汽車輕量化

　　一、基本信息

　　主要指導(dǎo)思想：在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計(jì)各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型譜。

　　實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。當(dāng)前，由于環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流。

　　二、主要途徑

　?、倨囍髁饕?guī)格車型持續(xù)優(yōu)化，規(guī)格主參數(shù)尺寸保留的前提下，提升整車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低耗材用量；

　?、诓捎幂p質(zhì)材料。如鋁、鎂、陶瓷、塑料、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料等；

　　③采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如采用有限元分析、局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等；

　?、懿捎贸休d式車身，減薄車身板料厚度等。

　　其中，當(dāng)前的主要汽車輕量化措施主要是采用輕質(zhì)材料。

　　三、新材料

　　車用材料主要通過汽車的輕量化來對燃料經(jīng)濟(jì)性改善作出貢獻(xiàn)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果都表明，輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。為了適應(yīng)汽車輕量化的要求，一些新材料應(yīng)運(yùn)而生并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

　　有色合金

　　以乘用車來說，1973年每輛車所使用的有色合金占全部用材的重量比為5.0%，1980年增至5.6%，而1997年則達(dá)到了9.6%。有色合金在汽車上應(yīng)用量的快速增長是汽車材料發(fā)展的大趨勢。

　　鋁合金

　　鋁的密度約為鋼的1/3，是應(yīng)用最廣泛的輕量化材料。以美國生產(chǎn)的汽車產(chǎn)品為例，1976年每車用鋁合金僅39kg，1982年達(dá)到62kg，而1998年則達(dá)到了100kg。

　?。?）鑄造鋁合金

　　許多種元素都可以作為鑄造鋁合金的合金元素，但只有Si、Cu、Mg、Mn、Zn、Li在大量生產(chǎn)中具有重要意義。當(dāng)然，在汽車上廣泛應(yīng)用的并不是上述簡單的二元合金，而是多種元素同時(shí)添加以獲得好的綜合性能。

　　汽車工業(yè)是鋁鑄件的主要市場，例如日本，鋁鑄件的76%、鋁壓鑄件的77%為汽車鑄件。鋁合金鑄件主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)氣缸體、氣缸蓋、活塞、進(jìn)氣歧管、搖臂、發(fā)動機(jī)懸置支架、空壓機(jī)連桿、傳動器殼體、離合器殼體、車輪、制動器零件、把手及罩蓋殼體類零件等。

　　鋁鑄件中不可避免地存在缺陷，壓鑄件還不能熱處理，因此在用鋁合金來生產(chǎn)要求較高強(qiáng)度鑄件時(shí)受到限制。為此在鑄件生產(chǎn)工藝上作了改進(jìn)，鑄造鍛造法和半固態(tài)成型法將是未來較多用的工藝。

　　（2）變形鋁合金

　　變形鋁合金指鋁合金板帶材、擠壓型材和鍛造材，在汽車上主要用于車身面板、車身骨架、發(fā)動機(jī)散熱器、空調(diào)冷凝器、蒸發(fā)器、車輪、裝飾件和懸架系統(tǒng)零件等。

　　由于輕量化效果明顯，鋁合金在車身上的應(yīng)用正在擴(kuò)大。如1990年9月開始銷售的日本本田NSX車采用了全鋁承載式車身，比用冷軋鋼板制造的同樣車身輕200kg，引起全世界的矚目。NSX全車用鋁材達(dá)到31.3%，如在全鋁車身上，外板使用6000系列合金，內(nèi)板使用5052－0合金，骨架大部使用5182－0合金；由于側(cè)門框?qū)?qiáng)度和剛度要求很高，使用以6N01合金為基礎(chǔ)、適當(dāng)調(diào)整了Mg和Si含量的合金。在歐美也有用2036和2008合金作車身內(nèi)外板的。

