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技术降低重量和环境负担

无可否认,美国的汽车市场举足轻重

32 年来,美国最畅销的车型是福特 F-150,这是一款重达 2495 kg 的汽车,配置 V8 发动机,是深受农民、小企业和郊区家庭欢迎的皮卡车。局外人可能会认为,美国人并不注重节省燃料成本,但在过去几十年里这方面确实已经发生了变化。自十年前开始,汽油价格开始大幅上涨。但美国政府多年来在不断紧缩关于燃料经济性方面的法律规定,即“企业平均燃料经济性标准 (CAFE)”。由于目前低成本石油供过于求,出于环保原因考虑,政府不会改变这些标准。汽车设计师在外形设计和结构设计的每个环节都寻求改进燃料经济性。

第一波行驶里程的变化非常显著:从框架式车身至整体式车身设计,以及 V8 到 V6 发动机和 V6 发动机到 4 缸发动机的小型化,而不会在性能方面产生明显的市场影响。因此,在第一波变化中,自动变速器也有了 6、8、9 或 10 个档位的变化。谁会想到,自动变速器比手动变速器具有更好的加速特性和燃油经济性?即便是福特品牌的畅销产品几乎始终是配置 V8 发动机的汽车,这种汽车也配备了铝制车身,并且越来越多地搭载 Ecoboost V6 涡轮机。美国消费者和汽车制造商关注燃油经济性并在不断改变汽车领域。

与此同时,“低悬的果实”所代表的重大变化在很大程度上已成为过去时。工程师们现在正在寻找各种途径,去减轻每一辆乘用车的每一克重量。如果将美国“三巨头”(克莱斯勒、福特和通用汽车)生产的大型轿车的典型重量 (1588 kg),与在亚洲设计但是在美国制造的大型轿车的重量 (1462 kg) 相比较,那么美国仍有很大的改进空间。

激光焊接排气系统

众所周知,激光焊接在减轻重量方面起到重要作用。该技术已经广泛用于车身和底盘应用中,工程师采用此技术能够减少每次焊接所需的金属量。因此,使得在激光焊接时所需的搭接和突片要比点焊所需的更小。此外,激光焊接时,工作人员不需要接近焊接对象的背面。因此,排气系统领域体现了所有这些优势。

老一代消音器通常由具有折叠式纵向焊缝的冲压件和端盖制成,通过焊接或搭接接安装此端盖( 1)。

传统的折叠焊缝由四层互相搭接的材料组成,其中这些材料在外壳整体长度上互相搭接的长度至少为 3/8" 或 1/2",因此浪费了材料且增加了重量。冲压的端盖必须插入消声器的末端中,以便于折叠或搭接焊缝充分搭接,因而增加了重量且减小了调谐容积。经过证明,激光焊接堪称解救方案:尤其是在激光焊接排气系统时,无需进行折叠和搭接接,从而降低了排放。

 

1老一代消音器通常由具有折叠式纵向焊缝的冲压件和端盖制成,通过焊接或搭接接安装此端盖。

重量 = 20.59 kg

主消声器:

  • 传统结构设计
  • 卷曲的折叠焊缝、纵向焊缝和盖罩
  • 1.2 mm 厚的内管和导向板

调谐容积 = 31.2 升

管材:壁厚 1.5 – 1.7 mm

新的汽车设计导致排气系统出现问题

有趣的是,排气系统工程师在推进现代化汽车设计方面面临着一系列的挑战:

  • 与汽车的其他所有部件一样,必须减少排气系统的重量,以减少燃料消耗——手段就是减重。
  • 通过使用更长的传动比来降低发动机的转速("engine down-speeding"),可以降低开关频率,这要求具备更大的平均调谐容积。就传统设计而言,这些较大的消音器需要更多的空间——从而增大内部空间。
  • 如果使用电动混合动力驱动系统,则要增加电池组的空间,因此会减少排气系统的可用空间——减小外观体积。
  • 越来越多地采用全轮系统也减少了排气系统的可用空间,并使排气管的结构复杂化——从而减小体积。

