅占較小的份額。與鍛鋼曲軸相比，空心鑄造曲軸可減重達(dá)15%～20%，而且制造成本最多可降低15%。瑞士GF汽車公司成功開發(fā)的Sibodur球墨鑄鐵材料使鑄造曲軸具有與鍛鋼曲軸幾乎相同的強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，同時(shí)又保留了鑄鐵其他的性能優(yōu)勢?？招那蚰T鐵曲軸不僅能用于中低負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上，而且也能在高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。

內(nèi)燃機(jī)是常規(guī)汽車與混合動(dòng)力車輛的的重要組成部分。為了優(yōu)化排放性能和燃油耗，內(nèi)燃機(jī)需要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，例如在燃燒、摩擦、廢氣后處理和輕量化等方面持續(xù)優(yōu)化。未來輕量化的趨勢將進(jìn)一步加強(qiáng)，特別是對(duì)于混合動(dòng)力車輛而言，因增加了電動(dòng)機(jī)和蓄電池，減輕整車質(zhì)量仍是重要的開發(fā)目標(biāo)。

曲軸是內(nèi)燃機(jī)上極其重要的核心零件,它承受著隨著時(shí)間和位置而不斷變化的力、扭轉(zhuǎn)力矩、彎曲力矩以及復(fù)雜的激勵(lì)振動(dòng)。近年來，曲軸承受的負(fù)荷水平在不斷提高，特別是增壓直噴式柴油機(jī)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷強(qiáng)化和小型化，曲軸未來的負(fù)荷狀況還會(huì)更苛刻。曲軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于其負(fù)荷能力起著決定性的作用，而其使用壽命取決于交變彎矩、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性和抗磨損強(qiáng)度。

與鍛鋼曲軸相比，鑄造曲軸具備多方面的優(yōu)勢：鑄造曲軸的成本更低，而且相比鍛鋼曲軸可減重10%，同時(shí)鑄造方式可提供更多的造型設(shè)計(jì)自由度，能夠采用空心鑄造等輕型結(jié)構(gòu)型式。與實(shí)心鑄造的4缸機(jī)曲軸相比，最多可減重12%，質(zhì)量減輕1.5 kg。

在大多數(shù)柴油機(jī)和強(qiáng)化程度較高的汽油機(jī)上，若對(duì)強(qiáng)度要求超過一定極限的話，則仍需選擇鍛鋼曲軸，但為此要負(fù)擔(dān)較高的成本。瑞士GF汽車公司成功開發(fā)的Sibodur球墨鑄鐵材料解決了這種目標(biāo)沖突，具有與鍛鋼曲軸幾乎相同的強(qiáng)度和抗疲勞性能，同時(shí)又保留了鑄鐵的優(yōu)勢。試驗(yàn)研究表明，空心球墨鑄鐵曲軸不僅能用于中低負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上，而且也能在高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)上使用。

對(duì)曲軸而言，輕型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化潛力在于平衡塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)要兼顧整機(jī)的噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）問題，平衡度方面的開發(fā)已近乎達(dá)到了極限，而連桿軸頸和主軸頸的空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在著一定的優(yōu)化潛力，且不會(huì)對(duì)平衡度產(chǎn)生不良的影響。通過采用高強(qiáng)度鑄鐵的空心結(jié)構(gòu)和最佳的表面硬化處理工藝就有可能充分利用這種輕型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,同時(shí)由于其材料和工藝成本較低，適于進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且與鍛造結(jié)構(gòu)相比，鑄造工藝方法甚至可降低成本。下文中所介紹的4缸1.6 L柴油機(jī)，通過這種方案可減重達(dá)20%。

1Sibodur球墨鑄鐵材料系列

Sibodur該名詞是由添加劑硅（Silizium）、硼（Bor）以及耐久性（Durability）縮寫而成，其主要成分包括3.3%～3.7%的碳和2.6%～3.4%的硅。與常規(guī)的球墨鑄鐵相比，在彈性模數(shù)相同的情況下，Sibodur球墨鑄鐵在延伸率、抗拉強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度方面具有更好的性能（如表1所示），此外與其他的鑄造材料相比，零件表面溝槽產(chǎn)生的影響較小，而且能通過改變添加劑使材料適應(yīng)要求，例如在延展性相同的情況下使強(qiáng)度更高或者在強(qiáng)度相同的情況下使延展性更好。