　　鋁散熱器發(fā)源于歐洲而后遍及全世界。在歐洲，到20世紀(jì)80年代后期鋁散熱器已占領(lǐng)市場的90%。隨？車用空調(diào)、油冷卻器等的大量使用，鋁熱交換器的市場迅速擴(kuò)大。從材料的角度看，鋁在熱交換器上的廣泛應(yīng)用在很大程度上歸功于包覆料覆層鋁板和鋁帶的成功開發(fā)。

　　（3）鋁基復(fù)合材料

　　鋁基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度和比模量高、抗熱疲勞性能好，但在汽車上的應(yīng)用受到價(jià)格及生產(chǎn)質(zhì)量控制等方面的制約，還沒有形成很大的規(guī)模。目前，鋁基復(fù)合材料在連桿、活塞、氣缸體內(nèi)孔、制動盤、制動鉗和傳動軸管等零件上的試驗(yàn)或使用顯示出了卓越的性能，如本田公司開發(fā)成功的由不？鋼絲增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料連桿比鋼制連桿降重30%，對1.2L的汽油發(fā)動機(jī)可提高燃料經(jīng)濟(jì)性5%；采用激冷鋁合金粉末與SiC粉末（重量百分?jǐn)?shù)2%）混合并擠壓成棒材，用此棒材經(jīng)鍛造成型的活塞因強(qiáng)度高可降重20%，發(fā)動機(jī)功率大幅度提高；用鋁基復(fù)合材料強(qiáng)化活塞頭部而取消第一道環(huán)槽的奧氏體鑄鐵鑲塊可降重20%；鋁基復(fù)合材料制動盤比鑄鐵制動盤降重50%。

　　鎂合金

　　鎂的密度約為鋁的2/3，在實(shí)際應(yīng)用的金屬中是最輕的。鎂合金的吸振能力強(qiáng)、切削性能好、金屬模鑄造性能好，很適合制造汽車零件。

　　鎂合金大部分以壓鑄件的形式在汽車上應(yīng)用，鎂壓鑄件的生產(chǎn)效率比鋁高30%~50%。新開發(fā)的無孔壓鑄法（PoreFreeDiecast）可生產(chǎn)出沒有氣孔且可熱處理的鎂壓鑄件。

　　鎂鑄件在汽車上使用最早的實(shí)例是車輪輪輞。在汽車上試用或應(yīng)用鎂合金的實(shí)例還有離合器殼體、離合器踏板、制動踏板固定支架、儀表板骨架、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)懸置、氣缸蓋和氣缸蓋罩蓋等。與傳統(tǒng)的鋅制轉(zhuǎn)向柱上支架相比，鎂制件降重65%；與傳統(tǒng)的鋼制轉(zhuǎn)向輪芯相比，鎂制件降重45%；與全鋁氣缸蓋相比，鎂制件降重30%；與傳統(tǒng)的鋼制沖壓焊接結(jié)構(gòu)制動踏板支架相比，整體的鎂鑄件降重40%，同時(shí)其剛性也得以改善。

　　鎂基復(fù)合材料的研究也有進(jìn)展，以SiC顆粒為增強(qiáng)體，采用液態(tài)攪拌技術(shù)得到的鎂基復(fù)合材料具有很好的性能且生產(chǎn)成本較低。在AZ91合金中加入25%的SiC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料比基體合金拉伸強(qiáng)度提高23%，屈服強(qiáng)度提高47%，彈性模量提高72%。

　　鈦合金

　　鈦的密度為4.5g/cm3，具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。由于鈦的價(jià)格昂貴，至今只見在賽車和個(gè)別豪華車上少量應(yīng)用。盡管如此，對鈦合金在汽車上應(yīng)用的試驗(yàn)研究工作卻不少。例如用α+β系鈦合金制造的發(fā)動機(jī)連桿，強(qiáng)度相當(dāng)于45鋼調(diào)質(zhì)的水平，而重量可以降低30%；β系鈦合金（Ti-13V-11Cr-3Al等）經(jīng)強(qiáng)冷加工和時(shí)效處理，強(qiáng)度可達(dá)2000MPa，可用來制造懸架彈簧、氣門彈簧和氣門等，與拉伸強(qiáng)度為2100MPa的高強(qiáng)度鋼相比，鈦彈簧可降重20%。

