發(fā)動機類外文文獻翻譯（中文）--輕型發(fā)動機設計方案

1、<p><b>　　. 中文5760字</b></p><p><b>　　輕型發(fā)動機設計方案</b></p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　在過去的一些年里，新一代汽車發(fā)動機燃油效率并不是像我們預料中的那樣會有所降低。其原因：汽車重量的增加。通過對汽車發(fā)動機整車重

2、量以及部分重量的分析知：曲軸箱作為一個單一部件具有潛在的可減少重量的部件，這篇論文講述的是通過利用輕型材料和現(xiàn)代的設計手段減少發(fā)動機重量的方法。</p><p>　　將輕型材料應用于曲軸箱設計構思中包含著廣泛的設計理念，這種設計理念就是盡最大可能利用被選材料所具有的可能性去減少汽車重量，以下我將詳細的談論關于直列式和V-型發(fā)動機特殊方法的構思，發(fā)動機重量減輕也可以利用中小型發(fā)動機來代替又大又重的發(fā)動機，現(xiàn)代技術以

3、被應用于現(xiàn)存的發(fā)動機設計構思中從而增加發(fā)動機功率重量比，使發(fā)動機性能得到提高因此它的市場價值也得到提高。</p><p>　　新型輕型發(fā)動機設計方案中有一個重要方面就是與傳統(tǒng)發(fā)動機設計理念相比要盡量減小發(fā)動機零部件數(shù)量，因為這樣對于減少整車重量有著非常重要作用。</p><p><b>　　介紹：</b></p><p>　　汽車在生態(tài)方面和將

4、來繼續(xù)充當普通交通工具的要求已經顯著提高尤其在美國和歐洲。通過合法的要求使那些有壓力的顧客在這方面得到緩解。必需考慮到這樣的事實，對于燃油的消耗，排放，回收在利用這些中心問題要有一個回應。</p><p>　　在過去的一些年里，汽車發(fā)動機的發(fā)展取的了進步，使發(fā)動機功率得到了顯著的提高同時在降低發(fā)動機燃油消耗和排放方面已經付出巨大的努力。通過應用直噴，廢氣渦輪增壓和多氣門技術于柴油發(fā)動機中，使發(fā)動機的性能得到顯著提

5、高。</p><p>　　新車取代與在它之前所有具有相類似功能車時，其新車發(fā)動機工作效率的提高并不是通過對原有車的有效改進。整個交通工具工作效率停滯不前甚至降低的原因是在過去的十五年里增加了15%~20%的車輛（圖1）。盡管輕型材料的使用不斷增長以及設計者有意識的向輕型結構方面設計但是重量減輕卻被其他方面所彌補。讀者可以通過以下方面得知：</p><p><b>　　多余的汽車外

6、形</b></p><p><b>　　安全方面的改進</b></p><p>　　關于NVH舒適度方面的改進</p><p>　　持續(xù)性動力輸出方面的提高以及汽車工作情況的改進</p><p><b>　　可靠性方面的改進</b></p><p>　　圖1.交通

7、工具重量減輕（由數(shù)據(jù)2反映）</p><p>　　車體增重并不是汽車發(fā)展的倒退。持續(xù)增長的顧客需求和嚴格標準要求向重型車方向發(fā)展，因此人們開始認識到消除這不利因素的最便利方式是減少車輛數(shù)量但是要保持發(fā)動機性能不變，所以曲軸箱引起我們特別注意因為它占整個發(fā)動機重量的21%~25%。大部分柴油機曲軸箱點火上峰值壓力可達到16兆帕，在這樣的壓力下能夠引起相當高的部分載荷。減少油耗，排放可以有利于改進車子的性能，也有利于

8、降低車子零部件的制造成本。這篇論文講述的是關于減輕現(xiàn)代高性能發(fā)動機的構思。圖2顯示的是典型2升排量汽油機核心部分示意圖。一個顯著的部分是曲軸箱，因為它具有將汽油機重量減輕10%～12%的可能性的部件。</p><p>　　圖2.發(fā)動機主要部分重量示意圖</p><p>　　每種材料的使用情況都需要被改進，新的輕型材料的使用必須要從技術和經濟性兩個方面得以考慮。車體重量的減輕不僅僅局限于發(fā)動

