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        缸套與機體配合公差對缸套失圓的影響

        2015-04-22 01:42:42賈鐘書肖培賢陳燁龍
        關鍵詞:氣缸套環(huán)帶過盈量

        李 民,賈鐘書,石 魁,肖培賢,陳燁龍

        (1.河南科技大學 車輛與交通工程學院,河南 洛陽 471003;2.河南省中原內(nèi)配股份有限公司,河南 孟州 454750)

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        缸套與機體配合公差對缸套失圓的影響

        李 民1,賈鐘書1,石 魁1,肖培賢2,陳燁龍1

        (1.河南科技大學 車輛與交通工程學院,河南 洛陽 471003;2.河南省中原內(nèi)配股份有限公司,河南 孟州 454750)

        采用有限元模擬和試驗相結(jié)合的方法,研究了在螺栓預緊力作用下,缸套定位環(huán)帶和機體配合對柴油機缸套失圓變形的影響。建立了包含柴油機機體、缸蓋、氣缸墊、氣缸套和螺栓等的組合體有限元模型,用實測的缸套變形量驗證了有限元建模和計算的準確性。在此基礎上,計算了不同配合公差下缸套失圓量變化情況,研究了缸套與機體定位環(huán)帶配合公差對氣缸套失圓的影響規(guī)律,并通過傅里葉變換的方法對缸套失圓變形進行了階次分析。研究結(jié)果表明:缸套定位環(huán)帶與機體配合公差對缸套的失圓影響顯著,可以通過控制配合公差的方法改善裝配后缸套的失圓變形。

        氣缸套;配合公差;預緊力;失圓

        0 引言

        氣缸套與缸蓋、活塞和活塞環(huán)等組成內(nèi)燃機的燃燒室,氣缸套失圓后會造成活塞環(huán)密封不嚴、燃氣泄露、潤滑油非正常上竄等嚴重問題[1-4]。

        影響缸套失圓的因素很多,其中環(huán)帶配合公差是主要因素之一。文獻[5]提出了干式氣缸套和機體孔的過渡配合影響缸套失圓的問題,并做了相應的理論分析。文獻[6]的研究也表明裝配精度是影響氣缸套失圓的一個主要因素。濕式缸套環(huán)帶配合公差對氣缸套的失圓有直接影響,但到目前為止,環(huán)帶配合公差對氣缸套失圓影響的研究還不多見。

        1 研究對象

        1.1 試驗對象

        圖1為氣缸套和機體的裝配體示意圖。該柴油機采用濕式結(jié)構(gòu)氣缸套,氣缸套采用中支承方式,缸套徑向采用上環(huán)帶和機體內(nèi)孔配合定位,配合公差設計為過渡配合,公差的最大間隙量為0.012 mm、最大過盈量為0.058 mm。

        試驗樣品為柴油機的1/4,將發(fā)動機機體、缸蓋和缸墊等部件沿第二氣缸中心線切割,然后將氣缸套、機體、氣缸蓋、氣缸墊和螺栓等進行裝配,試驗樣品有限元模型如圖2所示。

        圖1 裝配體示意圖圖2 試驗樣品有限元模型

        1.2 有限元建模

        1.2.1 有限元模型

        為與試驗對象保持一致,有限元模型也為柴油機的1/4。模型中氣缸套采用六面體網(wǎng)格劃分,機體采用四面體網(wǎng)格,氣缸墊、氣缸蓋和螺栓采用五面體網(wǎng)格,有限元模型如圖2所示,有限元模型中各部件的單元、節(jié)點數(shù)目以及材料屬性如表1所示。

        表1 有限元模型的單元、節(jié)點數(shù)目和材料屬性

        1.2.2 邊界條件

        相關研究表明:螺栓預緊力是缸套變形的主要影響因素[7-8]。本文僅對氣缸套在缸蓋螺栓預緊力下的失圓變形進行模擬。該柴油機螺栓預緊工藝是扭矩法,預緊力矩為260 Nm,在ABAQUS軟件中,計算時施加的是螺栓軸向力,因此,需要把螺栓扭矩值轉(zhuǎn)化為螺栓軸向力。由經(jīng)驗公式[9]得:F=5T/d≈93 kN,式中:F為螺栓軸向力;T為螺栓預緊力矩;d為螺栓直徑。

