某四氣門單體氣缸蓋頂板的改進設計研究*

辛 花 王艷麗 趙中余 閆 瑋 狄建兵

（中國北方發動機研究所）

1 前言

因復雜的內部結構及嚴酷的工作環境使得氣缸蓋可靠性成為發動機設計中的技術難點[1]，這就對氣缸蓋中每個基本結構提出了很高的可靠性要求。氣缸蓋頂板與底板、側壁共同組成氣缸蓋的基本結構。在工作過程中頂板主要受螺栓預緊力的作用，同時與氣門室罩密封連接，不僅用于支撐配氣機構的安裝和保護配氣機構，還與氣缸蓋底板、側壁共同形成密閉的空腔以封閉氣缸蓋的冷卻液 （除風冷發動機氣缸蓋外）。所以頂板失效會使氣缸蓋冷卻液泄漏進而使發動機不能正常工作。長期以來，柴油機設計研究人員希望能預知柴油機氣缸蓋結構的可靠性，或對氣缸蓋已發生的裂紋等故障有正確的分析結論[2]。本文主要對某發動機四氣門單體氣缸蓋頂板的承載方式、裂紋故障部位、應力分布狀態及結構改進設計進行深入研究，為四氣門單體氣缸蓋頂板的結構可靠性設計提供參考。

2 建模及應力分析

目前常見的發動機氣缸蓋，無論其外部或內部結構如何多變復雜，其基本的拓撲框架結構均可統一簡化為一個封閉的帶有若干互不連通小孔的空心六面體框架結構[1]。所以，氣缸蓋的頂板一般簡化為帶有若干孔系的平板結構。由于本文的研究對象主要是氣缸蓋頂板，在建立簡化模型時，只建立了該氣缸蓋的基本拓撲框架結構模型，如圖1所示。

氣缸蓋頂板常見的一種失效模式是貫穿性裂紋，一般出現在缸體絲對孔之間的區域以及氣門導管孔之間的區域。圖2是該四氣門單體氣缸蓋改進設計前出現在氣門導管孔之間區域的裂紋。

根據氣缸蓋頂板常見的失效部位，氣缸蓋頂板的考察點位置如圖3所示。

由于工作過程中氣缸蓋頂板溫度較低，所以頂板裂紋主要是由循環機械應力引起疲勞失效導致的。為確定機械載荷對頂板應力狀態的影響，分別對氣缸蓋在預緊和爆發工況下進行靜力分析。

在預緊工況下，逐漸提高預緊力的大小，分析其對頂板應力狀態的影響。

在210 kN的預緊工況下，頂板的最大主應力分布云圖如圖4所示。雖然隨著預緊力的變化頂板的最大主應力值會發生變化，但分布趨勢與圖4所示基本一致。考察點最大主應力值隨預緊力大小變化關系如圖5所示。

由圖5可知，隨著螺栓預緊力的增加，氣缸蓋考察點的表面應力變化顯著，基本呈線性關系。

在爆發工況下，預緊力大小確定，改變爆發壓力的大小，分析爆發壓力對頂板應力狀態的影響。

在預緊力為210 kN、爆發壓力為17 MPa的爆發壓力下，頂板的最大主應力云圖如圖6所示。在18 MPa、19 MPa及20 MPa爆發工況下，頂板的最大主應力分布云圖與圖6基本一致。考察點最大主應力值隨爆發壓力變化關系如圖7所示。

由圖7可知，隨著爆發壓力的增加，氣缸蓋頂板考察點最大主應力值的大小隨著爆發壓力的改變變化很小。

綜合分析圖5、圖7發現，氣缸蓋頂板在預緊工況的最大主應力值約占頂板整體應力 （即爆發工況下的應力，因頂板整體應力主要是由預緊力和爆發壓力引起的，而爆發工況既受預緊力又受爆發壓力）的75%～85%；爆發工況下，氣缸蓋頂板最大主應力幅值變化較小，因此動態載荷較小。

3 頂板的改進設計及分析

盡管氣缸蓋結構和受力情況復雜，其機械失效的模式多種多樣，但無論發生何種失效模式，其根本原因都是因為承受的載荷過大。雖然頂板的應力值較低，但如圖2所示危險部位也會經常出現疲勞裂紋。

加強筋在氣缸蓋承載體系中的作用就是有效增加氣缸蓋的結構剛度，改變被加強區域的承載方式。通過增加加強筋或調整加強筋在氣缸蓋中的布置，可以有效增加結構剛度、降低區域的應力集中，這已經被廣泛用于氣缸蓋的結構設計中[1]。根據這一設計理念，在頂板上的缸體絲對孔之間以及常見的失效區域布置加強筋，形成帶加強筋的框架頂板結構形式，如圖8所示。

在與圖4相同的邊界條件和載荷條件下對改進后的頂板進行分析計算，最大主應力分布云圖如圖9所示。

對比分析圖4和圖9可發現，采用帶有加強筋板的框架頂板結構后，頂板的應力分布走向完全改變，整個頂板的高應力區域轉移到了加強筋板上，而且整個頂板本體區域的應力值大幅下降。

4 試驗驗證

為準確掌握帶有加強筋板框架結構形式的氣缸蓋頂板應力分布情況，對改進后的氣缸蓋頂板進行應力測量試驗。氣缸蓋測點的位置分布如圖10所示，電測試驗結果見表1和表2。

表1 預緊工況電測試驗結果

表2 爆發工況電測試驗結果

為能更直觀的表達氣缸蓋頂板測點在預緊工況和爆發工況下的應力值變化規律，任取4點作變化曲線圖，如圖11和圖12所示。

分析表1、表2及圖9發現，氣缸蓋頂板測點位置在安裝過程中產生的應力約占氣缸蓋頂板整體應力值的75%～85%；框架加強筋頂面上主應力方向均沿框架筋板走向分布，即采用框架頂板結構，使整個氣缸蓋的應力都集中在加強筋上，保證了頂板的可靠性；爆發工況時氣缸蓋頂板應力幅值變化較小，因此動態載荷較小。

5 結束語

運用有限元法對某發動機四氣門單體氣缸蓋頂板的承載方式進行分析研究表明，氣缸蓋頂板在預緊工況的應力值約占頂板整體應力的75%～85%。針對高應力區進行頂板優化設計研究發現，采用帶有加強筋板的框架頂板結構形式可以改善并改變頂板的承載方式，提高頂板的可靠性。并通過試驗驗證了分析的準確型，為四氣門單體氣缸蓋頂板的可靠性設計提供了依據。

1 張儒華，左正興，廖日東，等.氣缸蓋中一些關鍵結構的承載機理研究.內燃機學報，2004，3，22.

2 陳山.于懷明.氣缸蓋結構改進設計分析.山東內燃機，2003，4.