　　鈦合金應(yīng)用的最大阻力來自其高價(jià)格，豐田中央研究所開發(fā)了一種成本較低的鈦基復(fù)合材料。該復(fù)合材料以Ti-6Al-4V合金為基體，以TiB為增強(qiáng)體，用粉末冶金法生產(chǎn)，已在發(fā)動機(jī)連桿上應(yīng)用。

　　四、新工藝

　　鋼鐵材料在與有色合金和高分子材料的競爭中繼續(xù)發(fā)揮其價(jià)格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢，通過高強(qiáng)度化和有效的強(qiáng)化措施可充分發(fā)揮其強(qiáng)度潛力，以致迄今為止仍然是在汽車生產(chǎn)上使用最多的材料。

　　高強(qiáng)度鋼板

　　轎車自重的25%在車身，車身材料的輕量化舉足輕重。20世紀(jì)90年代，世界范圍內(nèi)的35家主要鋼鐵企業(yè)合作完成了“超輕鋼質(zhì)汽車車身”（ULSAB－UltraLightSteelAutoBody）課題。該課題的研究成果表明，車身鋼板的90%使用現(xiàn)已大量生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板（包括高強(qiáng)度、超高強(qiáng)度和夾層減重鋼板），可以在不增加成本的前提下實(shí)現(xiàn)車身降重25%（以4門轎車為參照），且靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度提高80%，靜態(tài)彎曲剛度提高52%，第一車身結(jié)構(gòu)模量提高58%，滿足全部碰撞法規(guī)要求。當(dāng)然，這還是一個(gè)研究的成果，高強(qiáng)度鋼板在車身上的實(shí)際應(yīng)用還未達(dá)到如此高的水平。在普通的IF鋼板的基礎(chǔ)上相繼開發(fā)了高強(qiáng)度IF鋼板和烘烤硬化IF鋼板，在保持高成型性的同時(shí)提高了強(qiáng)度和抗凹陷性，為車身鋼板的減薄和實(shí)現(xiàn)輕量化創(chuàng)造了條件。

　　加入Ti、Nb和V等元素的析出強(qiáng)化鋼板拉伸強(qiáng)度在500~750MPa，可用于車輪和其它底盤零件。

　　近來開發(fā)的多相鋼有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。其中鐵素體－貝氏體鋼強(qiáng)度級別為500MPa，雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼強(qiáng)度級別為600~800MPa，復(fù)相（CP）鋼強(qiáng)度級別在1000MPa或更高。這些鋼的成型性能也很好。

　　激光拼焊毛坯（TailoredBlank）是新近開發(fā)并應(yīng)用的鋼板輕量化技術(shù)。在前述ULSAB車身有18個(gè)零件采用了此技術(shù)。

　　結(jié)構(gòu)鋼

　　鋼鐵材料的用量雖逐年減少，但高強(qiáng)度鋼的用量卻有相當(dāng)大的增加。高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼使零件設(shè)計(jì)得更緊湊和小型化，有助于汽車的輕量化。

　　(1)彈簧

　　懸架彈簧輕量化的最有效方法是提高彈簧的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。但是為了實(shí)現(xiàn)這種高應(yīng)力下的輕量化，材料的高強(qiáng)度化是不可少的。在傳統(tǒng)的Si-Mn彈簧鋼的基礎(chǔ)上通過降低C并添加Ni、Cr、Mo和V等合金元素，開發(fā)出強(qiáng)度和韌性都很高的鋼種，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力可達(dá)1270MPa，這種彈簧鋼的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)40%的輕量化。在傳統(tǒng)的Cr-V系彈簧鋼中添加Nb可提高鋼的抗延遲斷裂性能，結(jié)合改進(jìn)的奧氏體軋制成型，可使鋼的拉伸強(qiáng)度達(dá)到1800MPa的水平。

