混动发动机进化——铝合金连杆

概      述

轻量化结构是汽车工业的关键战略之一。对于动力总成的进化，尤其在混合动力车型上，会越来越依赖于组件轻量化的集成，以弥补精密驱动技术和电池带来的额外重量。混合动力发动机相比较于传统燃油车发动机而言，其工况更多的集中在中高转速/负荷区间。因此，降低发动机往复运动机构的零部件质量，对提升中高转速的NVH性能有重要意义。汽油机目前已经广泛运用了铝合金活塞。而在高强铝连杆方面，仍然有较大的发展空间。铝活塞&连杆自身惯性小，这种轻量化的材料可支持发动机高转速NVH性能的提升。轻量化活塞连杆组件本身功率消耗更少，对削减往复惯性带来的振动有明显优势。在此基础上开发全铝发动机，对于油电混合动力总成，静音发电机组等产品上具有应用价值。

锻造铝合金材料的技术进步

近来锻造铝合金在汽车领域取得了长足的发展。例如，基于铝合金EN AW-6082所衍生的材料牌号AluHigh和AluXtrem是全铝车身底盘组件的首选材料，这两种材料的强度和热膨胀性更具有优势。材料性能的进化对开发先进零部件具有决定性的意义，在动力总成领域，运动的部件需求更高的静态、动态强度，低密度，高导热性，良好的可加工性和耐腐蚀性等特性，而发动机连杆要求材料具有更高的强度。

现阶段，新开发的超强铝合金的强度超过700MPa。传统的超高强度铝合金，如EN AW-7075合金，最大可用强度约为550MPa。而这些合金的衍生材料牌号，例如EN AW-7055，经过合理的材料处理工艺，可以在锻造铝连杆上显示出高达650MPa~700MPa的强度。

连杆的轻量化设计

在德国联邦经济体和技术部支持下，其ZIM项目（中型企业核心创新计划）的一部分，德国Leiber集团有限公司和斯图加特大学内燃机汽车工程研究所（IVK）开发了一种用于1.8L四缸发动机的铝制连杆，并在一个专用的声学试验室进行了发动机台架的噪声和振动测试。项目的主旨是尝试对轻量化的发动机往复运动组件对整机NVH性能提升的贡献，以往的轻量化主要通过钢制连杆优化几何形状和强度提升来实现设计目标，但铝合金连杆更侧重于直接对材料机械性能的优化。

考虑到铝的密度仅为钢的三分之一，因此该材料用于发动机连杆的本体具有可观的轻量化效益。不利方面在于铝材质的杨氏模量降低了2/3，因此需要更大的横截面来传输相同的载荷，这体现在发动机设计总布置中，曲轴箱内腔连杆最大包络空间是一项重要的设计约束条件。

图中给出了概要性的铝连杆设计阶段演变。从最早期的总布置要求和基本的强度要求，可以得到最大几何实体，从而获得可能的最大安装空间，如左图；再以最大爆发压力及应力疲劳为约束条件，开展CAE有限元几何迭代，得到具有均匀应力特性的连杆加强筋设计特征，如中图（但这种形状并不适用于批量的制造）；最后，在基于理想应力分布的设计指导下，开展锻造成型与均匀应力特性之间的平衡性设计，如右图。总的来说，铝连杆与传统的钢制连杆相比，其重量可减轻约50%。

从材料和成型工艺方面考虑，首要考虑因素是成形件的强度，则对高强度锻造铝的可加工性和抗开裂性是过程中最重要的部件特征。这项指标在于对批量生产中的预制件质量控制能力。在连杆轴承盖涨断工艺中，铝的可塑性延展为不利因素。为了达到工艺过程的良好的裂断性，材料铝需要对各种工艺参数进行优化，其中，将无塑性的断裂分离与延性材料相结合是关键技术之一。进一步的，质量分布是影响铝连杆部件设计的一个主要因素。由于连杆的旋转运动和摆动运动相结合，因此连杆质量可以分为两部分：连杆小端、杆部和连杆大端。其分布与重心有关。若重心向连杆小端移动，会增加往复质量振荡百分比，从而产生往复惯性力。而重心位于曲柄销的中心，则对质量补偿相对理想，因为旋转质量力相对简单，且可以通过对曲轴的平衡重配重实现补偿。对于传统钢制连杆，因为截面力特性，在高载荷区可以因材料原因相对缩小，故相对更容易实现重心靠近大端曲柄销中心；因此在铝连杆设计中，还应当更加关注质量分布对NVH特性带来的影响。

铝连杆的NVH试验测试

作为四缸直列发动机在低转速时，根据其曲柄运动特性，一阶的旋转和摆动质量力与整个发动机主体呈反向平衡；当运行至中高转速，二阶及以上振动占据主要地位，呈现所有气缸二阶和更高阶的振荡质量力叠加。为了验证铝连杆发动机的NVH性能，德国斯图加特大学内燃机汽车工程研究所在专用的声学试验室进行了搭载新型铝制连杆VS传统钢制连杆发动机的台架NVH测试。发动机试验室房间的所有的六个侧面都安装了吸声楔块，这种结构能吸收发动机产生的99%的噪音，几乎不存在声反射。

在第五曲轴主轴承、发动机左/右安装座和齿轮箱安装座上安装有三轴加速度传感器。在距离发动机侧面1米处安装声级计进行噪声声压级测试。

试验测量了不同状态的全负荷工况，转速范围覆盖从800到4000 r/min。通过NVH分析和实验，证实了技术期望的合理性。与钢连杆相比，铝连杆的静质量降低了约50%，振动部分减少了38%，整个活塞连杆螺栓总成减少约8%。因此，与钢制连杆相比，铝制连杆在轻量化和NVH方面都有优势趋向。尤其是，随着发动机转速的提升，对中高转速段的噪声的抑制具有较好的表现，在常用转速段2000r/min到4000r/min，噪声级的抑制率达到15%~20%，有利于发动机集成于混合动力总成的产品品质提升。

结      语

在动力总成新技术的导向趋势下，发动机的进化将永无止境。进化的原则要遵循更多维度的约束条件。展望未来，超高强度锻造铝合金在技术创新和工艺进步的加持下，显现出了巨大的潜力。从已开展的项目中可认识到，在发动机曲柄连杆机构上使用铝锻造合金，显示出了显著的性能优势。与传统钢制连杆相比，大大削减了移动质量，提升了发动机的噪声振动性能。从长远来看，随着混合动力发动机的技术发展，铝轻量化连杆是一种进化选择。