徐衛(wèi)國(guó)， 龍旦風(fēng)， 梁福祥

(一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī)廠， 江蘇 無錫　214026)

?

中重型柴油機(jī)擴(kuò)缸前后缸套變形的數(shù)值分析

徐衛(wèi)國(guó)， 龍旦風(fēng)， 梁福祥

(一汽解放汽車有限公司無錫柴油機(jī)廠， 江蘇 無錫214026)

降低缸套壁厚可以在保持發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊性的同時(shí)提高排量，而缸套變形是限制許用厚度的主要瓶頸，針對(duì)這一問題，選擇缸套壁厚和材料作為變量，缸套變形圓柱度和傅里葉展開系數(shù)作為評(píng)判指標(biāo)，研究了薄壁濕式氣缸套的可行性。通過對(duì)某型柴油機(jī)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)缸套壁厚從8.25 mm降低到6.25 mm后缸套變形明顯變大，而改用鋼質(zhì)材料后缸套變形與原機(jī)相當(dāng)，證明了通過降低缸套壁厚同時(shí)采用彈性模量更高的材料是一種可行的擴(kuò)缸方法。

氣缸套； 薄壁； 變形； 圓柱度； 仿真

降低濕式缸套壁厚可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)排量，但同時(shí)會(huì)引起缸套失圓、變形增大。過大的缸套變形可能引起機(jī)油消耗和竄氣量增大、排放惡化、摩擦損耗增加、活塞敲缸、缸套穴蝕甚至拉缸等嚴(yán)重后果。影響缸套變形的因素包含缸套材料、結(jié)構(gòu)和尺寸以及缸蓋螺栓預(yù)緊力、溫度分布、燃?xì)鈮毫?、水套密封環(huán)等，只有理清這些因素的影響規(guī)律和程度，才能在降低缸套壁厚的同時(shí)通過合理的材料選用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確保缸套變形不超限值。

近年來，隨著CAE技術(shù)日益成熟，缸套變形研究進(jìn)展迅速。馬慶鎮(zhèn)等[1]通過機(jī)體組合件的有限元分析發(fā)現(xiàn)缸蓋螺栓沉孔深度對(duì)缸套變形影響顯著。王虎等[2]通過分析發(fā)現(xiàn)不均勻的溫度場(chǎng)對(duì)缸套變形的影響不容忽略，螺栓預(yù)緊力對(duì)各缸都有顯著影響，而燃?xì)鈮毫突钊麄?cè)推力只對(duì)局部區(qū)域影響較大。李迎等[3]對(duì)比了38CrMoAl鋼和高硅鋁合金缸套，發(fā)現(xiàn)材料差異對(duì)變形分布規(guī)律沒有影響，但是變形量明顯不同。徐志遠(yuǎn)等[4-5]、向熔等[6]研究表明，缸蓋螺栓沉孔越靠近缸套軸肩定位凸臺(tái)則缸套徑向變形越大，缸蓋螺栓嚙合長(zhǎng)度影響很小，增加缸套壁厚可以減小變形以及不均勻性。畢玉華等[7]研究表明，螺栓預(yù)緊力作用下缸套的上部截面變形最大，呈現(xiàn)收縮變形，中下部截面呈擴(kuò)張變形。吳波等[8-9]則分析了各種因素對(duì)不同階次變形的影響規(guī)律。鄭偉茂[10]分析表明缸套上部變形對(duì)缸套凸肩下錐角的變化敏感，中部變形對(duì)壁厚敏感，下部變形對(duì)燃?xì)獗l(fā)壓力及活塞側(cè)推力敏感。李民等[11]分析發(fā)現(xiàn)缸套定位環(huán)帶與缸體配合公差對(duì)缸套變形有顯著影響。蘭利平等[12]的研究結(jié)果證明改變螺栓位置可以改善缸套變形。蘭銀在等[13]發(fā)現(xiàn)改變缸蓋螺栓與氣缸中心距離對(duì)缸套變形的影響很小。這些研究都為了解缸套變形規(guī)律、優(yōu)化減少缸套變形提供了依據(jù)。