　　氣門彈簧用的Si-Cr鋼中添加V，通過晶粒細(xì)化確保韌性，由增C提高強(qiáng)度。這樣改進(jìn)后，彈簧的高周疲勞強(qiáng)度約提高8%，可實(shí)現(xiàn)15%的輕量化。通過有限元分析，螺旋彈簧內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力均勻分布的檸檬形斷面彈簧鋼絲得以開發(fā)，使彈簧實(shí)現(xiàn)7%的輕量化。

　　提高彈簧疲勞強(qiáng)度的有效途徑是對彈簧進(jìn)行噴丸和氮化處理。彈簧的噴丸，除了傳統(tǒng)的應(yīng)力噴丸之外又發(fā)展了雙級噴丸。噴丸和氮化也可以復(fù)合使用。

　　(2)齒輪

　　汽車發(fā)動機(jī)有高功率化的趨勢，而傳動器有緊湊小型化的傾向。這勢必加大傳動齒輪的負(fù)荷，從而對齒輪鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度的要求也相應(yīng)提高。

　　提高鋼中Ni、Cr、Mo等合金元素的含量可以提高齒輪鋼的淬透性和強(qiáng)度，但單純靠合金元素來強(qiáng)化齒輪鋼會使鋼的切削性能變壞、熱處理工藝復(fù)雜，原材料成本和生產(chǎn)成本都會大幅度提高。齒輪滲碳時(shí)，為了防止或減少異常層的出現(xiàn)，降低鋼中的Si和P含量，Mo量增加到0.35%~0.45%，并采用經(jīng)改良的碳氮共滲工藝。改進(jìn)的鋼種可使齒輪實(shí)物的沖擊壽命提高3~5倍，若在上述降低表面異常層鋼種加上強(qiáng)力噴丸，可使齒輪疲勞極限提高20%~30%。

　　齒輪鋼中的非金屬夾雜物是疲勞裂紋的起點(diǎn)，會降低強(qiáng)力噴丸的強(qiáng)化效果，為此開發(fā)了高純凈度齒輪鋼。例如對SCM420HZ鋼，將氧濃度降到9ppm以下、磷濃度降到90ppm以下時(shí)，與前述降低表面異常層的低Si高M(jìn)o鋼相比，齒輪齒根彎曲疲勞壽命提高10%~17%，接觸疲勞壽命提高25%。

　　高強(qiáng)度鑄鐵

　　鑄鐵由于其性能和成本方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車材料中仍然占有一席之地。鑄鐵材料的進(jìn)步更使之在汽車上的應(yīng)用出現(xiàn)了新亮點(diǎn)。

　　(1)球墨鑄鐵

　　鐵素體球墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度可達(dá)500MPa，韌性也較高，因此多用于底盤零件，有的車型甚至用作轉(zhuǎn)向節(jié)等保安件。

　　珠光體球墨鑄鐵強(qiáng)度更高，在一些零件上可代替鍛鋼件。帶平衡塊的4缸轎車發(fā)動機(jī)曲軸采用球墨鑄鐵加圓角滾壓強(qiáng)化，已成為美、德、法等國汽車廠家的標(biāo)準(zhǔn)工藝。因球鐵的密度比鋼約小10%，所以以球鐵代鋼可以產(chǎn)生一定的輕量化效果。

　　奧貝球鐵(ADI-AustemperedDuctileIron）具有很高的強(qiáng)度和韌塑性，按美國和德國標(biāo)準(zhǔn)制造的奧貝球鐵牌號，其最高強(qiáng)度級別達(dá)到1400MPa，超過了調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼的強(qiáng)度水平?？梢杂肁DI代替鋼制造汽車輪轂、全輪驅(qū)動雙聯(lián)桿、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、發(fā)動機(jī)正時(shí)齒輪、曲軸和連桿等。經(jīng)實(shí)物測量，代替鍛鋼制造曲軸可以降重10%，代替鋁合金制造載貨車輪轂每只可降重0.5kg。

　　(2)蠕墨鑄鐵

　　蠕墨鑄鐵(Vermiculargraphitecastiron)又稱緊密石墨鑄鐵(Compactedgraphitecastiron)，其機(jī)械－物理性能和鑄造工藝性能介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，很適合制造強(qiáng)度要求較高和要承受熱循環(huán)負(fù)荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等。

