為了減少燃油消耗和降低二氧化碳排放，汽車(chē)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(chē)整備質(zhì)量．每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3~0.6 L。此外，汽車(chē)輕量化還可以提高汽車(chē)動(dòng)力性，節(jié)省材料，降低成本。有人預(yù)計(jì)，到2010年汽車(chē)整備質(zhì)量平均將減輕17%，即250 kg;轎車(chē)整備質(zhì)量將從目前的平均1300 kg左右降至1000 kg。

發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化，除了上述目的以外，還涉及到整車(chē)的質(zhì)量分布（汽車(chē)行駛動(dòng)力學(xué)）。將汽油機(jī)改換成柴油機(jī)時(shí)，往往會(huì)使發(fā)動(dòng)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(chē)的均衡性受到了破壞。所以，轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量北已經(jīng)成為整車(chē)開(kāi)發(fā)中一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。

發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的途徑，首先是提高升功率，以降低發(fā)動(dòng)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1 kg/kW 。以轎車(chē)柴油機(jī)為例，如果20世紀(jì)90年代初升功率還只是在20-30 kW/L徘徊，那么自從20世紀(jì)末開(kāi)始，其上升趨勢(shì)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20 MPa,升功率達(dá)到60 kW/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(wàn)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(kāi)（開(kāi)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(huì)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(kāi)式頂板結(jié)構(gòu)。此外，壓鑄快速的充型過(guò)程易導(dǎo)致氣泡的生成，以致無(wú)法通過(guò)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(guò)程明顯地減緩，有可能進(jìn)行補(bǔ)縮。此外，壓鑄對(duì)于水套的長(zhǎng)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(huì)降低通過(guò)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(guò)這些均可通過(guò)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(duì)于高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，選擇砂型鑄造更能通過(guò)合適的造型工藝、合金優(yōu)化和熱處理來(lái)生產(chǎn)可靠、耐久的發(fā)動(dòng)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(wèn)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(duì)聲學(xué)和振動(dòng)的影響

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

1針對(duì)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(dòng)態(tài)特性的措施

性價(jià)比分析

對(duì)分別采用灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵、鋁合金制造的2.0 L 4缸發(fā)動(dòng)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(wàn)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(shì)的材料性能才會(huì)突現(xiàn)出來(lái)。