9、機的構思。</p><p>　　擁有大功率重量比和扭矩的發(fā)動機在減小發(fā)動機重量方面具有很大的可能性。對于現(xiàn)代柴油機能夠達到最大功率強度所采用的直噴和廢氣渦輪增壓技術是一項非常關鍵的技術。四氣門技術應該被考慮到應用于缸徑為75cm或更大直徑的發(fā)動機上以便提高發(fā)動機功率重量比，但與此同時還得考慮到越來越嚴格的排放法規(guī)。圖3表明在發(fā)動機生產周期是基于發(fā)動機結構的小改變來提高發(fā)動機的功率重量比來得以實現(xiàn)的。</p&

10、gt;<p>　　通過諸如直噴和渦輪增壓技術來進一步提高功率質量比和扭矩已經沒有太大的空間了，因為有更嚴格的排放法規(guī)來限制。因此在將來從結構方面下手會使發(fā)動機獲得更多的發(fā)展空間。應用輕型材料的設計理念于現(xiàn)代曲軸箱設計構思之中對于減輕車體重量是非常必要的。</p><p>　　圖3.功率強度的提高</p><p>　　輕型材料的設計理念---不同單一或綜合方案，它可以有效的應用

11、于去減少典型車用發(fā)動機的重量。圖4展示了四個有關輕型材料的設計方法?；景l(fā)動機構造，綜合設計以及材料選擇都是有很強的聯(lián)系的因為它們與結構強度計算和有關聲學方面有關聯(lián)。</p><p><b>　　圖4.重量減輕方案</b></p><p>　　對于曲軸箱設計存在一個非常突出的邊界條件就是生產過程和功能要求。創(chuàng)新的設計方法對于使輕型材料的優(yōu)點得以發(fā)揮起著極其重要的作用。

12、因為更高的材料成本，簡單材料去取代那些高成本輕型材料鐵，輕型材料的聯(lián)合使用以及發(fā)動機和零部件的創(chuàng)新設計方法導致發(fā)動機更輕，零部件更便宜（圖5）。</p><p>　　圖5.部件的優(yōu)化和輕型材料的成本</p><p>　　利用特殊的輕型材料去尋求最優(yōu)化設計的努力經常被限制，因為額外的要求總是被強加在發(fā)動機家庭化設計中。例如專業(yè)生產線需要考慮到各個方面如令人厭煩的空間，頂部高度等要有連貫性，然

13、而提高現(xiàn)存發(fā)動機市場份額也是很容易的，如可以通過材料替代但是要求被替代材料要具有機械制造性和裝配過程連續(xù)性。完成一個重新設計僅需改變材料的性能。如圖6所示。</p><p>　　圖6.材料替代品CI→鋁[3]</p><p>　　圖7. AVL桁架系統(tǒng)構思的核心部位</p><p><b>　　圖8.頂部板面設計</b></p>

14、<p>　　曲軸箱設計修正在機械制造過程中具有適應性，同時在新的曲軸箱設計中要求有更多的修改自由空間，有一個曲軸箱采用AVL桁架系統(tǒng)構思來進行制造的例子[4]。AVL桁架系統(tǒng)在采用硬結構構思方面具有非常大的重量減輕的可能性。其它優(yōu)點就是在聲學方面和曲軸箱通風系統(tǒng)的整體性以及連接水平通道的油道設計方面。</p><p>　　首先這種桁架構思是采用壓縮鉛粉鐵（以下簡寫為CGI）來設計曲軸箱[5]但與此同時也

15、證實這個設計是基于灰鑄鐵曲軸箱[6，7和8]。</p><p>　　CGI曲軸箱中有一種敏感性材料被用于汽車頂部板面設計中，在圖8中得到說明。有優(yōu)良的聲學效果和有可能減小頂部板面重量的板面最厚處約為10～14mm是應力集中區(qū)。較小的應力集中區(qū)域的壁厚約為3.5mm。在盡可能情況下采用輕型材料來作為曲軸箱凸緣區(qū)域最優(yōu)化設計與那些通過付出昂貴的代價使壁厚達到最小化設計相比前者顯得更好。]</p><