　　蠕墨鑄鐵的發(fā)現(xiàn)與球鐵同時(shí)，但由于蠕化工藝控制難度較大而應(yīng)用受到限制，SinterCast工藝控制系統(tǒng)為蠕鐵的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。蠕鐵氣缸體比灰鑄鐵氣缸體降重16%，而結(jié)構(gòu)剛度則提高12%~25%。采用蠕鐵制造氣缸體還可改善摩擦磨損性能、降低振動和噪音、改善排放。

　　粉末冶金材料

　　粉末冶金材料成分自由度大和粉末燒結(jié)工藝的近凈形特點(diǎn)，其在汽車上的應(yīng)用有增加的趨勢，特別是鐵基粉末燒結(jié)材料在要求較高強(qiáng)度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來越多。

　　組裝式粉末冶金空心凸輪軸是近年來的新產(chǎn)品，它是由鐵基粉末冶金材料制成凸輪，然后用燒結(jié)或機(jī)械的辦法固定在空心鋼管上組成。與常規(guī)的鍛鋼件或鑄鐵件相比，可降重25%~30%。此種凸輪軸已在高速汽油機(jī)上使用，隨？柴油機(jī)凸輪軸服役工況的日益苛刻，粉末冶金空心凸輪軸有推向柴油機(jī)的趨勢。

　　粉末鍛造連桿已經(jīng)成功應(yīng)用，近年開發(fā)的一次燒結(jié)粉末冶金連桿技術(shù)的生產(chǎn)成本較低，可實(shí)現(xiàn)11%的輕量化。

　　五、塑料應(yīng)用

　　塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景同樣看好。目前世界上不少轎車的塑料用量已經(jīng)超過120千克/輛，個(gè)別車型還要高，德國奔馳高級轎車的塑料使用量已經(jīng)達(dá)到150千克/輛。國內(nèi)一些轎車的塑料用量也已經(jīng)達(dá)到90千克/輛。可以預(yù)見，隨著汽車輕量化進(jìn)程的加速，塑料在汽車中的應(yīng)用將更加廣泛。汽車輕量化使塑料作為原材料在汽車零部件領(lǐng)域被廣泛采用，從內(nèi)裝件到外裝件以及結(jié)構(gòu)件，塑料制件的身影隨處可見。目前，發(fā)達(dá)國家已將汽車用塑料量的多少，作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平的一個(gè)重要標(biāo)志從現(xiàn)代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，到處都可以看到塑料制件的身影。

　　汽車輕量化“相中”塑料汽車工業(yè)的發(fā)展與塑料工業(yè)的發(fā)展密不可分。近年來汽車輕量化成為降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施，也是汽車材料發(fā)展的主要方向，它使塑料在汽車中的用量迅速上升。目前發(fā)達(dá)國家已將汽車用塑料量的多少作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平的一個(gè)重要標(biāo)志。

　　統(tǒng)計(jì)顯示，汽車一般部件重量每減輕1%，可節(jié)油1%；運(yùn)動部件每減輕1%，可節(jié)油2%。國外汽車自身質(zhì)量同過去相比，已減輕20%—26%。預(yù)計(jì)在未來的10年內(nèi)，轎車自身的重量還將繼續(xù)減輕20%。而塑料等輕量化材料的開發(fā)與應(yīng)用，在汽車的輕量化過程中發(fā)揮著重大作用。

　　汽車材料應(yīng)用塑料的最大優(yōu)勢是減輕車體的重量。一般塑料的比重在0.9—1.5，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比重也不會超過2.0，而金屬材料的比重，A3鋼為7.6，黃銅為8.4，鋁為2.7。這就使得塑料材料成為汽車輕量化的首選用材。從現(xiàn)代汽車使用的材料看，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，還是功能與結(jié)構(gòu)件，到處都可以看到塑料制件的影子。外裝飾件的應(yīng)用特點(diǎn)是“以塑代鋼”，減輕汽車自重，主要部件有保險(xiǎn)杠、擋泥板、車輪罩、導(dǎo)流板等；內(nèi)裝飾件的主要部件有儀表板、車門內(nèi)板、副儀表板、雜物箱蓋、坐椅、后護(hù)板等；功能與結(jié)構(gòu)件主要有油箱、散熱器水室、空氣過濾器罩、風(fēng)扇葉片等。

