众所周知，汽车的整备质量将直接影响汽车油耗、CO2排放、以及动力加速性能。内燃机的曲轴箱具有较大的减重空间，轻量化潜力巨大。此外，随着混合动力车的发展，电机、电池等设备也会增加整车质量，对轻质内燃机的需求也越来越迫切。此外，混合动力车对动力总成，特别是气缸曲轴箱提出了新的功能要求。比如声学性能要求越来越高等。
本文以铝制110KW1.5升四缸TSI发动机为原型，设计了材料替代方案，开发了金属/塑料混合材料曲轴箱，并进行了可行性研究。通过使用不同的计算机辅助工程（CAE）计算技术，实现了虚拟设计、声学评估、热性能及机械性能的设计优化。通过生命周期分析（LCA）估算出混合气缸曲轴箱重量优势以及使用塑料替代后对制造工艺的影响。

混合材料曲轴箱的设计
汽缸曲轴箱一般需要承受大量且复杂的载荷，如拉伸力、压力、弯曲力和扭转力等。最高可达到110 bar的气缸压力作用在气缸曲轴箱上，将带来180℃的温度，高达36kN的曲轴力和高达6.5kN的活塞横向力。此外，曲轴箱的设计还必须考虑温度的变化和工作流体等影响。基于以上条件，开发了第一个混合金属-塑料曲轴箱，具体如图1。

曲轴箱的圆柱缸体、主轴承的上部和水套的内壁由铝合金材料制成，采用离子喷涂（APS）；塑料油底壳采用玻纤增强酚醛树脂复合材料制成，热固性塑料的热膨胀性、化学腐蚀性和蠕变性都较好。底部采用铝制底座进行加强，构成了主轴承的下部并固定了油底壳。在设计过程中尽可能的减少金属材料，增加塑料的应用，混合材料曲轴箱壳体相对于原型件最终实现了13%的减重。
声学性能评估
声学性能评估是通过整个发动机/变速箱总成的NVH计算来进行的。基于有限元法对动力总成的振动性进行分析，结果如图2和图3。

热性能评估
基于共轭传热（CHT）模型对混合动力车气缸曲轴箱的热性能进行测试，分析气缸曲轴箱内的温度分布情况。如图4所示，在水套下方，可以发现金属/塑料接触区域中的塑料外壳温度较高，这是塑料导热系数降低造成的。此外，还观察到塑料壁内产生的温度梯度可在2.5毫米的壁宽内达到30K。经过铝制插件的设计，最终曲轴箱塑料壳体表面实现了较低的温度。且圆柱形结构塑料内壁的温度保持在相近水平，作为混合动力车的驱动器，这种保温效果有利于更快达到工作温度以及工作温度的保持。当然，其需要选用耐热性的塑料材料，如热固性塑料或高性能热塑性塑料。

强度评估

强度的测试包括在装配、温度和压力等多条件下的静态断裂强度的分析。通过高周疲劳（HCF）测试，分析其强度以及金属/塑料熔合区的结合情况。施加的轴承力、活塞侧向力和点火冲击力以标准发动机满负荷运行时的条件为准。设定所有组件材料均各向同性，建立模型。如图5和图6所示，第二主轴承、通风口的内壁和外壁以及部分顶板区域安全系数较低，对接触压力的附加计算表明，塑料在熔融区域内可能会发生位移，特别是水冷管路下部的密封区域受到影响，用于主轴承上的金属/塑料融合的锁定结构需要改进。

生命周期分析（LCA）

根据ISO 14040/14044标准对混合材料曲轴箱进行LCA评估，包括生产阶段和使用阶段。铝材为经过热处理的压铸铝合金，原始曲轴箱轴承盖以烧结钢计算，结果如图7所示。混合材料曲轴箱由于铝材用量的减少，其CO2排放量整体有15%的降低。但是由于酚醛树脂生产过程产生的污染，其在酸化污染方面略有上升。

混合材料曲轴箱的制造
基于上述设计结果，制造混合材料曲轴箱。首先对塑料壳体中的嵌件进行表面处理，包括粗糙化、脱脂和底漆，然后在模具中注塑成型。该过程需要确保树脂材料具有较高的流动性，以实现均匀充模。成型后进行回火，增加热固性材料的内部交联，从而提升机械性能。
下一步，对圆柱体进行涂覆。混合动力气缸曲轴箱的上部可以在发动机产线上实现批量生产。表面经过激光处理进行粗糙化，随后对通过热喷涂形成了功能涂层，如图8。在涂覆过程中需控制输入的热量很少，保证邻近圆柱体的塑料材料不受影响。如图9所示，在部分区域观察到小裂缝和位移，特别是顶部的金属/塑料熔合区，故正在研究提高接合强度的新方法。

接下来将气缸曲轴箱的功能表面与底座一起加工。玻璃纤维增强热固性材料会导致工具的磨损明显增加，而在韧性的铝材和脆性的热固性材料之间转换会导致断裂行为不同，因此，其表面的铣削需要具有出色表面质量的工具。
最后，在样机上进行主轴承的镗孔和气缸的珩磨。曲轴箱的轴承壳完全由铝制成，而基础箱的轴承壳则固定在铝轴承座和钢盖之间。因此，主轴承的镗孔需要新的参数。用适当长度的工具一步一步进行加工，随后的珩磨过程中如图10所示。

结论与展望
混合材料气缸曲轴箱的开发对和制造提出了最高要求，本研究通过CAE仿真方法对混合材料曲轴箱进行了设计。塑料材料的引入，实现了更高的轻量化效果，且降低了CO2的排放。但是塑料与金属之间的可靠连接是是开发的关键。同时还需要考虑生产工艺、材料等产生的影响，注意表面处理或热处理产生的裂纹、位移或化学变形。
轻质部件的设计是助力电动车发展的重要因素，混合材料曲轴箱的应用一方面可以提升驾驶性能；另一方面，也增加了电动车的续航。