曹文霞，李 波，錢多德，錢葉劍

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽合肥，231603；2.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥，230601；3.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥，230009

某柴油機缸孔變形的優(yōu)化分析

曹文霞1，李 波2，錢多德2，錢葉劍3

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，安徽合肥，231603；2.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥，230601；3.合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥，230009

以某柴油機開發(fā)過程為例，探討解決缸孔變形問題的優(yōu)化設(shè)計方案。缸體在加載缸蓋測量后，二、三缸缸孔的二階變形量超出測量標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)缸孔變形分析發(fā)現(xiàn)，二缸和三缸在缸孔深度16～22 mm之間的變形過于劇烈，進(jìn)排氣側(cè)變形大。后期整改過程中，設(shè)計人員增加了缸墊止推筋，著力增加缸體頂端剛度。新設(shè)計方案的優(yōu)化分析表明，缸孔變形量控制在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，各缸面壓分布的均勻性有所改善，優(yōu)化后的缸體順利通過缸孔變形測量。通過測量-分析-設(shè)計-分析-測量完成缸孔優(yōu)化分析的循環(huán)，實現(xiàn)問題閉環(huán)。

缸孔變形分析；缸墊；缸體剛度

缸體是柴油機的基礎(chǔ)部件，小變形缸孔機體的設(shè)計和改進(jìn)是車用柴油機排放達(dá)標(biāo)、性能提升的重要保證[1-2]。某柴油機缸體在施加缸蓋測量后，對四個缸孔的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換[3]，二、三缸的二階變形量分別為31.62 μm、29.09 μm，均超出測量標(biāo)準(zhǔn)20.8 μm的要求。建立缸體、缸蓋、缸墊、缸蓋螺栓的有限元模型[4]，經(jīng)缸孔變形量分析發(fā)現(xiàn)，傅立葉變換后上述兩缸在缸孔深度為16～48 mm位置上的二階變形超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)33 μm的要求；進(jìn)一步觀察缸孔沿高度方向的徑向變形量，16～22 mm深度上的變形過于劇烈，進(jìn)排氣側(cè)變形大。設(shè)計人員結(jié)合測量與分析結(jié)果，優(yōu)化缸體設(shè)計，增加缸體上端的剛度，減小缸孔變形；增加缸墊上的缸孔壓波，改善缸墊壓力分布的均勻性。

針對優(yōu)化后的缸體進(jìn)行新一輪的分析，結(jié)果表明，四個缸孔經(jīng)過傅立葉變換后的二階變形符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，且缸孔直線度在16～22 mm深度上的變化明顯改善。優(yōu)化后的缸體順利通過缸孔變形測量，驗證效果良好。

1 原因分析

設(shè)計人員反饋某柴油機在測量中缸孔變形大，為了找到原因，分析人員建立缸體裝配的有限元模型，通過理論分析查找原因。

整個分析模型包括缸體、缸蓋、缸墊、缸蓋螺栓，裝配體模型主要材料參數(shù)見表1，裝配模型如圖1所示。

表1 缸體裝配模型主要材料參數(shù)

缸墊的壓縮-回彈曲線由供應(yīng)商提供。缸孔筋剛度大，起主要支撐作用，具體如圖2所示。

整個分析模型的載荷為名義缸蓋螺栓預(yù)緊力[5]，螺栓與缸蓋、螺栓與缸體之間為綁定連接，缸蓋與缸墊、缸體與缸墊之間為接觸連接。

將計算得到的缸孔變形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，目前設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要考核2階到6階的變形量。1階、4階變形為靜態(tài)變形，其中，1階變形主要是由制造公差和裝配公差引起的整體尺寸和位置上的變化，4階變形主要是由施加螺栓預(yù)緊力引起的變化。

各缸2階到6階缸孔變形如圖3所示。該缸體二缸和三缸的2階變形量超出設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)33 μm的要求，在缸體高度上位于16.11～48.33 mm之間，具體位置需要缸孔沿高度方向的徑向變形量來確定。

圖3 四缸各階次缸孔變形量

提取缸孔在各個角度下的徑向變形量，排氣側(cè)為0°，進(jìn)氣側(cè)為180°，站在曲軸前端，曲軸順時針旋轉(zhuǎn)。第二缸、第三缸0°、90°、180°、270°的徑向變形量如圖4、5所示。

圖4 第二缸0°、90°、180°、270°角度徑向變形量

圖5 第三缸0°、90°、180°、270°角度徑向變形量

第二缸最大徑向變形量位于高度20 mm附近、進(jìn)排側(cè)0°和180°，其最大值分別為為28 μm和31 μm。第三缸最大徑向變形量也位于高度20 mm附近、進(jìn)排氣側(cè)0°和180°，其最大值為28 μm和33 μm。