在減小缸套壁厚的擴(kuò)缸設(shè)計(jì)過程中，為了防止缸套變形增大，改用剛度更高的材質(zhì)是首選方案，可避免缸體和模具的大范圍改動(dòng)。因此本研究選定缸套壁厚和材料作為考察因素，探討薄壁濕式氣缸套的可行性，為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性充分挖潛的工程實(shí)踐提供理論支撐。

1　有限元模型

1.1模型構(gòu)成與材料屬性

選取某6缸中重型柴油機(jī)作為研究對(duì)象，用Pro-E建立缸體、缸蓋、缸套、缸墊、主軸承蓋、缸蓋螺栓的三維實(shí)體模型。其中螺紋模型作簡(jiǎn)化處理，缸墊模型僅包括壓波，其余零件均為真實(shí)形狀。由于6缸整體計(jì)算量太大，切除第2～4缸，保留3缸進(jìn)行有限元分析。計(jì)算選用Abaqus軟件，模型網(wǎng)格采用四面體自由劃分方法(見圖1)，其中缸墊包含GK3D12MN單元4 058個(gè)、GK3D12M單元1 344個(gè)，其余零件共包含C3D10M單元約130萬個(gè)。材料參數(shù)見表1，缸墊不同部位的壓縮回彈曲線測(cè)試結(jié)果見圖2。為了體現(xiàn)各缸套凸出量不相等的情況，令中間第5缸的缸墊厚度比另外兩缸缸墊厚度大50 μm，分析時(shí)重點(diǎn)考察中間缸的缸套變形情況。

圖1　裝配體有限元模型爆炸視圖

表1　模型的材料參數(shù)

圖2　 缸墊壓縮回彈曲線

1.2相互作用與邊界條件

零件之間的相互作用定義見表2。在裝配狀態(tài)下缸墊與缸體和缸蓋都處于無分離的壓緊狀態(tài)，采用綁定方式即可。缸套與缸體之間的接觸區(qū)域中，缸套定位的配合面按照設(shè)計(jì)參數(shù)和公差取最小的間隙值0.023 mm，摩擦因數(shù)取0.2。在一般應(yīng)用中螺紋配合常采用綁定方式進(jìn)行模擬，但試驗(yàn)表明這種方法會(huì)造成螺栓載荷過于集中在螺紋孔沿附近，因此這里采用接觸方法，Abaqus會(huì)根據(jù)螺紋牙型角自動(dòng)調(diào)整接觸方向從而達(dá)到類似螺紋的緊固效果。缸蓋螺栓裝配前需要涂抹潤(rùn)滑脂以防咬死現(xiàn)象，所以螺紋部位摩擦因數(shù)取0.1。

表2　零件之間的相互作用定義

實(shí)際裝配工藝的缸套變形測(cè)量工序緊跟在缸蓋螺栓擰緊之后，得到的結(jié)果是冷態(tài)下的變形，主要由缸蓋螺栓力引起。和裝配工藝對(duì)應(yīng)，仿真的第一個(gè)分析步把135 kN的螺栓預(yù)緊力加載到螺栓桿身的一個(gè)內(nèi)截面上，預(yù)緊力引起的變形使內(nèi)截面處產(chǎn)生一定的滲透重疊量。在后續(xù)的分析步中鎖定這個(gè)重疊長(zhǎng)度，并依次對(duì)各缸施加燃?xì)馊紵龎毫?。施加燃燒壓力時(shí)，假設(shè)活塞處于上止點(diǎn)位置。第一道氣環(huán)高度以上的缸套和缸蓋相應(yīng)區(qū)域施加22 MPa氣體壓力，第一道和第二道氣環(huán)之間的缸套施加4.4 MPa氣體壓力，第二道氣環(huán)和油環(huán)之間的缸套施加2.2 MPa氣體壓力。此外在主軸承蓋內(nèi)柱面施加向下的壓力，使模型的豎直方向受力平衡。此外，缸體裙部下表面約束三個(gè)角以限制缸體的整體運(yùn)動(dòng)。