16、;p>　　圖9.曲軸箱材料和設計的影響</p><p>　　材料選用構思---圖9表明曲軸箱可能使用的材料，設計理念以及所選材料對零部件重量影響的一個變化范圍。</p><p>　　圖10.直列式汽油機曲軸箱構思</p><p>　　CGI材料告訴我們：盡管CGI與氯具有相同的材料密度但是將其融于輕型材料設計方法中那么CGI材料大約能將所設計的曲軸箱重量減輕1

17、0%的可能性。所示的部件是采用特殊的構思方法設計。由有氣體和螺栓力的含鐵材料所制成的復雜鋼骨架使整個氣缸成為整體，同時對整個氣缸蓋和軸主要突出部位造成一定的威脅。通過對鋼部分溶解知：密封鋼外部是由鑄造的薄金屬構成的。對鋁部分溶解知：其是由鋁合金構成的。低成本曲軸箱構思的應用受到限制其原因是由于復雜的骨架致使形成額外成本。為高速柴油機選擇唾手可得的輕型材料是比較容易的，可以通過制造CGI 來分別鑲嵌或者用球墨鐵鑲嵌在包括氣缸在內的每個主軸

18、承壁上。</p><p>　　今天，用重量可以減輕40%的鋁材料設計取代了過去用鐵的設計方案，尤其使用含有氯的亞鉛制成的鑄形曲軸箱已經被證實對于大部分用次曲軸箱的發(fā)動機都可以將其溶解，之所以這種方案原因除了具有突出的重量減輕的可能性外，還有：</p><p><b>　　優(yōu)越的熱傳導性</b></p><p>　　具有支持復雜和精致結構的先進制

19、造工藝的可能性</p><p><b>　　具有整體性可能</b></p><p><b>　　更小公差范圍</b></p><p><b>　　市場優(yōu)勢</b></p><p>　　鎂，是應用于曲軸箱中最輕的材料，尤其將其用于高速柴油機設計中是極富挑戰(zhàn)性。鎂在自然界中是廣泛存

20、在的。對于大部分采用鎂材料曲軸箱研究發(fā)現(xiàn)，它會對有益于曲軸箱的鋁部分進行溶解，燃而根據(jù)材料所具有減小重量的可能性將鎂和鋁用于曲軸箱最小壁面處是不可能的。</p><p>　　用于典型發(fā)動機曲軸箱所選擇的材料涉及到已被定義的參數(shù)以及如果滿足發(fā)動機零部件性能需要所作出對材料的選擇而引起的一些問題。表1主要材料的性能。 結構硬度是由Young模數(shù)和材料密度之比來確定的。拉力和Young模數(shù)主要影響曲軸箱靜力強度，主軸承

21、所能承受的力以及氣缸蓋上的銷子所產生的力。對于動力強度和可持續(xù)性峰值點火壓力的主要參數(shù)是受材料的屈服強度來限制的。曲軸箱設計中材料的其它重要特性包括熱傳導率，機械制造性能，熱屈服強度，在高溫時爬坡阻力，濕度系數(shù)，熱膨脹系數(shù)，抵抗冷卻水、礦物油、鹽水的腐蝕能力尤其是在重量減輕方面。</p><p>　　設計理念---汽油機直列式曲軸箱設計標準是具有高壓力含氯的鑄有鋁的曲軸箱并且要具有大約4.5 mm厚的軸殼或者具有

22、能進一步減輕重量現(xiàn)代化輕型曲軸箱的構思。以一種床板形式被安裝的機軸（圖10，左）具有能夠進行對其外壁處理和連接著裙部的鋁制梯形框架的設計構思（圖10，右）。每個缸仍然可以通過鋁套或者其它熱傳導套來代替氯襯套將其重量減輕大約0.5千克的可能性，同時取代氯襯套也有益于來自燃燒室的熱進行更好的散發(fā)，從而可以避免在氯襯套與周圍材料之間因熱脹冷縮而形成溝槽。用鎂取代曲軸箱以前所使用的材料可以進一步減輕重量。</p><p>