缸孔外端鑄有水套，由于壁厚較薄，僅為4.5 mm，造成進(jìn)排氣側(cè)剛度弱，變形大。在距缸孔頂端110 mm附近為水套底端，缸孔在這個高度上有明顯內(nèi)收的趨勢。

通過對第二缸和第三缸的傅立葉變化結(jié)果和沿高度方向的徑向變形的觀察和整理，二、三缸在16～22 mm高度上的變形量過于劇烈，進(jìn)排氣側(cè)變形大，缸體頂端剛度差，有待加強。

2 設(shè)計優(yōu)化

為了有效增加缸體頂端剛度，減小缸孔變形，設(shè)計人員從缸體、缸墊兩個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖6 變化后的缸墊模型

(1)增加缸墊止推筋，主要分布在進(jìn)排氣側(cè)，對稱分布，有效分擔(dān)缸口筋的壓力。缸墊止推筋只加載不卸載，其壓縮-回彈曲線見圖6。與原缸墊設(shè)計相比，油水筋、高壓油孔筋、缸孔筋的線壓值只進(jìn)行微調(diào)，變化不大。

(2)缸體水套高度減小20 mm，并增加水套寬度，水套總?cè)莘e減小30%，水套的優(yōu)化設(shè)計可以有效減小缸孔在高度110 mm處的變形。由于缸孔間壓力分布不均，取消缸孔間水套冷卻，采用鉆孔冷卻，缸體水套模型如圖7所示。

圖7 原有水套模型(左)變更水套模型(右)

(3)增加頂板厚度，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)[6]，頂板厚度需要增加5 mm，該項優(yōu)化可以有效增加缸體頂端的剛度，能夠有效降低缸體頂部的變形。

(4)優(yōu)化螺栓法蘭面設(shè)計，測量結(jié)果表明，二缸和三缸之間的螺栓法蘭面應(yīng)力較大，缸墊承受的載荷沒有通過螺栓傳遞出去，影響缸墊壓力的均勻性。

3 分析驗證

根據(jù)設(shè)計人員提供的新缸體和缸墊數(shù)模，完成新一輪的缸孔變形分析。

優(yōu)化后四缸各階次缸孔變形量如圖8所示，二缸和三缸直線度如圖9、10所示。從缸孔變形的傅立葉計算結(jié)果來看，二缸和三缸的2階變形下降很多，完全滿足設(shè)計要求；從缸孔沿高度方向的徑向變形來看，缸孔高度20 mm附近約30 μm的峰值沒有了，16～22 mm之間的變形平緩，說明缸體頂部剛度的改善措施產(chǎn)生了作用。

圖8 優(yōu)化后四缸各階次缸孔變形量

圖9 優(yōu)化后第二缸0度、90度、180度、270度角度徑向變形量

圖10 優(yōu)化后第三缸0度、90度、180度、270度角度徑向變形量

在優(yōu)化分析結(jié)束后，缸體在新的測試中，各階變形都符合測量標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化后的缸體順利通過缸孔變形測量，驗證效果良好。

4 結(jié)束語

(1)針對測量中出現(xiàn)的問題，設(shè)計與分析結(jié)合起來，查明原因，快速完成設(shè)計變更。CAE分析手段的應(yīng)用，使問題的解決更快捷。

(2)通過測量-分析-設(shè)計-分析-測量，完成缸孔變形優(yōu)化分析的循環(huán)，實現(xiàn)問題閉環(huán)。

(3)分析手段的豐富，為問題的原因分析和設(shè)計方案的驗證提供更多的手段。

[1]余志壯，宋正華，謝友柏,等.內(nèi)燃機氣缸套失圓對活塞動壓潤滑和摩擦特性的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2005,25(3):243-246

[2]王虎,孫軍,趙小勇.非圓缸套下的活塞環(huán)-缸套油膜分布[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(9):48-53

[3]徐玉梁.正向工程車用柴油機缸孔變形的研究[D].天津：天津大學(xué)研究生院，2009：80-81

[4]陳成軍，楊國慶，常東方，等.面向結(jié)合面密封性能要求的裝配連接工藝設(shè)計[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2012(3):75-83

[5]祖炳峰，付光琦，梁玉華，等.車用柴油機缸孔在缸蓋螺栓預(yù)緊力下變形的數(shù)值模擬和試驗研究[J].內(nèi)燃機工程，2010(2):98-100

[6]柴油機設(shè)計手冊編輯委員會.柴油機設(shè)計手冊：上冊[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1984:789-799

(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.02.026

2014-10-08

國家自然科學(xué)基金項目“丁醇高效低污染燃燒機理和排放特性的基礎(chǔ)研究”(50906019)。

曹文霞(1976-)，女，安徽安慶人，碩士，講師，主要研究方向：汽車機械。

TK422

A

1673-2006(2015)02-0100-05