　　汽車輕量化，使包括聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料、ABS、尼龍和聚乙烯等在內(nèi)的塑材市場得以迅速放大。近兩年，車用塑料的最大品種--聚丙烯，每年以2.2%—2.8%的速度加快增長。預(yù)計(jì)到2020年，發(fā)達(dá)國家汽車平均用塑料量將達(dá)到500千克/輛以上。

　　目前國外汽車的內(nèi)飾件已基本實(shí)現(xiàn)塑料化，塑料在汽車中的應(yīng)用范圍正在由內(nèi)裝件向外裝件、車身和結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展。今后的重點(diǎn)發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、外裝件用的增強(qiáng)塑料復(fù)合材料、高性能樹脂材料與塑料，并對材料的可回收性予以高度關(guān)注。統(tǒng)計(jì)顯示，全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達(dá)105千克，約占汽車總重量的8%—12%。而發(fā)達(dá)國家汽車的單車塑料平均使用量為120千克，占汽車總重量的12%—20%。如奧迪A2型轎車，塑料件總重量已達(dá)220千克，占總用材的24.6%。目前，發(fā)達(dá)國家車用塑料已占塑料總消耗量的7%—8%，預(yù)計(jì)不久將達(dá)到10%—11%。

　　對于中國來說，塑料在汽車行業(yè)的應(yīng)用尚處于初級階段。目前，塑料等非金屬材料在國產(chǎn)車上的應(yīng)用狀況還比不上進(jìn)口車。在歐洲，車用塑料的重量占汽車自重的20%，平均每輛德國車使用塑料近300千克，占汽車總重量的22%。與國外相比，國產(chǎn)車的非金屬材料用量仍然偏少。國產(chǎn)車的單車塑料平均使用量為78千克，塑料用量僅占汽車自重的5%—10%。

　　六、發(fā)動機(jī)機(jī)體的輕量化技術(shù)

　　為了減少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽車的輕量化已經(jīng)成為眾所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。研究表明，汽車整備質(zhì)量．每減少100kg，百公里油耗可降低0.3~0.6L。此外，汽車輕量化還可以提高汽車動力性，節(jié)省材料，降低成本。有人預(yù)計(jì)，到2010年汽車整備質(zhì)量平均將減輕17%，即250kg；轎車整備質(zhì)量將從目前的平均1300kg左右降至1000kg。

　　發(fā)動機(jī)的輕量化，除了上述目的以外，還涉及到整車的質(zhì)量分布（汽車行駛動力學(xué)）。將汽油機(jī)改換成柴油機(jī)時(shí)，往往會使發(fā)動機(jī)變重（堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、渦輪增壓器、增壓空氣冷卻器、噴油裝置等），導(dǎo)致前橋軸荷增加，使得整車的均衡性受到了破壞。所以，轎車發(fā)動機(jī)的輕量北已經(jīng)成為整車開發(fā)中一個(gè)不可忽視的問題。

　　發(fā)動機(jī)輕量化的途徑，首先是提高升功率，以降低發(fā)動機(jī)單位功率的質(zhì)量。最先進(jìn)的功率密度指標(biāo)已逼近1kg/kW。以轎車柴油機(jī)為例，如果20世紀(jì)90年代初升功率還只是在20-30kW/L徘徊，那么自從20世紀(jì)末開始，其上升趨勢可謂“突飛猛進(jìn)”。如今，柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力已經(jīng)達(dá)到20MPa，升功率達(dá)到60kW/L。

