關(guān)于復(fù)合活塞銷(xiāo)相關(guān)的分析研究

在現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中，運(yùn)動(dòng)件的擺動(dòng)質(zhì)量和慣性力必須保持在盡可能低的水平。較低的擺動(dòng)質(zhì)量不僅是保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的基礎(chǔ)，而且會(huì)對(duì)部件的可靠性和壽命有很大影響。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)質(zhì)量越小，部件的振動(dòng)越弱，零件的摩擦和磨損越小?；钊N(xiāo)的質(zhì)量約占擺動(dòng)質(zhì)量的10%~30%，減輕活塞銷(xiāo)的質(zhì)量對(duì)減少擺動(dòng)質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大的影響。 MAHLE公司新開(kāi)發(fā)的復(fù)合活塞銷(xiāo)是將1個(gè)鋁芯棒壓入鋼套管內(nèi)，它能使汽油機(jī)和轎車(chē)柴油機(jī)的活塞銷(xiāo)質(zhì)量分別減輕約20%和30%。由于活塞銷(xiāo)的生產(chǎn)應(yīng)該保持簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)，所以該新型活塞銷(xiāo)在制造過(guò)程中采用了1種成型工藝。介紹該復(fù)合活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì)原則、制造工藝和特性。 關(guān)鍵詞： 復(fù)合活塞銷(xiāo) 制造工藝 擺動(dòng)質(zhì)量 鋼套 輕量化

0 前言

對(duì)車(chē)輛和發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，輕量化并不是新要求。多年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)一直在努力減輕各個(gè)車(chē)輛部件的質(zhì)量。然而，雖然在該領(lǐng)域內(nèi)成果頗多，在不斷增長(zhǎng)的安全性和舒適性要求下，車(chē)輛質(zhì)量仍在不斷增加。

為了應(yīng)對(duì)這種趨勢(shì)，必須持續(xù)提高車(chē)輛的工作效率，以實(shí)現(xiàn)降低排放。在過(guò)去的20年里，乘用車(chē)效率已經(jīng)提高約15%。全球的排放法規(guī)正在迫使發(fā)動(dòng)機(jī)制造商謀求進(jìn)一步大幅降低排放的方法。然而，這個(gè)目標(biāo)只能通過(guò)采取各種不同的舉措才能達(dá)到，而減輕質(zhì)量被賦予了特殊的重要性。研究顯示，每減少100 kg質(zhì)量，每百公里的燃油耗能降低達(dá)3.3%。

如果擺動(dòng)質(zhì)量得到減少，那么對(duì)降低燃油耗就具有更顯著的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)會(huì)更快，從而動(dòng)力性也獲得改善。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)的擺動(dòng)質(zhì)量包括動(dòng)力單元（PCU）內(nèi)的部件，尤其指活塞、活塞銷(xiāo)、活塞環(huán)和連桿。PCU質(zhì)量的降低對(duì)連桿應(yīng)力、活塞次級(jí)運(yùn)動(dòng)、曲軸軸承、平衡軸、減振器和噪聲能產(chǎn)生有利的影響。

例如，為了降低PCU部件的質(zhì)量，MAHLE公司已經(jīng)將1種質(zhì)量顯著降低的Evotech2活塞投放市場(chǎng)。為了進(jìn)一步優(yōu)化PCU部件，MAHLE公司還著重減輕了活塞銷(xiāo)的質(zhì)量。該方法非常有前景，因?yàn)榛钊N(xiāo)的質(zhì)量占活塞總質(zhì)量的50%（圖1）。

圖1 活塞銷(xiāo)質(zhì)量相對(duì)于活塞質(zhì)量的百分比

近年來(lái)，MAHLE公司開(kāi)發(fā)了復(fù)合活塞銷(xiāo)，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。鋼套管與壓入式鋁芯棒相組合能使質(zhì)量降低30%左右。連同平衡塊（或者可能再加上平衡軸）的質(zhì)量減輕，可使發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量顯著減輕。

1 復(fù)合活塞銷(xiāo)的輕量化設(shè)計(jì)理念

為了完成氣體力向曲軸的傳遞，對(duì)活塞銷(xiāo)的一般要求如下： （1） 具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受高負(fù)荷而不損壞；（2）具有較高的表面硬度，以獲得良好的耐磨性能；（3）具有較高的表面質(zhì)量和尺寸精度，以便它與配對(duì)滑動(dòng)件（活塞和連桿）達(dá)到最佳配合；（4）質(zhì)量輕以保持質(zhì)量力較小；（5）具有較高的剛度，以使曲軸傳動(dòng)系的屈服強(qiáng)度盡可能最低。

活塞銷(xiāo)質(zhì)量輕和剛性高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有益。雖然這些要求相互沖突，但活塞銷(xiāo)的制造必須盡可能的簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。

活塞銷(xiāo)的質(zhì)量和剛性取決于活塞銷(xiāo)內(nèi)徑的選擇，而活塞銷(xiāo)外徑經(jīng)常會(huì)受到新發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的影響。在現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞銷(xiāo)外徑是固定的。隨著輸出功率提高，活塞銷(xiāo)的內(nèi)徑減小，質(zhì)量增加，但提高強(qiáng)度的潛力是有限的，可以用1個(gè)簡(jiǎn)化的模型（圖2和圖3）來(lái)加以說(shuō)明。

