某四缸發動機球墨鑄鐵曲軸輕量化結構驗證

陶前昭，蔚興建

（1.廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西 玉林 537005；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

0 引言

按國際能源署公開的統計數據，全世界交通運輸行業主要交通工具（如火車、汽車、飛機、輪船等）產生的二氧化碳排放量約占總量的24%，而這些交通工具中汽車的二氧化碳排放量約占比最大，這比例與當地經濟發展水平對應，如歐盟經濟發達地區，道路運輸排放占整個運輸業的比例達到了72%。因此，降低汽車排放是目前降低經濟發達地區排放的主要措施，而汽車輕量化是目前為實現降低汽車排放關鍵工作。汽車輕量化就是通過減輕汽車零部件的重量，來降低汽車能耗從而減少汽車二氧化碳排放量。

汽車零部件過重，每個零部件根據使用功能可以輕量化。本研究僅從發動機核心零部件曲軸輕量化進行改進分析和驗證，并以某款四缸發動機球鐵曲軸改進為例進行分析，供行業技術人員參考。

1 結構改進方案

1.1 分析

某四缸發動機是一款已投放市場超過十年的成熟機型，市場保有量超過50萬臺，客戶要求需將曲軸重量減輕10%以上。因為該發動機已是成熟量產機型，輕量化工作需兼顧后市場服務、制造成本、驗證周期等等原因，在曲軸設計上不能做太多的改進；經過對曲軸的分析，決定通過優化結構形狀來實現曲軸降重的要求。

此款四缸發動機曲軸材料為QT800-6球墨鑄鐵材料，曲軸曲柄臂結構設計為的全平衡結構（即8個平衡塊），毛坯采用鐵模覆砂工藝鑄造，材料具有良好的性能，其抗拉強度大于800 MPa，延伸率大于6%[1]，材料密度約7.1 g/cm3，主軸徑和連桿徑均為實心結構。曲軸加工采用“軸徑淬火+圓角滾壓”強化工藝進行，裝機用球墨鑄鐵曲軸安全系數要求大于1.8，改進前曲軸的主要結構尺寸，主軸徑直徑：85 mm；連桿頸直徑：70 mm；臺肩厚度：28 mm；曲柄臂最大半徑：93 mm；曲軸毛坯重50.6 kg。

在實際生產過程中，此款曲軸在動平衡工序中，去重位置及動不平衡量均集中在第一、八平衡塊，因此評估減少一些曲柄平衡塊來減輕曲軸重量是可行的。從使用功能上看，減少平衡塊后，如果發動機曲軸扭振振幅滿足設計要求，且不影響到生產的動平衡，則說明改進是可行的，需要在后續進行相關的改進驗證。

1.2 軸徑結構改進

相關公開資料表明，曲軸軸徑采用適宜的中空結構可有效提高曲軸彎曲疲勞強度數值[2]，但不同的曲軸軸徑尺寸及油孔布置對曲軸軸徑的中空方案存在不確定因素。本研究從發動機球鐵曲軸的結構進行分析，找出適宜此款曲軸的中空結構，從而實現輕量化的目標。

1.3 材料改進

QT800-6材料與滾壓匹配性已成熟，曲軸強化工藝采用“軸徑淬火+圓角滾壓”工藝[3]。在已確保曲軸安全系數的情況下，出于成本和時間上的考量，在提出方案時就沒有考慮性能更高的球墨鑄鐵材料QT1000-5。同時，由于市場競爭原因，產品需求急，由于曲軸材料變更需進行系統的試驗驗證，所需驗證時間約一年，因此，此款發動機不允許對曲軸應用高性能材料進行減重和過多時間驗證。所以材料上維持不變，只是從材料性能一致性去提高不在本研究范圍。

2 改進驗證

2.1 曲柄臂結構改進

（1）曲柄臂扇形平衡塊改進。由原8個全平衡塊改為4個全平衡塊，平衡塊兩側面僅考慮拔模斜度1度，在鑄造上的最高點加工余量為0 mm，分型面為+1.4 mm，如圖1所示。