　　鋁合金機(jī)體鑄造工藝的討論

　　鋁合金機(jī)體的鑄造工藝從原理上可以分成多次使用的鑄型（金屬型）和一次使用的鑄型（砂型）。砂芯的制造方法也有所不同。當(dāng)今在大批量生產(chǎn)中最為常用的是砂型重力鑄造和壓鑄。砂型重力鑄造在成型方面提供了最大的自由度，可以采用封閉的氣缸蓋連接面（閉式頂板）。如果生產(chǎn)件數(shù)較高（年產(chǎn)20萬件以上），那么壓鑄是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案。壓鑄能以很短的節(jié)拍、精細(xì)的表面質(zhì)量和精確的尺寸實(shí)現(xiàn)鑄件薄壁結(jié)構(gòu)。然而，由于熔融金屬充型壓力很高不能使用砂芯，水套通常必須往上敞開（開式頂板）。這意味著氣缸筒缺乏徑向的支撐。但是，即使如此也未必會導(dǎo)致氣缸筒嚴(yán)重變形?，F(xiàn)在，甚至直噴式柴油機(jī)都可以做成開式頂板結(jié)構(gòu)。此外，壓鑄快速的充型過程易導(dǎo)致氣泡的生成，以致無法通過熱時(shí)效硬化改善力學(xué)性能。這個(gè)缺點(diǎn)可以利用擠壓鑄造加以避免，因?yàn)檫@種工藝采用的壓力較低，使得充型過程明顯地減緩，有可能進(jìn)行補(bǔ)縮。此外，壓鑄對于水套的長度有著間接的影響。由于氣缸直徑、拉桿螺栓的位置、密封法蘭最小寬度以及必需的通常為0.5°的起模斜度等因素，實(shí)際制成的壓鑄機(jī)體的水套通常至多只能覆蓋活塞行程的70%。這會降低通過活塞環(huán)的熱流量，提高機(jī)油的熱負(fù)荷。在機(jī)體結(jié)構(gòu)方面，壓鑄有一些局限性。不過這些均可通過技術(shù)手段加以控制。機(jī)體是否采用壓鑄的工藝，首先還是取決于生產(chǎn)批量。

　　對于高負(fù)荷發(fā)動機(jī)來說，選擇砂型鑄造更能通過合適的造型工藝、合金優(yōu)化和熱處理來生產(chǎn)可靠、耐久的發(fā)動機(jī)機(jī)體。從零件成本看，充分利用砂型鑄造在成型方面較大的自由度，還可以將各種功能整合到氣缸體中去，在總體上減輕質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

　　鋁合金機(jī)體結(jié)構(gòu)必須解決的問題

　　灰鑄鐵氣缸體改用鋁合金鑄造，必須滿足一些額外的要求，分述如下

　　1確保氣缸筒滑移表面耐磨，不易變形

　　2滿足傳遞力流的要求

　　3控制主軸承間隙的擴(kuò)大

　　4鋁合金較低的彈性模量對聲學(xué)和振動的影響

　　發(fā)動機(jī)機(jī)體通過材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑

　　1針對氣缸筒滑移表面的措施

　　2確保力流傳遞和控制主軸承間隙的措施

　　3確保結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的措施

　　性價(jià)比分析

　　對分別采用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金制造的2.0L4缸發(fā)動機(jī)進(jìn)行了性價(jià)比分析，結(jié)果如表1。

　　按照年產(chǎn)40萬件計(jì)算，則采用蠕墨鑄鐵時(shí)，成本提高38%，毛坯成本和機(jī)加工成本以相同的程度提高；采用鋁合金機(jī)體時(shí)，成本提高62%，主要是材料價(jià)格較高。鋁合金在機(jī)加工方面的成本優(yōu)點(diǎn)由于多種混合加工而被大大削弱了。

　　性價(jià)比分析表明，鋁合金結(jié)構(gòu)具有較大的潛力。只有當(dāng)總體布置非常緊湊（氣缸中心距較?。r(shí)，蠕墨鑄鐵所擁有的優(yōu)勢的材料性能才會突現(xiàn)出來。