        1.2.3 裝配體公差配合

        該柴油機缸套上環(huán)帶與機體的配合為過渡配合。為研究配合公差對缸套失圓的影響,選取不同的配合公差進行計算,公差選取見表2。表2中第1組的機體和缸套的配合依據(jù)試驗測量得到,試驗數(shù)據(jù)見圖3,按測量結(jié)果建立了相應的有限元模型。

        表2 有限元模型中缸套和機體的配合公差 μm

        圖3 缸套上環(huán)帶與機體的配合公差的測量值(°)

        2 計算結(jié)果與分析

        2.1 模型驗證

        試驗條件與表2中配合公差的第1種情況一致,在冷態(tài)下,對氣缸套、機體、缸蓋、缸墊和螺栓等組件進行靜態(tài)裝配。測量缸套內(nèi)孔及環(huán)帶外徑、機體缸套孔的儀器為內(nèi)徑千分表和千分尺等輔助工具。在高度方向上依據(jù)氣缸套變形的特點,選取12個有代表性的缸套截面,每個截面在沿圓周方向內(nèi)均勻選取12個點,總計有144個測點。

        闌尾炎是多種因素作用下的結(jié)果,病情較為危險且發(fā)病急,需盡快實施手術(shù)治療,以優(yōu)化預后。但手術(shù)治療的過程中,護理配合也至關重要。術(shù)前掌握患者病情,以積極的態(tài)度、面帶微笑向患者普及疾病知識,耐心解疑答惑,消除其擔憂和顧慮心理,并在術(shù)前做好相關準備工作,以確保手術(shù)順利開展[2]。手術(shù)過程中同術(shù)者積極配合,觀察患者各項體征變化,落實各項操作的無菌要求,以免感染。手術(shù)后通過切口護理、體位護理以及預防并發(fā)癥等護理,避免腸粘連,并促使患者快速恢復。

        使用ABAQUS按該機體和缸套的測量值建立了計算模型,提取ABAQUS對應點的計算結(jié)果,采用Matlab繪制軟件仿真結(jié)果和實測的缸套直徑變化云圖[10],如圖4所示。從圖4中可看出:在規(guī)定的螺栓預緊力(93 kN)下,模擬計算和實測的缸套變形區(qū)域分布和變形量都比較接近。說明有限元計算模型和邊界條件的設定是合理的。

        2.2 配合公差對氣缸套最大失圓量的影響

        提取氣缸套最大變形量隨配合公差的變化結(jié)果,如圖5所示(圖5中負值為間隙配合,正值為過盈配合)。從圖5中可看出:當配合公差由-0.012 mm變化到0.005 mm時,缸套的最大收縮量基本不變;當配合公差由0.005 mm到0.058 mm時,最大收縮量幾乎呈直線增大。缸套的最小膨脹量則出現(xiàn)在過盈公差為0.015~0.018 mm;遠離此公差帶,則缸套具有較大的膨脹變形。

        圖4 模擬和實測的缸套變形結(jié)果對比

        圖5 氣缸套的最大失圓量隨配合公差的變化

        綜合考慮缸套的膨脹和收縮兩個因素,當缸套上環(huán)帶與機體為過盈配合(過盈量為0.005~0.020 mm)時,缸套的變形較小。

        2.3 不同配合公差下氣缸套的失圓云圖

        從全部計算結(jié)果中,選取3組不同配合公差的變形云圖。第2組為間隙配合(配合間隙為0.012 mm),缸套的膨脹變形最大,結(jié)果見圖6a。第8組為過盈配合(過盈量0.010 mm),缸套的失收縮變形和膨脹變形均圓量較小,結(jié)果見圖6b。第14組為過盈配合(過盈量0.058 mm),缸套收縮變形最大,結(jié)果見圖6c。

        2.4 不同配合公差下氣缸套的截面變形圖

        從圖6可看出:3個圖中最大膨脹變形的位置分別位于距離頂面高度為0 mm、54 mm和54 mm。圖7分別繪制了上述3個位置的截面圖(變形量放大150倍,實線為仿真結(jié)果,虛線為基圓)。

        圖6 不同配合公差下氣缸套的失圓云圖(單位:mm)

