徐一心+袁敏

摘 要：為解決X170F柴油機(jī)整機(jī)比質(zhì)量差的問題，應(yīng)用HyperWorks建立柴油機(jī)的有限元模型并分析。提出缸套評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采集缸套變形數(shù)據(jù)。對(duì)機(jī)體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，結(jié)論證明更換材料的方案可行有效。

關(guān)鍵詞：整機(jī)比質(zhì)量；氣缸套變形；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.017

0 引言

某柴油機(jī)比質(zhì)量較差，因此本文對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)?？偟母倪M(jìn)優(yōu)化指導(dǎo)原則：在保證柴油機(jī)強(qiáng)度剛度的情況下，使其整機(jī)比質(zhì)量盡量小。

1 建立有限元模型

計(jì)算條件及方案：

進(jìn)行有限元分析前，針對(duì)性的提出了以下方案如表1所列。

（1）邊界條件的確定。曲軸箱底支座孔處約束X、Y、Z平動(dòng)自由度。

（2）力的施加。氣缸內(nèi)有燃?xì)鈮毫??；钊麄?cè)壓力沿周向120°余弦施加，在軸向沿著拋物線分布[4，5]。

2 更換機(jī)體材料

第二代單缸柴油機(jī)整機(jī)比質(zhì)量限值11.5kg/kw（3000r/min）。該柴油機(jī)排量0.289L，12小時(shí)輸出功率為3.676kW/3000r/min。根據(jù)上述要求計(jì)算得到其重量限值42.27kg，本文所研究的柴油機(jī)重47kg，存在5kg的超重量。

應(yīng)用鋁合金材料替代鑄鐵合金，可以使曲軸箱質(zhì)量有效減重6～7kg。這兩種材料的許用抗拉強(qiáng)度相差不大。但鑄鋁合金的彈性模量、硬度和高溫強(qiáng)度不及鑄鐵。因此，對(duì)于改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案主要圍繞機(jī)體和氣缸套的剛度進(jìn)行。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮到原機(jī)能正常工作，由此類推可知：若能保證改進(jìn)后的變形小于改進(jìn)前或與改進(jìn)前保持同一水平，則新發(fā)動(dòng)機(jī)亦能正常工作[6]。以缸套內(nèi)孔同軸度和圓柱度作為算例。

3.1 氣缸套內(nèi)孔的評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1.1 數(shù)據(jù)的采集

為了評(píng)價(jià)氣缸套的變形，在氣缸套的內(nèi)孔選取43個(gè)橫截面進(jìn)行分析，分別編號(hào)1～43。采集輸出數(shù)據(jù)過程通過ANSYS軟件完成。

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)說明

找出43個(gè)已變形截面形心，并將找到的形心沿上述當(dāng)量軸線方向投影，以使其在同一基準(zhǔn)平面。把上述形心用一最小圓包絡(luò)，這一最小圓的直徑值即主軸承孔同軸度。按上述方法畫出含所有投影點(diǎn)的最小外切圓與最大內(nèi)切圓。主軸承孔的圓柱度即兩圓半徑差值。

3.2 氣缸套內(nèi)孔的整體變形

如圖1所示：方案6中氣缸套內(nèi)孔在工作工況下的變形趨勢(shì)相同。整體變形均呈花瓶狀，缸套內(nèi)孔底部橫截面的變形呈橢圓狀，其長(zhǎng)軸與Z軸的夾角約為5°。缸套內(nèi)孔頂部橫截面的變形呈四邊形，且四邊形的四個(gè)角與缸蓋螺栓夾角均約為45°。第1道氣環(huán)以上部位由于氣體力的作用而張開，在橫截面35（第2道氣環(huán)頂部）出現(xiàn)上部縮口，在橫截面16出現(xiàn)下部縮口。這是由于這2個(gè)截面都位于剛度劇烈變化的交界處，無法膨脹，故出現(xiàn)相對(duì)內(nèi)縮。工作工況下，方6中最小的內(nèi)切圓直徑均出現(xiàn)在橫截面1，其值為69.86 mm，比公稱直徑小149.5?m。

3.3 氣缸套內(nèi)孔的圓柱度和同軸度分析

通過計(jì)算，方案2中機(jī)體所承受的爆發(fā)壓力比方案1大0.5MPa，使缸蓋螺栓伸長(zhǎng)量略大。傳到氣缸套的氣體壓力減小，氣缸套變形量減小。因此方案2中缸套內(nèi)孔的同軸度、圓柱度均小于1方案1。

通過計(jì)算， 6方案中缸套同軸度由下降到5.06?m，同時(shí)圓柱度增大到44.64?m。查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，尺寸50～80毫米，精度等級(jí)11級(jí)的圓柱度值為31～46?m，所以可知2方案和6方案的圓柱度精度為同一級(jí)。

4 結(jié)論

（1）氣缸套內(nèi)孔的整體變形均呈花瓶狀，缸套內(nèi)孔底部橫截面的變形呈橢圓狀且長(zhǎng)軸與Z軸的夾角約等于5°。頂部橫截面的變形呈四邊形且四邊形的四個(gè)角與缸蓋螺栓之間的夾角均約等于45°。

（2）6方案缸套內(nèi)孔的同軸度較1方案1小15.1%，圓柱度大37.1%。查閱手冊(cè)得到，6方案中缸套內(nèi)孔截面圓度略稍稍增大，但1方案和6方案的圓柱度在同一精度等級(jí)。所以，氣缸套在經(jīng)過曲軸箱優(yōu)化后工況正常。

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作者簡(jiǎn)介：徐一心（1987-），女，助教，研究方向：內(nèi)燃機(jī)有限元分析。