(長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定 071000)

0 引言

為降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油耗和活塞漏氣量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能，需要降低缸孔圓柱度。筆者通過生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)梳理了仿真缸蓋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并應(yīng)用CAE仿真分析方法對(duì)比不同剛性、不同高度、不同結(jié)構(gòu)、不同材料的仿真缸蓋對(duì)復(fù)裝產(chǎn)品缸蓋的還原效果，為生產(chǎn)使用提供了理論依據(jù)。

1 仿真缸蓋與產(chǎn)品缸蓋區(qū)別

1.1 產(chǎn)品氣缸蓋

產(chǎn)品缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，主要用于封閉氣缸體上部，與活塞構(gòu)成燃燒室，并作為發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中凸輪軸、氣門和進(jìn)、排氣管的支撐。其承受緊固缸體螺栓及其他發(fā)動(dòng)機(jī)附件的安裝預(yù)緊力，承受發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高溫高壓燃?xì)馑┘拥臋C(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。為此，其內(nèi)部需要設(shè)置燃燒所需的進(jìn)、排氣道和降低燃燒后零件升溫所需的冷卻水套及潤滑配氣機(jī)構(gòu)部分零件的潤滑油油道，因此產(chǎn)品氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜。某產(chǎn)品缸蓋如圖1所示。

1.2 仿真缸蓋

仿真缸蓋是缸體加工過程中合裝缸蓋螺栓的載體，屬于生產(chǎn)過程中的一種工裝。其需要設(shè)置缸孔加工避讓孔，讓加工刀具從其頂面進(jìn)入加工缸孔；同時(shí)需要考慮其使用的方便性，如周轉(zhuǎn)、搬運(yùn)、更換、定位及可追溯。某仿真缸蓋如圖2所示。

圖1 產(chǎn)品缸蓋

圖2 仿真缸蓋

2 仿真缸蓋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)置缸孔精鏜或珩磨避讓孔

缸孔精鏜或珩磨的避讓孔孔徑應(yīng)介于缸孔倒角大徑和氣缸蓋墊片上缸孔密封筋最小直徑之間。避讓孔孔徑設(shè)計(jì)過大，將造成氣缸蓋墊片缸孔密封筋不能全部覆蓋，造成密封筋在螺栓擰緊后不能完全使缸孔均勻變形，缸孔模擬珩磨不能達(dá)到預(yù)期效果。

2.2 采用可更換式螺栓座面墊片

仿真缸蓋長期使用后，螺栓接觸面磨損，螺栓擰緊時(shí)易產(chǎn)生虛假力矩，影響擰緊效果。更換仿真缸蓋本體成本高，將螺栓接觸面設(shè)計(jì)為組合裝配形式，采用可更換式螺栓座面墊片來規(guī)避此問題，如圖3所示。

考慮長期使用，更換式螺栓接觸面墊片一般選擇耐磨性材料，硬度較仿真缸蓋螺栓高。墊片上的螺栓孔需要采用R圓弧倒角。若采用尖角過渡，螺栓擰緊后，螺栓法蘭面可能會(huì)被銳角劃傷，產(chǎn)生飛邊或毛刺，易掉落入發(fā)動(dòng)機(jī)油腔，造成關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)件摩擦。

2.3 缸蓋定位銷固定形式設(shè)計(jì)

由于仿真缸蓋重復(fù)使用，長期使用后定位銷存在一定程度的磨損，需要定期更換。為此，參考夾具設(shè)計(jì)將仿真缸蓋上的定位銷設(shè)計(jì)成可更換式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖4中的方式1是將定位銷的一側(cè)面設(shè)計(jì)為斜平面，用螺釘壓緊斜平面進(jìn)行緊固；方式2是將定位銷設(shè)計(jì)為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，用螺栓緊固。

圖3 可更換式螺栓座面墊片

圖4 定位銷安裝形式

2.4 追溯防錯(cuò)設(shè)計(jì)