23、;　　圖11.直列式柴油機曲軸箱構思</p><p>　　峰值燃燒上限壓力可達到16兆帕的直列式柴油機曲軸箱所采用的普通襯套材料一般是氯?，F(xiàn)代曲軸箱采用深裙部構思方法，正如所說的球墨鐵（以下簡寫為SGI）軸承壁和鋁制梯形框架。（圖11，左）</p><p>　　曲軸箱設計理念是基于因工業(yè)發(fā)展而形成的占主導的AVL發(fā)發(fā)動機隧道式構思[11和12]，這種構思是從聲學角度考慮的，因為主軸承會受到

24、高燃燒氣體所產生的力作用以及曲軸箱里的聲波輻射。這種設計會導致主軸承發(fā)生相對柔性變化但是隧道式卻能形成大扭矩和大的屈服硬度。第一臺AVL-LEADER發(fā)動機模型所采用的是單隧道鑄形曲軸箱，此結構對于現(xiàn)代化大排量發(fā)動機是不可采用的，因此所展示出來的最優(yōu)化曲軸箱產品要求采用兩隧道設計[13]，同時油泵、吸油管要求在梯子形框架內采用整體式。</p><p>　　圖12. V-型發(fā)動機曲軸箱設計</p>&

25、lt;p>　　鋁合金在柴油機上的使用和鋁制直列式家用發(fā)動機曲軸箱設計成功提供給我們聯(lián)合化生產的機會。今天鋁已經成為汽油機曲軸箱標準材料但是將鋁廣泛應用于高速柴油機仍然受到各種問題的捆饒如怎樣解決主軸承壁應力集中問題，氣缸套、頂部板面以及其它活動部件的扭彎問題。</p><p>　　有這樣的零部件構思：在保證結構的高硬度情況下盡量減輕曲軸箱重量，經過調查發(fā)現(xiàn)砂型鑄造鋁或鎂曲軸箱可以達到這種效果。如圖11曲軸箱

26、右邊采用通銷孔設計而曲軸箱采用鑲嵌式床板并要求其具有支撐主軸承外殼功能的設計。在這些鑲嵌中整體式線形突起部位也要能夠去取代通銷孔，同時這樣也可以避免昂貴的裝配工序。</p><p>　　表1.主要材料性質的比較</p><p>　　最新產品V-型汽油發(fā)動機曲軸箱設計已經被完成。同樣還有直列式汽油發(fā)動機曲軸箱是一種高壓鑄鋁曲軸箱，同時其具有通過取代氯襯套來進一步減輕重量的床板。目前大部分V-

27、型柴油發(fā)動機曲軸箱是采用氯襯套制成，因為它具有高峰值燃燒壓力。通過機軸中心線和采用SGI軸承外緣深裙部設計獨立平面的床板設計已經被證明是可行的構思。每個主軸承上都有四個插銷同時每個軸承邊緣上又額外增加了水平插銷，這對于緩解軸承邊緣上的載荷影響是非常重要的。由于CGI優(yōu)秀的材料特性使我們想到了將其運用到V-型柴油發(fā)動機曲軸箱設計中。尤其在主軸承周圍有高載荷影響情況下所采用的氯襯套其重量減輕問題已經被解決。對于V-型柴油發(fā)動機曲軸箱不同設計

28、所面臨解決問題的方法已經被用于有限元素分析法之中進行比較。</p><p>　　通過調查研究發(fā)現(xiàn)選擇砂型鑄造曲軸箱一般采用成90°角的V-型8缸發(fā)動機（圖12，左）。有限元素分析法認為每個軸承壁上要用四根插銷，為了減小主軸承熱膨脹所帶來的不利應該用大約4mm厚的軸承外殼來彌補。</p><p>　　圖13. 有限元素模型</p><p><b>

29、　　有限元素分析法</b></p><p>　　有限元素分析法被廣泛的運用于直列式和V-型發(fā)動機曲軸箱半缸3D設計中。有限元素模型法是由曲軸箱，床板部分，半軸承殼，氣缸頭以及軸承銷組成（圖13）。引起我們特別注意的是在主軸承壁周圍的關鍵區(qū)域要進行持續(xù)性峰值燃燒壓力計算。</p><p>　　不同變化的有限元素模型被負以靜主軸承銷力用來估算不同峰值燃燒壓力同時還要考慮到發(fā)動機不同