圖2 活塞銷(xiāo)應(yīng)力定性分析圖

圖3 活塞銷(xiāo)總應(yīng)力和活塞銷(xiāo)質(zhì)量隨內(nèi)徑/外徑比值變化的定性分析曲線

隨著壁厚減小或內(nèi)徑增大，應(yīng)力和變形會(huì)逐步增加。相反，增加壁厚和相應(yīng)的質(zhì)量，使應(yīng)力降低很少（圖3）。在銷(xiāo)孔中插入芯棒，壁厚未增加，但能避免橢圓變形引起的較高應(yīng)變?；钊N(xiāo)基本上只會(huì)發(fā)生彎曲變形，從而總負(fù)荷得以降低（圖4）。芯棒的附加質(zhì)量可以通過(guò)使用比重較小的材料予以補(bǔ)償，甚至有時(shí)能實(shí)現(xiàn)過(guò)量的補(bǔ)償。

圖4 傳統(tǒng)活塞銷(xiāo)和復(fù)合活塞銷(xiāo)總負(fù)荷的定性分析

對(duì)于乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，采用這種活塞銷(xiāo)輕量化設(shè)計(jì)概念可減重達(dá)25%?；钊N(xiāo)2種材料（鋼和鋁合金）的熱膨脹差異會(huì)改變其膨脹特性，這對(duì)復(fù)合活塞銷(xiāo)的開(kāi)發(fā)是種挑戰(zhàn)。輕金屬芯棒會(huì)使復(fù)合體的熱膨脹率增大，與傳統(tǒng)活塞銷(xiāo)相比，復(fù)合活塞銷(xiāo)直徑隨溫度的變化會(huì)增加50%。

對(duì)復(fù)合體來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵的是，在較低的工作溫度下鋁芯棒會(huì)比鋼套管收縮量更大，因此芯棒與套管之間采用了過(guò)盈配合。通過(guò)有限元模擬計(jì)算出芯棒的最小過(guò)盈量，以確保在所有的運(yùn)行工況和溫度下都能夠充分接觸（圖6）。

圖5 復(fù)合活塞銷(xiāo)與傳統(tǒng)活塞銷(xiāo)減重情況對(duì)比

圖6 有限元計(jì)算得出的芯棒與套管之間所需的過(guò)盈量

由于復(fù)合活塞銷(xiāo)變形較?。◣缀鯖](méi)有橢圓變形），活塞的負(fù)荷與使用傳統(tǒng)活塞銷(xiāo)時(shí)相比會(huì)有所變化。因此，活塞的結(jié)構(gòu)必須針對(duì)復(fù)合活塞銷(xiāo)而專(zhuān)門(mén)定制。在柴油機(jī)應(yīng)用實(shí)例中，可以通過(guò)調(diào)整活塞銷(xiāo)孔的輪廓來(lái)保持必要的安全性。

在設(shè)計(jì)活塞銷(xiāo)與配對(duì)部件（活塞銷(xiāo)孔和連桿銷(xiāo)孔）的配合界面時(shí)，必須將復(fù)合活塞銷(xiāo)增加的熱膨脹量考慮在內(nèi)。這樣，在工作溫度下即可獲得足夠的間隙，而且活塞銷(xiāo)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到影響。同時(shí)，冷態(tài)間隙必須增大。由于在負(fù)荷作用下產(chǎn)生的橢圓變形很小，因而可以不必考慮這問(wèn)題。在1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證過(guò)程中，間隙增大0.7‰，未觀察到活塞銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)受到任何限制。

2 制造概念

復(fù)合活塞銷(xiāo)的理念并不是新的想法。它的首批專(zhuān)利已在20世紀(jì)初就已申請(qǐng)。MAHLE公司一直在持續(xù)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化這一理念。開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)是考慮用經(jīng)濟(jì)的制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁/鋼界面的優(yōu)化。芯棒的材料選用了1種高強(qiáng)度鋁合金。套管則特意使用了ISO18669規(guī)定的M等級(jí)典型活塞銷(xiāo)淬硬鋼材料，以保證活塞銷(xiāo)界面的摩擦學(xué)特性。

為確保活塞銷(xiāo)要求的強(qiáng)度，芯棒需要在各種負(fù)荷下都與套管保持固定連接，以免接觸界面產(chǎn)生磨損或變形，以及芯棒脫出。為此，常用的工藝是采用過(guò)盈配合連接。壓入式或熱接合方式是成本經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)施的制造工藝。熱接合方式的缺點(diǎn)是，為了達(dá)到所需的最小過(guò)盈量，必須保證非常精密的部件公差。另一缺點(diǎn)是接合風(fēng)險(xiǎn)，如高溫引起的熱黏著磨損和材料變化。