圖1 曲軸加工余量分布

（2）在減少4個平衡塊后，同步減小曲柄臂平衡塊大圓半徑，為確保曲軸動平衡，改進前后的曲軸質量中心與幾何中心保證偏移量一致。通過三維設計軟件對成品曲軸進行各種平衡塊結構尺寸的測算。經過測算，在減少4個平衡的基礎上，將余下的4個平衡塊大徑尺寸R93 mm全部改為R91 mm。改進前后的兩中心偏移量不超過0.02 mm。改進結構如圖2。

圖2 曲軸結構圖

2.2 軸徑中空結構改進

曲軸連桿頸直徑φ66 mm，主軸頸直徑φ85 mm，軸徑中空減重設計：主軸頸中空部分兩頭φ30 mm，中間φ50 mm，連桿頸頸中空部分兩頭φ25 mm，中間最大處φ35 mm，其他地方圓滑過渡，其結構如圖3所示。

圖3 軸徑中空結構圖

該中空改進結構需要后續生產上進行相關的控制，如泥芯生產上需采用強度高和發氣量較好的制芯砂，并配備相應的環氧樹脂和三乙胺制造，保證泥芯混砂后即拉強度達到1.6 MPa以上，同時減少泥芯制造過程中出現斷裂，并設計防轉動的泥芯頭，以減少泥芯浮動所造成壁厚不均勻的隱患。

2.3 改進試驗驗證

按上述方案進行生產200根曲軸進行試驗驗證，下面從4個方面進行敘述：

（1）減重效果：經過上述減重方案改進后，原毛坯重量由50.6 kg減為44.1 kg，減重率12.84%，滿足客戶要求。

（2）動平衡驗證：利用三維軟件對曲軸改進前后的質量中心偏移量進行測量，兩中心偏移量不超過0.02 mm，設計上滿足要求。對曲軸動平衡數據進行整理匯總，全部200根曲軸通過去重后均符合曲軸設計要求（動平衡量20 g.cm），其中首次動不平衡量≤300 g.cm曲軸數量165根，占比82.5%，比改進前86%稍差，但經動平衡后均滿足要求，增加少量動平衡去重工作量，在可接受范圍。

（3）臺架扭振測試：按照“GB/T15371曲軸軸系扭轉振動的測量與評定方法”對該型號曲軸進行去重優化后的扭振測試，測得數據見表1。

表1 扭振測試結果

單諧次最大扭振值0.076°，出現在8諧次的2699 r/min；單次諧次的振幅均小于限值0.2°。確認結構改進后的發動機軸系扭振是符合設計要求小于0.2°的，確認改進符合扭振要求。因此，此輕量化結構改進經驗證是可行的。

（4）疲勞試驗驗證。曲軸曲柄平衡塊多少，對曲軸的彎曲疲勞強度沒有影響，而軸徑中空結構則有影響，因此，需進行系統的疲勞試驗進行驗證軸徑中空結構對曲軸疲勞強度的影。

試驗過程：使用DXP-200電動諧振式疲勞試驗機，載荷為對稱的正弦波，加載頻率約78 Hz。試驗前對系統的載荷進行了標定，標定后在所使用的載荷范圍內，彎矩的相對誤差不大于1.5%。用升降法[4]測定試樣的疲勞極限彎矩。試驗的循環基數為107周次。疲勞試驗結果見表2。

表2 疲勞試驗結果

按升降法的計算要求，剔除異常數據后進行配對計算，可得曲軸安全系數為n=1.87，滿足球鐵曲軸要求安全系數大于1.8的要求[5]。

3 結論與成效

綜上所述驗證結果，對于該款發動機曲軸來說，減少四個曲柄臂平衡塊、軸徑改為中空結構的改進可滿足動平衡、軸系扭振、彎曲疲勞強度的要求。如驗證這兩方面都能達到要求，則意味著此項輕量化改進方案是可行的。當然，曲軸軸徑中空結構也會帶來一些需要解決的問題，如清潔度、增加泥芯成本等也需要從事鑄造技術人員進行相關的攻關解決。

輕量化是汽車發展的趨勢，對于曲軸零件來說，也不僅僅是上述的措施實現輕量化，仍需要從事汽車零部件行業的技術人員進行更多的研究，才能取得更好的改進方案。