30、溫度下動載荷。峰值燃燒壓力受被估算的安全因素以及在靜、動載荷情況下主軸承變形情形兩方面限制。在這次調查研究發(fā)現(xiàn)不同變形必須采取筆筒的變形材料如AlSi9Cu3,AlSi10MgWa,砂型鑄造鎂合金用 SGI和CGI法鑲嵌部分塊，圖14摘錄了這些結果。先前的估算形成家用直列式柴油，汽油發(fā)動機高壓鑄形曲軸箱只能承受13.5兆帕最大壓力，其床板采用增加鑲嵌方法來分析。</p><p>　　圖14.峰值燃燒壓力極限（氣缸

31、內/核心部位=1.12）</p><p>　　通過調查研究發(fā)現(xiàn)當在沒有使用砂型鑄造鎂合金時，直列式曲軸箱（圖11，右）屈服峰值燃燒壓力最大可達11.5兆帕，而AlSi9Cu3可最大承受13.0兆帕，如果在沒有采取鑲嵌方法情況下要想使承受壓力達到14.5兆帕必須采用AlSi10MgWa.CGI或SGI鑲嵌鋁或鎂合金基本結構中時可允許峰值燃燒壓力達到15兆帕甚至更高。</p><p>　　V-

32、型發(fā)動機曲軸箱設計與直列式發(fā)動機曲軸箱相比，鋁鎂合金的V-型發(fā)動機曲軸箱設計要求更多條件。每個主軸承要求承受兩個氣缸載荷而不是一個。對氣缸蓋和主軸承進行必要的力平衡補償是不可能的。與直列式發(fā)動機曲軸箱相比強制減小V-型發(fā)動機曲軸箱峰值燃燒壓力具有相同的效果。</p><p>　　由于它們上述的一些基本原理應用于以上的發(fā)動機設計中，V-型發(fā)動機可以允許更輕點但是其零部件成本將偏高。采用鑄形CGI或 SGI骨架適應于

33、將峰值燃燒壓力提高到14.0兆帕甚至更高（圖12，右）。對于缸頭銷和主軸承壁強度的彌補要求使用復雜的框架而不是對每個主軸承壁采用獨立鑲嵌。如果采用多部件噴霧式襯套、鋁襯套或熱表層而不是采用骨架整體室襯套那么可使曲軸箱重量減小0.5千克。</p><p><b>　　概要/總結</b></p><p>　　與采用最小壁厚的輕型材料相比，采用薄壁技術的含鐵曲軸箱想進一步減

34、輕重量已經受到限制。另外由于鉛材料的密度小，汽油機、柴油機聯(lián)合生產使鋁合金的使用成為可能?，F(xiàn)代曲軸箱應用輕型材料關鍵之處在于可以滿足尤其是高速柴油機主軸承強度要求，滿足缸套和頂部板面扭力的要求以及滿足輕型曲軸箱聲學要求。</p><p>　　將輕型材料應用于V-型發(fā)動機曲軸箱受限于可實現(xiàn)的強度。如果沒有安裝增加強度的裝置的話，從有限元素分析法知，對于直列式發(fā)動機曲軸箱所承受最大壓力為14.5兆帕而V-型發(fā)動機曲軸

35、箱所能承受最高壓力為14.0兆帕。在主軸承壁面上裝有額外的鑲嵌物（SGI或CGI）對于阻止現(xiàn)代化高速柴油機所產生的高峰值燃燒壓力（15.0兆帕或更高）起著極其重要的作用。復雜的鑄骨框架僅適用于V-型發(fā)動機曲軸箱因為在更高級的交通工具中允許使用材料更輕成本偏高的零部件。骨框架結構最適用于在主軸承壁存在兩缸負載。氣缸套在骨框架結構中最好被設計成整體式。</p><p>　　尤其對于高速柴油機將最輕型材料鎂應用于曲軸箱