转换为激光焊接

排气系统激光焊接多年来主要用于商用车领域。商用车与乘用车排气系统的不同之处在于,商用车容积更小、组件直径更大,难以或者无法经济地获得恰当的圆形外壳,除非此外壳为通过滚压成形机和纵缝焊接设备为客户定制的外壳。因此,可以将易于获取的技术用在对接焊接的部件上,从而通过高速激光焊接来为大批量乘用车领域提供更好的服务。与带有肋片的冲压外壳相比,型材轧制消声器具有更大的容积。对接焊接消声器的重量小于纵向折叠的或搭接接的单元,并且在空腔谐振器与端盖的交界点没有明显的潜在泄漏点。焊接在消声器上的拱形端盖具有更大的调谐容积并且更轻。

此外,层压消音器是一些全球顶级汽车制造商偏爱的产品。与单壁消声器相比,使用两壁更薄的不锈钢部件制造的消声器壳体具有更好的隔音效果,并且使选择有不同消声腔器内部和外部防腐蚀特性的材料成为可能。在这种情形下,激光焊接是恰当的解决方案,因为激光焊接能够同时对接焊接两个材料层,并且焊缝的外观非常具有吸引力,而且焊缝强度也非常高。

由于采用激光焊接工艺,现代消音器的外壳、连接头和偏转板更薄( 2 ),并且:

  • 用于避免折叠焊缝的焊缝;
  • 一些消音器采用厚度为 0.5 mm 的两层材料;
  • 一些单层外壳由厚度为 0.6 mm的材料制成;
  • 对于深拉连接头,初始厚度可达 1.2 mm;
  • 设置有凹部的消音器外壳可抑制辐射噪音;
  • 挡板厚度已达 0.8 mm,甚至可以更薄;而且
  • 不承重的通管壁厚将达 0.6 mm 或更薄。

2除了其他优点之外,由于采用激光焊接工艺,现代消音器的外壳、连接头和挡板更薄。

重量 = 14.64 kg

主消声器:

  • 全焊接结构
  • 拱形端盖
  • 外壳上的非焊接挡板
  • 0.7 mm 厚的内部偏转板和管材
  • 外壳上的非焊接挡板

主消音器 = 33.7 升

管材:0.7 mm 厚的内部偏转板和管材

催化器

激光焊接也对被称为 "Hot Ends" 的催化器有所助益,从而让其比现代制造技术领先一步。相对于管状对接焊接,具有搭接接连接件的双壁催化器外壳放弃了底板设计,不论适配配置 TIG 或者激光器均是如此。由此减少了所需的重量和空间,同时无需使用硬化模具。激光焊接的催化器外壳在经受焊后处理(例如焊缝退火、平整)的条件下,可以在外壳末端处缩小管材直径。

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管材焊接

对排气系统结构而言,使用激光焊接的另一个优点体现在内管的生产方面,内管连接消声器的不同腔室。在传统的工艺中,通过将实壁管放置在特制的“冲压”机器上来实现这一点。该机器通过无冲头冲压来刺穿管材。但是可能很难保养机械式模具装载装置,并且会在管材内部下方形成冲压毛刺,这些毛刺可能导致在操作期间产生干扰振鸣。

对由预冲压钢卷制成的管材进行激光焊接,能够形成任意的钻孔图案,由此在管材外部形成毛刺。

现如今,北美的消音器制造商继续在其制造的消音器上使用折叠焊缝,而欧洲制造商则更早地接受激光焊接。继减重、调谐容积、泄漏率和质量要求之后,在继续推动改善结构设计方面,激光焊接具有一系列独特的优势,能够应对排气系统结构设计方面未来可能出现的挑战。

DAN ROBINSON(drobinson(at)weilengineering.com) Weil Engineering North America LLC 的副总裁

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