淺談缸蓋螺栓螺紋孔對缸孔變形量的影響

王有江 趙禮飛

摘 要：文章介紹淺螺紋的缸蓋螺栓孔與深螺紋的缸蓋螺栓孔對缸體缸孔變形量的影響，試驗表明缸體使用深螺紋的缸蓋螺栓孔，可以有效的減小缸孔變形量；文章給出的深螺紋，主要是缸蓋螺栓孔起始點低于缸體水套。

關鍵詞：缸蓋螺栓孔；缸孔；變形量

中圖分類號：TK4231 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0017-02

缸體是發動機的主要零部件之一，缸體的缸孔與活塞、活塞環、缸蓋一起組成燃燒室，并為活塞提供往復運動的場地。研究表明缸孔變形的增加，會造成活塞環與缸孔的貼合度降低，造成燃燒室的燃氣進入曲軸箱導致漏氣量增大，機油容易竄入燃燒室熱解裂化產生顆粒導致機油耗增大，進而影響發動機的排放性能。

本文研究缸體上的缸蓋螺栓孔螺紋起始點深度大小對缸孔變形量的影響。

1 研究方案

淺螺紋的缸體，如圖1所示，缸體上缸蓋螺栓孔鉆深84 mm，攻深起始點距離缸體頂面48.5 mm，螺紋部分位于缸體水套的以上空間范圍內；優化后的缸蓋螺栓孔螺紋深度，如圖2所示，其中鉆深114 mm，攻螺紋起始點距離缸體頂面78.5 mm，螺紋長度不變，螺紋部分位于缸體水套的以下空間。

當缸蓋螺栓孔的螺紋部分位于水套的以上空間時，缸蓋螺栓的軸向力聚集在缸孔上部分（缸孔上部分因為有水套而剛性較弱），導致缸孔變形量大；當增加缸蓋螺栓孔起始點的深度，使螺紋部分位于水套以下，使缸蓋螺栓的軸向力積聚在缸孔下部分（此時缸孔剛性強），缸孔變形量較小。

本文研究的缸蓋螺栓孔與主軸承蓋螺栓孔之間相互連接，使缸蓋螺栓的軸向力能向下傳遞，即可以減小缸蓋螺栓軸向力的集聚，又可以與主軸承缸蓋螺栓軸向力相互抵消，對減小對缸孔變形量有益。

為了對比分析缸蓋螺栓孔螺紋起始點深度對缸孔變形量的影響，以下通過缸體有限元分析和INCOMETER-V200缸孔輪廓測量儀實物測量。

2 有限元分析

分析模型包括缸體、缸蓋、缸蓋螺栓、缸墊、主軸承蓋和主軸承螺栓。使用Hypermesh對模型進行網格劃分，網格均采用四面體二階單元，即C3D10M單元，缸墊部分使用GASKET單元，類型為GK3D12MN。有限元模型，如圖3所示。

缸孔變形量分析主要是考慮在冷機狀態下的裝配載荷，即缸蓋螺栓預緊力和主軸承螺栓預緊力的作用下的變形情況，因此，載荷有缸蓋螺栓預緊力和主軸承螺栓預緊力。此分析中缸蓋螺栓規格為M12×1.25 11.9級，額定預緊力為93 700 N，主軸承螺栓預緊力為76 000 N。另外對于缸孔變形量影響較大的邊界條件為缸墊的特性，缸墊的壓縮特性曲線，如圖4所示。

有限元分析缸體上缸蓋螺栓孔的淺螺紋起始點對缸孔變形量的影響，從距離缸體頂面8.5 ～104.5 mm共7個等截缸孔的變形量，從分析結果可以看出1缸最大變形量20 μm、2缸最大變形量25 μm、3缸最大變形量25 μm、4缸最大變形量25 μm；有限元分析缸體上缸蓋螺栓孔的深螺紋起始點對缸孔變形量的影響，從距離缸體頂面7 ～145 mm共13個等截面缸孔的變形量，從分析結果可以看出1缸最大變形量17 μm、2缸最大變形量10 μm、3缸最大變形量15 μm、4缸最大變形量 5 μm。

從分析的對比可以看出，缸蓋螺栓孔為深螺紋起始點的缸體和淺螺紋起始點的缸體相比，缸孔變形量明顯減小。因此使用深螺紋起始點的缸蓋螺栓孔能夠有效的減小缸孔變形量。

3 試驗驗證

本文試驗采用INCOMETER-V200缸孔輪廓測量儀，設備精度可以達到1.5 μm。利用計算機通過FFT（快速傅立葉離散變換）來計算和分析缸孔的變形量。

傅立葉變換是將時域信號轉化成頻域信號的一個重要的計算手段，這里借用諧波分析來了解缸孔變形的影響因素和對缸孔進行評價。通過傅立葉換算分解缸孔的變形量，將其劃分為各個階次，可以形象地表示，如圖5所示。

分別測量2臺缸體，一臺缸體為圖1所示的缸蓋螺栓孔為淺螺紋，另一臺缸體為圖2所示的缸蓋螺栓孔為深螺紋，測量結果，見表1和表2，分別表示缸體上缸蓋螺栓孔的淺螺紋起始點和深螺紋起始點對缸孔變形量的影響。從表1和表2的對比可以看出，深螺紋起始點的缸體和淺螺紋起始點的缸體相比，缸孔變形量明顯減小。

因此使用深螺紋起始點的缸蓋螺栓孔能夠有效的減小缸孔變形量。

4 結 語

缸蓋螺栓孔螺紋起始點的深度影響缸孔變形量，通過有限元分析和試驗驗證，通過增加缸體上缸蓋螺栓孔的螺紋起始點的深度，使螺紋部分位于水套以下，可以有效的減小缸孔變形量，最終使各階次缸孔變形滿足使用要求。

參考文獻：

[1] 王青川.基于ABAQUS的缸孔變形量計算[J].汽車制造業，2013，（2）.