1.3計(jì)算方案與評(píng)估指標(biāo)

此型柴油機(jī)現(xiàn)用的缸套為合金鑄鐵材料，內(nèi)徑為110 mm，壁厚為8.25 mm(見表3)。為了探究壁厚和材料的影響，采用3個(gè)分析方案：原機(jī)方案、降低壁厚方案以及降低壁厚并采用鋼材質(zhì)的方案。后兩個(gè)方案的缸套幾何尺寸相同，都是在原機(jī)方案基礎(chǔ)上令缸套內(nèi)徑增大5 mm，此外為了防止整體剛度過度下降，缸套外徑適當(dāng)增大，同時(shí)水封圈凹槽從機(jī)體轉(zhuǎn)移至缸套。

表3　計(jì)算方案

1.4評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

缸套變形的評(píng)判指標(biāo)有很多，經(jīng)過對(duì)比和篩選，最后確定采用兩個(gè)主要的指標(biāo),即圓柱度和傅里葉展開系數(shù)。缸套內(nèi)表面變形后，在其不同高度選取多個(gè)截面構(gòu)成一系列不規(guī)則的圓，每個(gè)不規(guī)則圓都有一個(gè)形心，這些形心點(diǎn)用線性回歸方法擬合出一條直線作為當(dāng)量軸線，把上述各變形截面沿著當(dāng)量軸線方向投影到同一個(gè)垂直于當(dāng)量軸線的基準(zhǔn)平面上，所有投影點(diǎn)的最小外切圓與最大內(nèi)切圓的半徑之差就是圓柱度。圓柱度是一個(gè)綜合指標(biāo)，數(shù)值越小則越接近理想圓柱形。傅里葉展開可以把缸套水平截面的變形分解為不同的諧次，每一種諧次都對(duì)應(yīng)一種變形形狀，缸套變形就是這些形狀的疊加。傅里葉系數(shù)代表對(duì)應(yīng)諧次變形的徑向變化大小，因此通過各諧次系數(shù)就可以確定主要的變形形狀。

2　結(jié)果與討論

2.1分析模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型和分析的有效性，首先把原機(jī)方案的分析結(jié)果與裝配過程的缸套變形測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由于有限元仿真采用的是理想的幾何形狀，而缸套加工難免有誤差，為了便于對(duì)比，首先測(cè)量自由狀態(tài)的缸套變形，然后按照裝配要求把缸套塞入缸體內(nèi)，合上缸墊缸蓋并擰緊缸蓋螺栓，再次測(cè)量缸套變形。裝配狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果與自由狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果之差就是裝配引起的缸套變形。試驗(yàn)測(cè)量和有限元分析結(jié)果對(duì)比見表4，計(jì)算得到的變形圓柱度總體偏小，誤差在可接受范圍之內(nèi)，證明采用的有限元模型和分析方法是有效的。

表4　原機(jī)方案裝配引起的缸套變形

2.2方案對(duì)比分析

仿真得到的缸套位移見圖3，從左到右依次為第1,5和6缸，變形放大了300倍顯示?？傮w上各方案的缸套變形形狀基本一致，3個(gè)缸套中中間第5缸的變形最嚴(yán)重，原因是在分析設(shè)置中令中間缸的缸墊厚度大于另外兩缸，在方案對(duì)比時(shí)應(yīng)主要考察中間缸的變形情況。在一個(gè)缸套中主要變形位于上沿，其中相鄰兩缸之間部位的變形尤其嚴(yán)重，原因是此處的缸體支撐非常薄弱，而且缸墊內(nèi)含一層補(bǔ)強(qiáng)板，向下的壓力更大。