        在圖7中,當環(huán)帶配合間隙量為0.012 mm時,90°位置(機體螺栓孔處,垂直曲軸的方向)出現(xiàn)較大的膨脹變形;當環(huán)帶配合過盈量為0.058 mm時,180°位置(機體螺栓孔中間,鼻梁區(qū)對應位置)出現(xiàn)較大的膨脹變形;當環(huán)帶配合過盈量為0.010 mm時,雖然也有一定的膨脹變形,但相對前兩種情況,最大變形量有明顯減小。

        2.5 截面失圓的階次分析

        采用Matlab對圖7中3個截面的變形進行傅里葉變換,圖8為各階次的失圓變形幅值。

        圖7 氣缸套截面的最大徑向變形對比(圓周方向單位:(°))

        缸套的0階變形是缸套半徑整體變化。缸套處于裝配狀態(tài)時,沿氣缸中心線主要受上環(huán)帶端面?zhèn)鬟f來的螺栓預緊力和下支承傳遞的機體作用力,缸套上部徑向主要受機體上環(huán)帶傳遞來的反作用力和缸墊的摩擦力。當機體上環(huán)帶和缸套未接觸時,缸套上部得不到機體的支撐,內(nèi)徑變形量較大;當缸套和機體產(chǎn)生接觸時,缸套上部的剛度得到加強,變形會受到抑制。因此,由圖8可以看出:缸套與機體為間隙配合時,缸套的0階變形最大。

        1階變形來自于缸套整體的位移,主要受制造公差和裝配公差影響。當環(huán)帶的配合狀態(tài)由間隙到過盈時,1階變形呈現(xiàn)減小的趨勢;但隨著公差過盈量的增大,1階變形逐漸增大,這表明合適的公差有助于控制1階變形的增大。圖8中,當缸套上環(huán)帶和機體間隙配合時,缸套1階變形幅值較大,表明缸套沿中心軸線的整體偏移較大;隨著機體和缸套上環(huán)帶配合由間隙轉(zhuǎn)為過盈,機體與缸套接觸面積增加,缸套的剛度得到加強,機體的1階變形幅值變小。

        圖8中,缸套失圓變形2階、3階均有一定的幅值。這是因為該柴油機每個缸套周圍有6個機體螺栓,在這些螺栓預緊力的作用下,機體會產(chǎn)生3階變形;由于機體的鼻梁區(qū)域相對比較薄弱,機體還會產(chǎn)生較大的2階變形。當缸套上環(huán)帶和機體有較大的過盈量時,氣缸套的變形受機體的變形影響較大,因此,氣缸套2階變形和3階變形有一定的增加。

        圖9給出了奧地利AVL公司提出的缸套變形的評價經(jīng)驗公式,依照公式可以計算出2、3階氣缸套(內(nèi)徑值為114 mm)可以接受的最大變形量分別為28.5 μm和18.2 μm。對比圖8中的變形量可看出:3種配合狀態(tài)下氣缸套2、3階的變形量都滿足要求。從圖5中可看出:選取的配合間隙量為0.012 mm和配合過盈量為0.058 mm兩種情況為所有公差中氣缸套變形量最大的情況,這兩種情況氣缸套的變形都在可接受的范圍之內(nèi),故其余的各種環(huán)帶公差下,氣缸套的變形量也都在可接受的范圍之內(nèi)。

        圖8 傅里葉變換后的變形量圖9 AVL公司氣缸套變形評價公式

        3 結(jié)論

        (1)以缸套變形指標來評價,該柴油機的配合公差設定合理,在所有配合公差范圍內(nèi),氣缸套的變形量都在可以接受的范圍之內(nèi)。

        (2)缸套上環(huán)帶與機體的配合公差對氣缸套的失圓有很大的影響,可采用控制配合公差的方法控制缸套的變形量。對該柴油機來說,選擇配合過盈量為0.005~0.020 mm的公差,可以獲得較小的氣缸套變形量。

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        河南省杰出人才創(chuàng)新基金項目(104200510006)

        李 民(1969-),男,河南洛陽人,副教授,博士,主要從事現(xiàn)代內(nèi)燃機設計方法及內(nèi)燃機振動噪聲控制技術(shù)等方面的研究.

        2014-06-04

        1672-6871(2015)03-0018-05

        TK402

        A

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