批量生產(chǎn)中氣缸蓋墊片、仿真缸蓋和缸蓋螺栓(或工藝螺栓)均有使用次數(shù)要求，需要記錄。記錄工作量大且復(fù)雜，人工實(shí)現(xiàn)困難，要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄功能，采用二維碼或FRID芯片方式進(jìn)行追溯。將氣缸蓋墊片、螺栓集成到仿真缸蓋上，在仿真缸蓋上設(shè)置二維碼標(biāo)牌或安裝芯片。在裝配仿真缸蓋前設(shè)置讀取裝置，進(jìn)行讀取，利用工控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的識(shí)別、存儲(chǔ)、查詢和追溯功能。

2.5 多產(chǎn)品兼容及輕量化設(shè)計(jì)

仿真缸蓋要求使用壽命長、耐磨損、不變形，故其材料一般選型高硬度模具鋼，需經(jīng)熱處理后使用。

裝配仿真缸蓋時(shí)若采用產(chǎn)品螺栓擰緊，同系列不同機(jī)型螺栓長度不一致，為實(shí)現(xiàn)多機(jī)型仿真缸蓋通用性最大化，將仿真缸蓋設(shè)計(jì)成3層組合式結(jié)構(gòu)，采用螺栓連接。頂層和底層采用模具鋼，不同機(jī)型通用，中間層采用其他材料，其厚度尺寸根據(jù)不同機(jī)型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為減輕抽檢過程中搬運(yùn)強(qiáng)度，頂層和底層的厚度在滿足剛性的前提下盡可能薄，中間層材料采用鋁材質(zhì)。

2.6 其他設(shè)計(jì)要求

根據(jù)需要，在仿真缸蓋上設(shè)計(jì)固定更換式螺栓座面墊片的螺栓孔、傳輸仿真缸蓋用的流轉(zhuǎn)導(dǎo)向孔及機(jī)器人自動(dòng)拆卸固定孔。

3 仿真缸蓋結(jié)構(gòu)形式

鑒于產(chǎn)品缸蓋與仿真缸蓋的使用差異，從仿真缸蓋的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、剛性、高度等方面，針對(duì)某EB機(jī)型4缸鑄鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，通過CAE模擬裝配分析，對(duì)比缸孔不同截面變形，確定最優(yōu)實(shí)施方案。合裝缸蓋后缸孔不同深度的截面變化均不一致，為實(shí)現(xiàn)量化對(duì)比，取涵蓋缸孔全長(130 mm)內(nèi)活塞運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵位置進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，確定最終評(píng)價(jià)位置(各截面距缸體頂面距離)為：10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、110 mm。

3.1 結(jié)構(gòu)影響

產(chǎn)品缸蓋內(nèi)部有冷卻液腔和油道，各部位剛性分布有差異。為使仿真缸蓋剛性分布與產(chǎn)品缸蓋剛性分布盡可能保持一致，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析。CAE分析邊界：(1)用產(chǎn)品缸蓋加工出具有缸孔避讓孔的仿真缸蓋(仿真缸蓋1)；(2)用鋁塊直接加工出具有缸孔避讓孔和缸蓋緊固螺栓通孔的仿真缸蓋(仿真缸蓋2),如圖5所示。2種仿真缸蓋的高度均為64 mm。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，仿真缸蓋1對(duì)缸體缸孔變形的影響與仿真缸蓋2的比較接近；但2種仿真缸蓋與產(chǎn)品缸蓋對(duì)缸孔變形的影響差異大，如圖7所示。原因是2種仿真缸蓋加工出缸孔避讓孔，使整體剛性變?nèi)酰医Y(jié)構(gòu)無法進(jìn)行優(yōu)化，造成模擬珩磨不能100%還原缸體裝配產(chǎn)品缸蓋狀態(tài)下的變形。

3.2 材質(zhì)影響

仿真缸蓋2多次使用后易變形，耐磨損性能差，批量生產(chǎn)使用時(shí)更換周期短、采購成本高，故需要選擇高剛性、耐磨損的模具鋼。保持仿真缸蓋2的高度(64 mm)不變，將其設(shè)計(jì)成分層結(jié)構(gòu)的仿真缸蓋(仿真缸蓋3)，頂層和底層為模具鋼，中間采用鋁材料，其厚度在保證缸蓋剛性的前提下盡可能加厚，如圖6所示。經(jīng)CAE對(duì)比分析，裝配缸體后的仿真缸蓋3缸孔與仿真缸蓋2對(duì)缸孔變形的影響趨勢(shì)一致，最大差異<0.5 μm，如圖7所示。在保證仿真缸蓋剛性情況下，進(jìn)一步提升剛性對(duì)缸孔變形無明顯改善。

