[汽車之家 技術(shù)] 在鋁合金缸體已經(jīng)十分成熟的應(yīng)用在量產(chǎn)車上時,,工程人員卻依然在追求輕量化的道路上樂此不疲,,其中寶馬的鎂鋁合金缸體就是此目標(biāo)下的產(chǎn)物。它不僅僅是增加了金屬鎂那么簡單,,而且缸體材料也不是人們所理解的由鎂和鋁組成的合金那樣,,實際上,這背后隱藏著一些頗有意思的奧妙與玄機以及你所不知道的事實,。
衡量一臺發(fā)動機可以有很多指標(biāo):峰值功率,、峰值扭矩、最高轉(zhuǎn)速,、升功率等等,,但是在我們瘋狂崇拜動力參數(shù)的同時不可忽略一臺發(fā)動機的重量。減低重量意味著可以降低車輛的油耗,,同時在適當(dāng)?shù)奈恢脺p低重量還可以提升車輛的動力性和靈活性,,所以這也凸顯出發(fā)動機輕量化的重要性,特別是對于追求運動性與操控性的汽車品牌來說,,每一公斤的減重都是工程人員所孜孜以求的,。鎂鋁合金缸體最早由寶馬量產(chǎn)并應(yīng)用在自家的直列六缸自然吸氣發(fā)動機N52上,按照官方的說法,,這臺發(fā)動機采用了鎂鋁合金復(fù)合式曲軸箱,。我相信很多人可能會認為這種曲軸箱是由鎂、鋁兩種金屬通過某種特殊的金屬工藝融合在一起形成的合金組成,,而實際上并非如此,。
三種金屬的特性對比 | |||
熔點 | 密度 | 膨脹系數(shù) | |
鎂 | 648.9℃ | 1.74g/cm³ | 0.0026%/℃ |
鋁 | 660℃ | 2.70g/cm³ | 0.0023%/℃ |
鐵 | 1535℃ | 7.86g/cm³ | 0.0011%/℃ |
我們首先還是先來了解一下發(fā)動機結(jié)構(gòu)的新材料——鎂。按照元素周期表,,金屬鎂排在鋁的前面,,其密度也僅有鋁的2/3,所以無論鎂還是鎂合金都比廣泛應(yīng)用于發(fā)動機上的鋁合金更輕,。通常,,純鎂并不適合做結(jié)構(gòu)材料,作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的鎂主要還是以鎂合金或者鎂鋁合金的形式存在,。
鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其它元素組成的合金,,其特點是:密度小,消震性好,,承受沖擊載荷能力比鋁合金大,,同時鎂合金還存在著很好的鑄造特性,可以制造出各種較為復(fù)雜的壓鑄件,,同時它還具有很好的切削特性,,所以單從這幾點來看,它非常適合做發(fā)動機結(jié)構(gòu)的材料,。
鎂鋁合金在第一次世界大戰(zhàn)時最先被德國使用,,它是用鎂錠和鋁錠在保護氣體中高溫熔融而成。但是今天我們談到的這臺寶馬N52發(fā)動機的鎂鋁合金缸體則并不是通過此種方法制成的,�,?紤]到耐磨等金屬特性,發(fā)動機的某些部位是無法使用鎂材料的,,比如氣缸表面,,所以N52發(fā)動機的缸體采用了復(fù)合式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中缸體的內(nèi)層由硅鋁合金材料鑄造而成,,在此基礎(chǔ)上,,再在它的外層澆鑄鎂合金材料。
準(zhǔn)確的說,,它是由兩種合金拼接而成的,,而并不是先將兩種金屬進行物理或者化學(xué)的融合,再放到模具里進行澆鑄,,同時為了提高整體的強度,,N52發(fā)動機的缸體采用了兩件式的設(shè)計,,其中上部件為剛才提到的鎂鋁合金復(fù)合式結(jié)構(gòu),下部件也就是底板結(jié)構(gòu)為鎂合金材質(zhì)打造,。
● 如何防止不同金屬間的電化學(xué)腐蝕
N52發(fā)動機的缸體為復(fù)合式鎂鋁合金,,氣缸蓋則采用了鋁合金材質(zhì),而氣缸蓋罩又采取了鎂合金材質(zhì),。由于鎂是一種普通金屬,,所以鎂與發(fā)動機機中常用的鐵和鋁三者之間很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,當(dāng)鎂與鋁或者鐵的接觸面被水打濕時,,就會出現(xiàn)所謂的接觸腐蝕,。
為了很好的解決這個問題,N52發(fā)動機在氣缸蓋與缸體之間設(shè)計了一個帶有密封唇的密封墊(車主可以留意觀察一下),,該凸出的密封唇就是為了防止灰塵和水進入到接縫處,,從而防止其接觸到金屬部件。雖然通過各種措施來減小電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,,但是在復(fù)雜的用車環(huán)境下,,鎂鋁合金的復(fù)合式結(jié)構(gòu)在壽命上依然無法媲美傳統(tǒng)的鋁合金缸體。
除了防腐蝕的問題外,,工程人員還要解決不同金屬的膨脹系數(shù)不同所可能導(dǎo)致的問題,。我們知道發(fā)動機的工作溫度通常會有很大的跨度,所以也要考慮到組合在一起的不同金屬之間的膨脹系數(shù)的問題,。鎂和鋁的膨脹系數(shù)幾乎相同,,而且它們都是鐵的兩倍,由于膨脹系數(shù)差別較大,,所以常規(guī)的鋼制螺栓不能使用,,發(fā)動機在由冷態(tài)到熱態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中會出現(xiàn)螺栓松動的可能,而解決辦法就是N52發(fā)動機在一些特殊部位使用了鋁制螺栓,。
● 寶馬全新的增壓發(fā)動機已不再使用鎂鋁合金缸體
有很多車主在討論寶馬的增壓發(fā)動機是否還在使用鎂鋁合金缸體,,在這里可以明確的告訴大家,寶馬現(xiàn)今的N54雙渦輪增壓發(fā)動機和普遍搭載在3系,、5系等車型上的采用單渦輪雙渦管技術(shù)的N55發(fā)動機以及直列四缸的N20發(fā)動機都再次回歸到傳統(tǒng)的鋁合金缸體,,這主要是因為加入渦輪增壓系統(tǒng)之后,由于驅(qū)動力矩較大,,缸體需要單一一種材料制成,,像N52上的復(fù)合式結(jié)構(gòu)難以在強度上滿足設(shè)計的需求。
全文總結(jié):
發(fā)動機缸體的重量在整機重量中占有較大的比重,,從它入手進行輕量化的改進通�,?梢允盏搅己玫男Ч汃R的工程人員將兩種合金通過物理的方法連結(jié)在一起,,在滿足強度要求的同時盡可能降低了機體的重量,,但是從后來發(fā)布的渦輪增壓機型可以推斷,,此種鎂鋁合金復(fù)合式缸體結(jié)構(gòu)還無法滿足動力性更強的渦輪增壓發(fā)動機的強度要求。這種特殊的鎂鋁合金復(fù)合式缸體結(jié)構(gòu)就像帶有試驗性質(zhì)的大膽嘗試與創(chuàng)新,,也許它還存在著一些不足,,但也為日后的技術(shù)進步積累了豐富的經(jīng)驗。(文/汽車之家 馮景毅)
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