圖3　缸套位移云圖

在上止點(diǎn)位置的氣環(huán)和油環(huán)對(duì)應(yīng)高度各取水平截面，缸套其余部位再大致均勻地取10個(gè)水平截面，共形成14個(gè)截面。圖4示出第5缸缸套的各水平截面輪廓，變形放大1 500倍。圖中極坐標(biāo)180°指向發(fā)動(dòng)機(jī)前端，0°指向發(fā)動(dòng)機(jī)后端，270°指向進(jìn)氣側(cè)，90°指向排氣側(cè)。虛線是理想的基圓，實(shí)線是各截面變形后的輪廓。圖中顯示水平截面大體上呈現(xiàn)啞鈴狀變形，在發(fā)動(dòng)機(jī)前后方向壓縮，進(jìn)排氣方向拉長(zhǎng)；另外4個(gè)截面在發(fā)動(dòng)機(jī)前端方向拉長(zhǎng)。為了進(jìn)一步了解不同高度的變形，對(duì)缸套分別做0°～ 180°以及90°～270°縱向截面，得到的輪廓見圖5，圖中變形放大1 500倍。3種方案的縱向截面輪廓形狀也基本相似，0°和180°方向半徑變小，其中上沿附近變化較大，缸套下部變化較明顯；在90°和270°方向，上沿附近半徑變小，而其他大部分地方則半徑變大。

圖4　第5缸缸套水平截面變形

圖5　第5缸缸套縱向截面變形

把第5缸各高度的變形進(jìn)行傅里葉分解，結(jié)果見圖6。零階傅里葉分量對(duì)應(yīng)缸套半徑均勻增大，一階分量對(duì)應(yīng)整體平移，這兩種變形通常不需要關(guān)注，二階以上變形則會(huì)引起可靠性問題。從圖中可以看出，3種方案都以二階變形為主，即類似于啞鈴狀的變形。圖中二階變形的虛線普遍高于實(shí)線，虛線對(duì)應(yīng)缸套下部，說明二階變形主要出現(xiàn)在缸套下部，而且高度越小則二階變形越大。此外，比較明顯的還有四階變形，即類似于四瓣花狀的變形。圖中四階變形實(shí)線高于虛線，說明主要出現(xiàn)于缸套上部。對(duì)比發(fā)現(xiàn)3種方案的最大二階分量分別為29.9 μm，32.6 μm，29.5 μm，最大四階分量為5.76 μm，7.44 μm，6.35 μm。

圓柱度是一個(gè)最有代表性的綜合指標(biāo)。各缸套的圓柱度結(jié)果見圖7，第1，5，6缸在各方案中依次從左至右排列。3種方案都是中間缸的圓柱度最大，依此可以得出方案2最差，方案3與方案1基本相等的結(jié)論。說明直接降低缸套壁厚導(dǎo)致變形明顯增加，而把原來的合金鑄鐵材質(zhì)更換為具有更大彈性模量的鋼材質(zhì)后，變形量得到明顯的改善，基本與原機(jī)方案持平。上述研究結(jié)果表明，有限度地降低柴油機(jī)缸套壁厚的同時(shí)更換材料以防變形增大的方法具有可行性。

圖6　第5缸缸套不同高度失圓變形的傅里葉系數(shù)

圖7　缸套變形圓柱度

3　結(jié)束語

建立了某型6缸直列式柴油機(jī)缸體缸蓋的連體有限元模型，采用3種不同的缸套方案進(jìn)行仿真，即原機(jī)方案、降低壁厚方案以及降低壁厚并采用鋼材質(zhì)的方案。后兩種方案的缸套壁厚從原機(jī)的8.25 mm降低為6.25 mm，缸徑從原機(jī)的110 mm增大為115 mm，排量增大9.3%。通過缸套變形的水平截面、豎直截面、傅里葉分解以及圓柱度的對(duì)比分析，表明3種方案的缸套變形形狀基本相同，缸套下部以二階變形即啞鈴狀變形為主，缸套上部以四階變形即四瓣花狀變形為主，綜合評(píng)判結(jié)果是擴(kuò)缸后缸套變形變差，改為鋼質(zhì)材料后缸套變形與原方案相當(dāng)。如果柴油機(jī)在初始設(shè)計(jì)時(shí)偏保守，則可以通過降低缸套壁厚來增大發(fā)動(dòng)機(jī)排量，同時(shí)采用彈性模量更高的材料以防缸套變形增大。

[1]馬慶鎮(zhèn)，Shu Li Jiang，郭晨海，等. 基于有限元方法的YZ4DE柴油機(jī)氣缸套變形分析研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程， 2008,29(4):59-62.

[2]王虎，孫軍，趙小勇，等. 柴油機(jī)缸套失圓影響因素的仿真研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2011(4):370-377.

[3]李迎，孟楊，陳紅巖. 不同材料的發(fā)動(dòng)機(jī)缸套熱狀態(tài)及變形仿真[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011(5):31-34.

[4]徐遠(yuǎn)志. 機(jī)械負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)缸套變形的影響研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2013.

[5]徐遠(yuǎn)志，溫志高，畢玉華，等. 缸套厚度對(duì)柴油機(jī)缸套變形的影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2016(1):1-6.

[6]向熔，畢玉華，雷基林，等. 增壓中冷柴油機(jī)缸套預(yù)緊變形影響因素研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2015(4):682-688.

[7]畢玉華，申立中，雷基林，等. 缸套預(yù)緊變形及結(jié)構(gòu)影響因素研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2013(5):62-68.

[8]吳波，徐廣輝，胡定云，等. 內(nèi)燃機(jī)濕式氣缸套裝配變形影響因素分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013(2):21-24.

[9]吳波，王增全，姚亮宇，等. 氣缸套裝配變形的Fourier分析與仿真[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2014(6):18-22.

[10]鄭偉茂. 濕式缸套變形的影響因素研究[D].太原：中北大學(xué),2014.

[11]李民，賈鐘書，石魁，等. 缸套與機(jī)體配合公差對(duì)缸套失圓的影響[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015(3):18-22.

[12] 蘭利平，向建華，何聯(lián)格. 預(yù)緊狀態(tài)下柴油機(jī)氣缸套變形特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2015(6):555-561.

[13]蘭銀在，陳澤忠，彭海雄，等. 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的氣缸套變形研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2016(1):45-48.

[編輯: 李建新]

Numerical Analysis of Liner Deformation of Medium and Heavy Duty Diesel Engine before and after Cylinder Enlargement

XU Weiguo, LONG Danfeng, LIANG Fuxiang

(FAW Jiefang Automotive Co., Ltd., Wuxi Diesel Engine Works, Wuxi214026, China)

The radial reduction of cylinder liner wall would increase engine swept volume without the change of engine size, but was difficult to carry out due to the restricted allowance thickness by liner deformation. For the bottleneck, the feasibility of wet thin-wall cylinder liner was researched by defining the liner wall thickness and material as the variables and choosing cylindricity and Fourier expansion coefficient as the evaluation indexes. According to the finite element analysis of a diesel engine, the liner deformation became serious when the wall thickness decreased from 8.25 mm to 6.25 mm, but improved and compared to the original liner when the steel wall was applied. It was proved that the radial reduction of liner wall and the application of higher elastic material was a feasible way to enlarge cylinder bore.

cylinder liner; thin wall; deformation; cylindricity; simulation

2016-08-16;

2016-10-13

徐衛(wèi)國(guó)(1967—)，男，高級(jí)工程師，從事柴油機(jī)研發(fā)工作；xwg@wxdew.com。

龍旦風(fēng)((1985—)，男，工程師，博士，研究方向包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)與噪聲；longdanfeng@tsinghua.org.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.003

TK413.2

B

1001-2222(2016)05-0011-06