與常規(guī)球墨鑄鐵相似，Sibodur球墨鑄鐵也是具有各種不同品種的系列材料，如Sibodur 450-17的最低屈服強(qiáng)度為310 MPa，最低抗拉強(qiáng)度為450 MPa,斷裂延伸率17%。與此相比，特別適用于曲軸的品種Sibodur 700-10則采用了稍作調(diào)整的添加劑，從而在斷裂延伸率達(dá)到8%～12%的情況下使其最低屈服強(qiáng)度達(dá)到了440 MPa，最低抗拉強(qiáng)度達(dá)到了700 MPa。

在各種不同場合的實(shí)際應(yīng)用表明這種Sibodur球墨鑄鐵在技術(shù)上已成熟，例如大眾公司搭載高功率發(fā)動(dòng)機(jī)的高爾夫轎車平臺(tái)應(yīng)用了Sibodur球墨鑄鐵橫向?qū)П?，奧迪A4轎車從2007年起應(yīng)用Sibodur球墨鑄鐵后橋車輪支座替代原鍛鋼件，成本降低了約20%且總質(zhì)量不變，其中成本優(yōu)勢是依靠集成軸承頸而實(shí)現(xiàn)的，如使用常規(guī)球墨鑄鐵是無法實(shí)現(xiàn)的。此外， Sibodur球墨鑄鐵還可用于減振器支座。

表1 Sibodur與常規(guī)球墨鑄鐵

（GJS）的性能比較

*按照DINEN 1563標(biāo)準(zhǔn)的最低值，所有其他數(shù)據(jù)為試驗(yàn)值或參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇一臺(tái)4缸1.6 L柴油機(jī)作為開發(fā)樣機(jī)，其曲軸采用38MnSV5合金鋼制成，質(zhì)量為12 kg，約占發(fā)動(dòng)機(jī)總質(zhì)量的12%。

空心球墨鑄鐵鑄造曲軸的開發(fā)是按照以下步驟進(jìn)行：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、充模能力、凝固模擬計(jì)算、多體模擬、壽命分析、樣機(jī)制造、零部件試驗(yàn)。

在進(jìn)行空心球墨鑄鐵曲軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，空心腔容積（圖1）的最大化是起決定性作用的，但是同時(shí)還應(yīng)考慮到砂芯的可制造性和最小壁厚。在砂芯制造時(shí),必須特別關(guān)注砂芯的壁厚，過小的壁厚不僅會(huì)在砂芯制造時(shí)或澆鑄時(shí)導(dǎo)致其砂芯斷裂,而不均勻的壁厚會(huì)導(dǎo)致不同的冷卻特性，并且會(huì)強(qiáng)烈地影響到材料的機(jī)械性能。除此之外，工藝的穩(wěn)定性也是特別重要的，長期積累的經(jīng)驗(yàn)?zāi)苁菇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越接近工藝極限。

圖1 空心鑄造曲軸的結(jié)構(gòu)及其4部分砂芯

3充模能力和凝固模擬

在進(jìn)行充模和凝固模擬時(shí)，模擬計(jì)算需使用諸如流動(dòng)截面、流動(dòng)速度以及鑄?？涨粌?nèi)的熔液溫度等鑄造參數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來識(shí)別局部的氣體空隙度及其產(chǎn)生的原因，必要時(shí)可通過必要的鑄造措施進(jìn)行相應(yīng)的修改。根據(jù)熔液溫度對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，即可評(píng)判某些部件發(fā)生冷態(tài)流動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。鑄造的物理過程由連續(xù)性方程式、用于液態(tài)金屬單相三維流動(dòng)的Navier-Stokes方程式以及體積分?jǐn)?shù)函數(shù)來描述。均勻凝固（圖2）和冷卻是鑄造技術(shù)的重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。為了達(dá)到所必需的材料品質(zhì)，最終的凝固階段應(yīng)發(fā)生在澆冒口范圍內(nèi)，這是對(duì)澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖2 凝固模擬

