淺談發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱（機(jī)械式）選配算法

龐漢禮，韋紅玲

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)制造部，廣西柳州545007；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

淺談發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱（機(jī)械式）選配算法

龐漢禮1，韋紅玲2

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)制造部，廣西柳州545007；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

以四缸雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線挺柱選配機(jī)的測量策略和計(jì)算方法，即簡易算法和精確算法。這兩種算法在指導(dǎo)挺柱選配后，均使氣門間隙裝配精度達(dá)到50μm以內(nèi)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率和使用壽命。

挺柱；選配；氣門間隙；裝配精度；發(fā)動(dòng)機(jī)功率

氣門間隙是指發(fā)動(dòng)機(jī)裝配凸輪軸后，在冷態(tài)下凸輪軸的基圓與挺柱之間預(yù)留的間隙。氣門間隙過小，在熱脹冷縮影響下，發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮做功時(shí)出現(xiàn)漏氣損耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量，甚至氣門因燃燒不完全會(huì)大量積炭；氣門間隙過大，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)氣門將不能充分打開，進(jìn)氣和排氣都不徹底，同樣損耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，甚至造成氣門敲擊導(dