楊立平，任小龍，王楠

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸筒變形摩擦分析與降低措施的途徑

楊立平，任小龍，王楠

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，其原因是氣缸筒的變形所至。而氣缸筒變形的原因主要是加工、溫度和連接緊固力或布置不當(dāng)產(chǎn)生的。文章從產(chǎn)生變形的各種原因出發(fā)，分析由于各種變形對(duì)氣缸筒不同部位造成的摩擦形式和影響。根據(jù)分析的結(jié)論提出了相應(yīng)的解決方案和措施，對(duì)于采用的措施的效果進(jìn)行了分析。

氣缸筒；變形；摩擦；分析；降低；途徑

KCLC NO.:U472.7Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)03-54-03

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作過(guò)程中，由于摩擦部位多，摩擦副工作環(huán)境惡劣。因此，在現(xiàn)有的條件下，如何降低工作過(guò)程中氣缸筒的摩擦，就顯得尤為重要。因氣缸筒的工作環(huán)境是高壓、高溫、高速，所以在其結(jié)構(gòu)、冷卻、潤(rùn)滑等方面進(jìn)行深入研究，有助于現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)效率和壽命的提高。

1、工作過(guò)程氣缸筒變形的分析

氣缸在工作過(guò)程中的受力、溫度和其他因素的影響，在其結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜。主要體現(xiàn)在多處壁厚都是鑄造工藝所允許的最小值。同時(shí)又要考慮保證足夠的強(qiáng)度和剛度，因此，在氣缸體側(cè)壁和前后壁的內(nèi)外表面和各缸之間的橫隔板上要有加強(qiáng)筋。并且設(shè)有主軸承座和縱橫油道，如果是水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，則氣缸壁還需鑄有冷卻水套和布水室以利于散熱。

如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和惡劣的工作條件，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中氣缸筒會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜變形。

1.1 氣缸筒變形對(duì)潤(rùn)滑油消耗的影響分析

當(dāng)氣缸筒發(fā)生變形后，也就是說(shuō)圓柱度較標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生改變，則會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油量的增加。實(shí)驗(yàn)證明，氣缸筒圓柱度越大其下竄氣量也越多。而竄氣就會(huì)將潤(rùn)滑油一同帶出，影響氣缸筒的潤(rùn)滑等。同時(shí)造成潤(rùn)滑油的消耗量上升，因此，尋找氣缸筒變形的原因是解決降低工作摩擦的重要環(huán)節(jié)。

1.2 氣缸筒變形原因分析

1.2.1 緊固件布置的影響

在氣缸蓋主軸承座等需要緊固的部位，當(dāng)螺栓受到預(yù)緊力時(shí)，氣缸軸向就會(huì)產(chǎn)生變形。特別是當(dāng)多個(gè)螺栓布置不合理時(shí)就直接產(chǎn)生負(fù)載變形。從結(jié)構(gòu)上講，通常情況下，氣缸蓋、飛輪殼、主軸承蓋及水泵等螺栓最容易導(dǎo)致氣缸筒變形。

1.2.2 加工過(guò)程中的影響

盡管現(xiàn)代制造技術(shù)很先進(jìn)，通常的圓柱度多為10μm以下。但在裝配后產(chǎn)生的變形時(shí)難以預(yù)料，加之制造中產(chǎn)生的范圍以?xún)?nèi)的變形與裝配后產(chǎn)生的變形。二者結(jié)合后產(chǎn)生的誤差造成的變形會(huì)更大。

有實(shí)驗(yàn)證明，缸筒實(shí)驗(yàn)前的變形量小于實(shí)驗(yàn)后的缸筒變形量。也就是說(shuō)通過(guò)實(shí)驗(yàn)變形小了（圓柱度提高了），但尺寸明顯變大了。說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中由于溫度升高導(dǎo)致加工殘余應(yīng)力的釋放，而引起缸筒更大的變形。一般變形大的區(qū)域磨損也會(huì)較大，不僅會(huì)增加摩擦損失，也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。

1.2.3 工作中的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，其環(huán)境是惡劣的。即處于高溫、高壓的狀態(tài)，一般發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力為155×105Pa以上，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高缸內(nèi)壓力會(huì)越來(lái)越大，可在210×105Pa以上的水平，各種負(fù)荷隨之而升。

1.3 氣缸套變形對(duì)活塞環(huán)摩擦的影響分析

氣缸在工作過(guò)程中，其變形可分為三個(gè)階段。即直徑變大、橢圓改變、四邊形變形等，三個(gè)階段變形對(duì)于摩擦的影響系數(shù)分析可得出如下結(jié)論。第一，從動(dòng)態(tài)摩擦力實(shí)驗(yàn)分析可看出隨著缸徑的增大，活塞環(huán)的預(yù)應(yīng)力降低而使摩擦力降低；第二，在燃?xì)饬ψ饔孟禄钊h(huán)的背部摩擦力變大。二者綜合起來(lái)看，隨著氣缸直徑變大而其他條件不變的情況下，總的摩擦平均壓力降低了。以也就是說(shuō)，氣缸套由熱產(chǎn)生的變形（缸徑增大），對(duì)于活塞組的摩擦損失反而起到了有益的影響作用。

而就氣缸套形成的橢圓變形，隨著變形量的增大平均摩擦的壓力也會(huì)提高。在橢圓變形過(guò)程中，變形每減小9%，則摩擦的平均壓力會(huì)降低1.2%。而橢圓變形量主要與氣缸的溫度分布和冷卻循環(huán)分布有關(guān)。

氣缸套的變形還有一種被稱(chēng)之為“四邊形”的變形形式。該種變形和氣缸蓋的4條緊固螺栓有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，減少四邊形的變形可以有效地降低摩擦損失。當(dāng)氣缸套的四邊形變形減少20%時(shí)，相應(yīng)的活塞環(huán)組摩擦的平均壓力則降低5%。

2、降低氣缸筒變形的措施途徑

2.1 改善加工工藝與螺栓布置

由于鑄造水平自身造成的缸體水套偏心形成缸筒兩側(cè)不均勻產(chǎn)生了變形；還一種是對(duì)于干式缸套（材料為鑄鋁的）因熱應(yīng)力問(wèn)題，造成發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中產(chǎn)生了應(yīng)力變化使得殘余應(yīng)力變化造成缸筒變形。實(shí)踐證明，通過(guò)改善鑄造工藝將可改變鑄造引起的缸筒變形問(wèn)題。

干式缸套中間變形的控制，可采用預(yù)過(guò)盈狀態(tài)的珩磨方法進(jìn)行加工。該方法可以大大降低其變形量。

螺栓布置和預(yù)緊力等引起的缸筒變形是較為復(fù)雜的問(wèn)題，因此，緊固螺栓數(shù)目和布置是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，必須認(rèn)真考慮。為避免由于螺栓布置不合理造成的缸筒變形，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循的原則是，螺栓布置盡可能的與主軸承螺栓同在一條線上。由于在一條線上，二者之間不會(huì)形成力臂而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；氣缸壁上盡可能的沒(méi)有螺栓布置，以減少螺栓緊固時(shí)對(duì)缸筒產(chǎn)生變形；螺栓布置時(shí)盡量對(duì)稱(chēng)；潤(rùn)滑油孔的幾何中心應(yīng)與壁厚中心一致，以最大限度的減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

目前，干式缸套普遍采用4個(gè)缸蓋連接螺栓布置，而濕式缸套經(jīng)常會(huì)選擇6到8個(gè)連接螺栓緊固。連接螺栓少（4個(gè)）造成的不足是，為提高連接強(qiáng)度就應(yīng)該增加螺栓的幾何尺寸，即其直徑、長(zhǎng)度等都會(huì)加大，其目的是用來(lái)增加連接強(qiáng)度。但實(shí)踐證明，盡管如此，對(duì)于干式缸套變形還是無(wú)明顯改觀。因此，當(dāng)前對(duì)于大排量發(fā)動(dòng)機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)通常也是采用6到8個(gè)連接螺栓進(jìn)行緊固。

2.2 控制氣缸工作溫度降低摩擦壓力

通過(guò)上述分析，不論是橢圓變形還是四邊形變形，都和摩擦壓力有關(guān)。而工作時(shí)的摩擦壓力往往又和溫度有關(guān)。

通常情況下，水溫與發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性相關(guān)。也就是說(shuō)水溫適當(dāng)高可以降低摩擦副的摩擦力，原因是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)整體溫度升高時(shí)，潤(rùn)滑油的粘度將會(huì)下降，粘度降低的結(jié)果使各摩擦副的摩擦阻力減少。反之，則活塞和活塞環(huán)與氣缸套之間、氣門(mén)與氣門(mén)導(dǎo)管之間、曲軸軸頸、機(jī)油泵各部件的摩擦阻力將增加。

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制的改進(jìn)

應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)將水溫上高到最佳的90℃，那么如何完成該項(xiàng)工作是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。具體做法是，冷機(jī)時(shí)恒溫器關(guān)閉，讓冷卻水先對(duì)氣缸蓋進(jìn)行冷卻，從而氣缸體先得到暖機(jī)（不對(duì)其冷卻就相當(dāng)于加熱），同時(shí)將機(jī)油溫度調(diào)至適中，其目的是降低摩擦阻力；暖機(jī)狀態(tài)下，打開(kāi)恒溫器。為防止爆燃，先冷卻氣缸蓋，此時(shí)的冷卻水則稍被加熱，同時(shí)流向氣缸體，達(dá)到降低摩擦阻力的目的。此項(xiàng)措施是將發(fā)動(dòng)機(jī)的冷機(jī)狀態(tài)和暖機(jī)狀態(tài)進(jìn)行切換，以達(dá)到控制溫度走向的目的。