4多體動(dòng)力學(xué)模擬

曲軸的負(fù)荷借助于多體模擬方法（圖3）來確定，其結(jié)果相當(dāng)于4缸柴油機(jī)典型的軸承力曲線?？招蔫T造曲軸與鍛鋼曲軸之間軸承力（圖4）的比較表明兩者之間并無本質(zhì)差異，相同的受力水平則歸因于相同的平衡度。彎矩（圖4）的比較表明，空心鑄造曲軸靠近飛輪的軸承上的彎矩提高了46 N·m，這種差異是由鑄鐵的彈性模量較低所造成的。為了避免發(fā)生軸承磨損，通常要相應(yīng)修改軸瓦的輪廓。

圖3 AVL-激振模型（屏幕截圖）和

有限元模型

圖4 主軸承上的力和彎曲力矩

曲軸的應(yīng)力分布從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速500～4500r/min之間，每隔250r/min在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)（720°）中每隔2°CA進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。

5材料的機(jī)械性能

軸頸的過渡圓角是曲軸負(fù)荷最高的部位，因此需進(jìn)行感應(yīng)淬火或滾壓強(qiáng)化處理。較好的方法是應(yīng)用專門為球墨鑄鐵曲軸制定的滾壓工藝，進(jìn)行滾壓時(shí)局部材料會(huì)發(fā)生彈性-塑性變形，因此不僅取決于材料的塑性，而且也取決于其彈性極限。為了利用該效果，還開發(fā)了GJSCS 800 HY合金球墨鑄鐵，它具有高達(dá)555 MPa的彈性極限和825 MPa的斷裂強(qiáng)度。

6疲勞強(qiáng)度檢驗(yàn)和可靠性系數(shù)

為了計(jì)算曲軸的可靠性系數(shù)，必須查明其疲勞強(qiáng)度。對(duì)于軸頸過渡圓角經(jīng)滾壓強(qiáng)化的曲軸，必須在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)上測量其彎曲程度。如果疲勞強(qiáng)度是采用韋勒疲勞試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)的話，那么就能由試驗(yàn)結(jié)果畫出韋勒疲勞曲線。韋勒疲勞曲線表明，對(duì)于鑄鐵曲軸而言，其疲勞強(qiáng)度能得以大幅提高（圖5），而對(duì)于鋼曲軸而言，有望獲得相似的效果，其結(jié)果取決于單位滾壓強(qiáng)化力。

圖5 GJS CS 800 HY合金球墨鑄鐵

空心鑄造曲軸的韋勒疲勞曲線

（過渡圓角半徑R=-0.5）

借助于Haigh圖和古德曼曲線即可查明可靠性系數(shù)位于1.5～2.0范圍內(nèi)，因此曲軸可用疲勞耐久性予以評(píng)價(jià)。

7摩擦學(xué)

為了描述流體動(dòng)力學(xué)軸承的摩擦特性，可通過斯特里貝克曲線進(jìn)行描述。影響流體動(dòng)力學(xué)軸承摩擦的參數(shù)包括軸承幾何尺寸、軸承形狀、機(jī)油流量、潤滑劑性能、軸頸材料性能以及兩個(gè)零件的表面結(jié)構(gòu)。圖6*示出了鋼和不同鑄鐵表面結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，這些試驗(yàn)結(jié)果表明，球墨鑄鐵在混合摩擦范圍內(nèi)具有較低的摩擦系數(shù)。

圖6 Pin-on-Disk實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果

8性能和效益

主軸頸表面與曲柄臂表面之間的過渡區(qū)是曲軸應(yīng)力最大的部位，通過局部強(qiáng)化可使其具備足夠的承載能力。在該方面采用滾壓和感應(yīng)淬火是較為合適，兩類工藝均可提升抗疲勞強(qiáng)度。滾壓強(qiáng)化（圖7）特別適合于Sibodur球墨鑄鐵曲軸。在采用常規(guī)球墨鑄鐵材料的前提下，強(qiáng)烈的滾壓反而會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，并會(huì)損傷材料表面。Sibodur 700球墨鑄鐵的滾壓力比GJS 700-2常規(guī)球墨鑄鐵更大，最多能將曲軸抗疲勞強(qiáng)度提高50%左右。