圖5 仿真缸蓋結(jié)構(gòu)

圖6 模具鋼分層仿真缸蓋

3.3 高度影響

不同機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)共線生產(chǎn)，如使用相同仿真缸蓋，就會(huì)造成珩磨行程變化而需要改造珩磨設(shè)備。為避免現(xiàn)場設(shè)備改造投入成本過高，采用降低仿真缸蓋高度+工藝螺栓。為驗(yàn)證仿真缸蓋高度對(duì)缸孔變形的影響，將仿真缸蓋3的高度降低至40 mm，記為仿真缸蓋4。經(jīng)CAE仿真分析，仿真缸蓋4與仿真缸蓋2和仿真缸蓋3對(duì)缸孔變形的影響趨勢(shì)一致，如圖7所示，最大變形差異<1 μm。由圖7可見，在保證仿真缸蓋剛性情況下，減少仿真缸蓋高度對(duì)缸孔變形影響很小，可忽略不計(jì)。

圖7 各仿真缸蓋對(duì)缸孔變形影響情況

采用常規(guī)珩磨工藝和模擬珩磨工藝，在EB四缸機(jī)型上分別各加工2個(gè)缸體并測量驗(yàn)證。加工完成后分別裝配產(chǎn)品缸蓋，利用圓柱度儀檢測缸孔圓柱度，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

1)采用常規(guī)工藝珩磨(不裝配仿真缸蓋)，珩磨后各缸孔圓柱度均能滿足產(chǎn)品圖紙要求，但裝配產(chǎn)品缸蓋后各缸圓柱度均嚴(yán)重超出產(chǎn)品圖紙要求。

2)采用模擬珩磨新技術(shù)，各缸孔圓柱度較常規(guī)工藝珩磨裝配產(chǎn)品缸蓋后小約10 μm，缸孔變形量得到了明顯改善,有效地減小了缸孔與活塞環(huán)間的配合間隙。

3)在保證仿真缸蓋剛性條件下，減小仿真缸蓋高度對(duì)采用模擬珩磨工藝后的缸孔圓柱度復(fù)原效果影響很小。

表1 不同仿真缸蓋及不同珩磨工藝下缸孔圓柱度測量結(jié)果 μm

4 結(jié)論

1)氣缸蓋螺栓擰緊后缸孔各截面在各方向上產(chǎn)生不規(guī)則的變形，模擬珩磨工藝能有效地減少缸孔受螺栓預(yù)緊力的影響。由于仿真缸蓋結(jié)構(gòu)需要有缸孔避讓孔，其剛性比產(chǎn)品缸蓋低，造成缸孔變形不能100%還原。在保證仿真缸蓋剛性前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)、更改材質(zhì)、減小高度等對(duì)缸孔變形改善效果提升不明顯。

2)缸體裝配產(chǎn)品缸蓋后的缸孔變形作為最終評(píng)價(jià)依據(jù)。通過局部優(yōu)化產(chǎn)品缸蓋結(jié)構(gòu)來提高模擬珩磨還原效果，有待繼續(xù)研究驗(yàn)證。不同機(jī)型的產(chǎn)品缸蓋結(jié)構(gòu)不同，仿真缸蓋設(shè)計(jì)完成后需進(jìn)行CAE仿真計(jì)算和生產(chǎn)驗(yàn)證，以確定最終方案。

3)因缸體結(jié)構(gòu)不同、剛性差異，采用模擬珩工藝可能會(huì)影響曲軸孔的同軸度。在制定模擬珩磨工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮仿真缸蓋安裝工序，并結(jié)合自身產(chǎn)品驗(yàn)證確定仿真缸蓋的安裝工位。