為克服這些缺點(diǎn)，選用了1種不同的方法來(lái)制造復(fù)合活塞銷(xiāo)。將芯棒以松配合插壓入套管中，然后用1個(gè)活塞工具在芯棒的兩端沖壓芯棒使之變形，直到芯棒徑向緊卡在套管中（圖7）。

圖7 復(fù)合活塞銷(xiāo)制造示例說(shuō)明

如果芯棒的沖壓是由施加的外力而不是由活塞工具的位移來(lái)控制，那么套管與芯棒之間的貼合僅由芯棒材料的屈服強(qiáng)度決定，而與部件的尺寸和形狀公差無(wú)關(guān)。

這種沖壓工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是芯棒能完全充滿套管內(nèi)腔，這是因?yàn)樘坠芘c芯棒之間除了產(chǎn)生摩擦配合外，還會(huì)產(chǎn)生成形配合。檢驗(yàn)表明，采用這種接合方法能以很小的變化率獲得很大的過(guò)盈量。

開(kāi)發(fā)過(guò)程顯示，可以通過(guò)觀測(cè)鋼套管壓入芯棒前后的直徑變化來(lái)監(jiān)控沖壓工藝。圖8為生產(chǎn)中活塞銷(xiāo)兩端區(qū)域的膨脹量變化范圍。變化范圍小于20μm，它比熱壓接合方式的膨脹量變化范圍小。

圖8 生產(chǎn)中直徑變化的監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

活塞銷(xiāo)通常采用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)和共振脈沖器進(jìn)行測(cè)試。通常不提供對(duì)活塞銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模擬。這樣就不能足夠準(zhǔn)確地驗(yàn)證浮動(dòng)式活塞銷(xiāo)的應(yīng)力。MNAHLE公司是在1個(gè)專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)浮動(dòng)式活塞銷(xiāo)進(jìn)行了測(cè)試。采用這種試驗(yàn)裝置能夠再現(xiàn)活塞銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中彎曲和橢圓變形所產(chǎn)生的交變應(yīng)力。

活塞銷(xiāo)應(yīng)與實(shí)際活塞銷(xiāo)孔和連桿小頭孔的幾何尺寸適配。循環(huán)負(fù)荷相當(dāng)于活塞銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的情況，并反映了約1 000次工作循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)負(fù)荷。經(jīng)過(guò)若干次試驗(yàn)后，可以繪制出復(fù)合活塞銷(xiāo)的疲勞強(qiáng)度曲線圖，它與傳統(tǒng)鋼制活塞銷(xiāo)的疲勞強(qiáng)度近似。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證在1臺(tái)2.0 L共軌噴油轎車(chē)柴油機(jī)上進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)功率為125 kW,最高指示壓力18.5 MPa。在完成5 h的磨合運(yùn)轉(zhuǎn)并隨即記錄了全負(fù)荷特性曲線后，開(kāi)始進(jìn)行300 h的高百分比全負(fù)荷的交變負(fù)荷運(yùn)行。所有4個(gè)氣缸都配裝了復(fù)合活塞銷(xiāo)，其中2個(gè)缸的活塞銷(xiāo)有金剛石碳（DLC）涂層（表1）。為了增大在活塞銷(xiāo)孔和連桿小頭孔中的安裝間隙，活塞銷(xiāo)外徑磨去了15~20 μm?；钊系匿N(xiāo)孔采用了2種不同的輪廓，表1為各缸的配置情況。

表1 零部件特性和發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的最終評(píng)價(jià)

在隨后的試驗(yàn)分析中，給出了零件的典型接觸形態(tài)。觀察顯示，活塞銷(xiāo)孔的廓形對(duì)接觸形態(tài)沒(méi)有影響。然而，活塞銷(xiāo)有DLC涂層時(shí)形成的接觸形態(tài)更好。

5 總結(jié)

新開(kāi)發(fā)的輕量化概念復(fù)合活塞銷(xiāo)在乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上使用時(shí)，活塞銷(xiāo)的質(zhì)量能減輕達(dá)25%。將鋁芯棒壓入鋼套管的制造過(guò)程生產(chǎn)費(fèi)用并不昂貴。所選用的接合工藝對(duì)單個(gè)零件的緊配合公差要求要比其他方法的低得多。

在活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，尤其是活塞銷(xiāo)孔和連桿小端孔的設(shè)計(jì)，必須考慮到復(fù)合活塞銷(xiāo)的變形和熱膨脹率。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)后復(fù)合活塞銷(xiāo)及其配對(duì)件的定性評(píng)價(jià)

在臺(tái)架上和發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)這種新輕量化設(shè)計(jì)概念成功進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在柴油機(jī)上使用時(shí)，估計(jì)可以不采取任何降噪措施。在汽油機(jī)中使用時(shí)，對(duì)噪聲-振動(dòng)-平順性性能的評(píng)價(jià)尚未完成。

復(fù)合活塞銷(xiāo)是汽車(chē)開(kāi)發(fā)的各種不同策略中涌現(xiàn)的1種發(fā)動(dòng)機(jī)新零件?？砂凑蛰p量化目標(biāo)、形狀穩(wěn)定性或活塞銷(xiāo)孔的間隙策略對(duì)復(fù)合活塞銷(xiāo)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。