7.4. Использование легких сплавов

Благодаря малой плотности, хорошим литейным свойствам и обрабатываемости при производстве различных деталей автомобиля широко применяются алюминиевые сплавы. Первыми деталями, которые начали изготавливать из алюминия, были поршни и головки блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. При этом использовалась также хорошая теплопроводность алюминия. В дальнейшем из него начали делать различные корпуса, бачки, емкости, для достижения необходимой прочности которых не требовалось большой толщины стенок и, наоборот, при литье под давлением эти стенки делались тоньше.

У отливок, полученных методом литья под давлением в стальные формы, достигается высокая точность, что значительно снижает число обрабатывающих операций, ограничивая их лишь обработкой посадочных поверхностей. Отливки, полученные под давлением, все шире используются и для картеров двигателей внутреннего сгорания. Это требует специальной оснастки и приспособлений для формирования в отливке рубашки охлаждающей жидкости, однако большая экономия массы окупает все затраты.

Уменьшение массы при использовании алюминия вместо чугуна почти пропорционально соотношению плотностей этих материалов, равному 7,3 : 2,7. Литая деталь из алюминиевого сплава почти втрое легче такой же детали из чугуна. Сравнительные исследования стоимости чугунного и алюминиевого блоков цилиндров для бензинового двигателя объемом 1800-2200 см³, проведенные в последние годы, показали преимущества использования алюминия. Сравнение проводилось по всему производственному циклу: от изготовления стержней, расплава, литья и до окончательной механической обработки. Масса необработанной отливки составляет 72 кг при использовании чугуна и 23 кг - алюминия. Обработанный чугунный блок весит 44,5 кг, алюминиевый - 14,4 кг.

Проводилось также сравнение энергии, потребляемой на все операции литья и обработки. Для выпуска в день 3000 шт. блоков из чугуна необходимо 6500 кВт, а для того же числа блоков из алюминия - 1100 кВт.

Исследование показывает, что с точки зрения энергетических затрат в случае изготовления алюминиевого блока экономия энергии составляет 60 % по сравнению с чугунным^*. Поэтому, несмотря на более высокую цену алюминия, его применение для блока цилиндров, а также других отливок является выгодным. Влияние уменьшения массы проявится далее при эксплуатации в меньшем расходе топлива.

^* (При этом, однако, не учтены энергетические затраты на производство первичных алюминия и чугуна. - Примеч ред.)

Приведем другие примеры снижения массы при замене серого чугуна алюминием. У рядного четырехцилиндрового двигателя "Шевроле Вега" (США) с рабочим объемом 2300 см³ чугунный блок имеет массу 39,5 кг, а такой же блок из алюминия - 13,6 кг, т. е. снижение массы достигает 65 %. У шестицилиндрового двигателя "Рамблер-Кастом" фирмы "Америкэн Моторс" блок из алюминия с залитыми чугунными гильзами имеет массу 30 кг; масса этого же блока из чугуна составляет 76 кг. Снижение массы в этом случае достигает 61 %.

Аналогичные цифры характерны и для цилиндров небольших двигателей с воздушным охлаждением, где снижение массы также достигает 60 %. Чугунный цилиндр с оребрением двухтактного двигателя объемом 250 см³ имеет массу 8,15 кг, а такой же алюминиевый цилиндр с твердым хромированным покрытием рабочей поверхности- 3,15 кг, что соответствует уменьшению массы на 62 %. Тот же алюминиевый цилиндр, но с запрессованной чугунной гильзой весит 3,44 кг, что соответствует снижению массы на 58 %.

Алюминиевые блоки цилиндров двигателей дают не только уменьшение массы, но и улучшение теплового режима. Теплопередача и отвод теплоты в систему охлаждения улучшаются, температурные поля головки блока и цилиндров становятся более равномерными, что не менее важно, чем снижение массы. Прежде всего уменьшается местный перегрев вблизи выпускного клапана, а распределение температуры по поверхности цилиндра становится более равномерным.

Цилиндр сохраняет свою форму и в нагретом состоянии, что важно для прилегания поршневых колец по всей окружности и, в свою очередь, имеет влияние на проникание масла в камеру сгорания. При обычном сегодня применении алюминиевых поршней большее тепловое расширение алюминиевых цилиндров выгодно тем, что зазор между цилиндром и поршнем может быть уменьшен, что снижает уровень шума двигателя.