圖7 滾壓原理

因此，Sibodur球墨鑄鐵的應(yīng)用潛力較高,在一臺(tái)1.6 L汽油機(jī)上的試驗(yàn)情況如圖8所示。在量產(chǎn)球墨鑄鐵滾壓曲軸主軸頸與曲柄臂平面臨界過渡部位進(jìn)行的交變彎曲疲勞試驗(yàn)中，超長壽命概率90%（即圖8中下標(biāo)ü90的含義，圖9中下標(biāo)ü50和ü10含義類推）時(shí)的抗疲勞彎曲力矩達(dá)到約960 N·m，而與之相比， Sibodur球墨鑄鐵滾壓曲軸則可超過1 440 N·m。

圖8 滾壓對(duì)一臺(tái)4缸1.6 L汽油機(jī)曲軸

交變彎曲強(qiáng)度的影響

（Sibodur700-10球墨鑄鐵曲軸與

GJS-700-2常規(guī)球墨鑄鐵曲軸的比較）

在另一種廣泛應(yīng)用的1.9 L柴油機(jī)上的情景則更為直觀（圖9）。這種批量生產(chǎn)的鍛鋼曲軸具有約1 870 N·m的抗疲勞強(qiáng)度，相同的高強(qiáng)度Sibodur球墨鑄鐵曲軸經(jīng)滾壓后達(dá)到了與之近似約為1 830 N·m的高抗疲勞強(qiáng)度，而滾壓工藝經(jīng)調(diào)整后還能使這種曲軸的抗疲勞強(qiáng)度提高到近2 000 N·m，從而超過了鍛鋼曲軸的水平。通過曲軸設(shè)計(jì)的優(yōu)化和局部強(qiáng)度的提高，其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度也能達(dá)到鍛鋼曲軸的水平，因而鍛鋼曲軸壟斷性的時(shí)代至今已不復(fù)存在。

圖9 滾壓對(duì)一臺(tái)4缸1.9L柴油機(jī)曲軸

交變彎曲強(qiáng)度的影響

（Sibodur700-10球墨鑄鐵曲軸與

鍛鋼曲軸的比較）

9批量生產(chǎn)的潛力

GF汽車公司從2008年起就開始首次批量生產(chǎn)球墨鑄鐵曲軸。除了材料和生產(chǎn)工藝之外，還可優(yōu)化零件幾何形狀和尺寸。在與仿生學(xué)專家的共同合作中，對(duì)曲軸的某些區(qū)域進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以提高其強(qiáng)度和耐久性。在該領(lǐng)域，鑄造比模鍛提供了更多的設(shè)計(jì)自由度。

即使在鍛鋼曲軸不斷贏得市場份額的情況下，目前在歐洲和美國發(fā)動(dòng)機(jī)制造商絕大多數(shù)依然更加信賴球墨鑄鐵鑄造曲軸，而日本發(fā)動(dòng)機(jī)制造商則更偏愛鍛鋼曲軸。由于Sibodur球墨鑄鐵曲軸具有優(yōu)越的性能，因此鑄造曲軸仍具有良好的市場前景。

10結(jié)論

即使針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輕型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重點(diǎn)優(yōu)化，但是目前尚未發(fā)掘出該結(jié)構(gòu)的全部潛力?？招那蚰T鐵曲軸能減輕20%質(zhì)量，尤其是需要重視空心腔的幾何形狀、材料選擇和滾壓工藝參數(shù)。為了設(shè)計(jì)出最佳的幾何形狀，需要在初期開發(fā)階段時(shí)就考慮到鑄造技術(shù)。采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵的空心鑄造曲軸在技術(shù)層面與經(jīng)濟(jì)層面上均是最用于未來發(fā)動(dòng)機(jī)。