2.2.2 安裝水冷隔套

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室周?chē)鷾囟壬咚俾首畲蟆Ｍㄟ^(guò)在氣缸體水冷壁內(nèi)安裝水冷壁隔套（該套是用發(fā)泡橡膠制造具有隔熱作用）的方法，用以控制水流，從而縮小氣缸壁內(nèi)外表面的溫差，而使得氣缸中央部位的溫度升高，氣缸側(cè)壁溫度下降，以達(dá)到降低活塞環(huán)與氣缸壁之間的摩擦力。水冷壁隔套安放位置應(yīng)該在從飛輪方向看的左右兩側(cè)（曲軸軸向方向的兩側(cè)），如圖1所示。

圖1 隔套放入位置和數(shù)目

2.2.3 安裝數(shù)量與過(guò)程

發(fā)泡橡膠制成的水冷隔套在被壓縮狀態(tài)下插入到水冷壁里的。當(dāng)冷卻水溫度升高時(shí)，由于熱漲而使隔套與氣缸壁外側(cè)接觸。一旦橡膠發(fā)泡與氣缸壁接觸，則就抑制了水冷壁中央部位的水流，大部分水流都流向氣缸上部且水流速也增加了，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體上部及周?chē)鷾囟冉档筒⒖杀３值蜏?。其效果是氣缸壁中央附近不受冷卻水溫度的影響，而導(dǎo)致溫度升高，減少了摩擦損失；另外由于隔套的作用使氣缸壁表面的溫度差相對(duì)減少，使得氣缸壁均勻膨脹，也行成了摩擦的均勻性，同樣降低了摩擦損失。

從圖1中可以看出，4缸發(fā)動(dòng)機(jī)所安裝的隔套位置和數(shù)量。共安裝5塊，其中2、3缸兩側(cè)均安裝，4缸只在靠近駕駛室側(cè)安裝一塊，而1缸未安裝。其原因是：1缸是冷卻水流的前端，散熱均勻良好。4缸在右端部，它的前端和右端散熱良好且均勻。因此，隔套分別放在2、3、4缸的靠近司機(jī)側(cè)，而2、3缸的遠(yuǎn)離司機(jī)側(cè)也分別安裝隔套，如圖1所示。

3、效果分析

通過(guò)采用上述措施，發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損情況明顯得到改善。由于加工后氣缸缸蓋螺栓作用而使氣缸缸徑方向的變形量，在采用了可再現(xiàn)氣缸蓋連接狀態(tài)的夾具進(jìn)行加工后，可有效的防止安裝缸蓋時(shí)氣缸徑向的變形發(fā)生。從控制變形入手，可提高氣缸圓度，從而降低活塞環(huán)的張緊力，最終可以降低大約28%的摩擦阻力。

通過(guò)嚴(yán)格控制變形參數(shù)，即橢圓和四邊形變形量的控制?？梢源蟠蠼档蜌飧咨w螺栓的預(yù)緊力，使水套周?chē)倪B接螺栓形成的半徑進(jìn)一步合理。使得活塞組的摩擦平均壓力降低了23%左右。

采用溫度控制措施的發(fā)動(dòng)機(jī)，其燃油的消耗明顯降低，節(jié)約淺能可在5%左右；活塞與氣缸系統(tǒng)的優(yōu)化措施，可使燃油消耗降低1.5%左右。

綜上所述，降低氣缸筒變形是減少摩擦損失的關(guān)鍵所在。而通過(guò)分析變形原因最終找到產(chǎn)生變形的部位，是解決問(wèn)題的重要方法。只有減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失，才會(huì)減少燃油的消耗。

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[3] 王毓民.實(shí)用汽車(chē)潤(rùn)滑技術(shù)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

表1

試驗(yàn)持續(xù)五天，根據(jù)五天時(shí)間中的數(shù)據(jù)，最多次數(shù)為121次/天，最少為58次/天，平均每天為101次/天。

3、結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)試驗(yàn)、駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域，替代人工操作，高效省力，完全符合駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能檢測(cè)及耐久性試驗(yàn)?zāi)芰Φ脑O(shè)計(jì)要求，同時(shí)還可避免因人工操作的不當(dāng)影響試驗(yàn)進(jìn)行。采用此試驗(yàn)臺(tái)使試驗(yàn)順利進(jìn)行的前提，在試驗(yàn)前對(duì)于系統(tǒng)臺(tái)架的連接與操作，一步有錯(cuò)，則將導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

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Analysis of Friction Caused by the Deformation of the Cylinder of the Engine and the Reducing Measures

Yang Liping, Ren Xiaolong, Wang Nan
( Beijing vocational college of electronic science and technology, Beijing 100176 )

The friction loss of an engine is created by the deformation of the cylinder,which is mainly due to process, temperature, and connection fastening force or improper arrangement. Starting from the various causes of deformation，this article analyzes friction forms and effects of different parts of the cylinder caused by the various deformations. According to the conclusion reached through the analysis, the corresponding solutions and measures are proposed and the effects of the measures adopted are analyzed.

cylinder; deformation; friction; analysis; reduction; ways

U472.7

A

1671-7988(2017)03-54-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.021

楊立平，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院。研究方向?yàn)槠?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù) 。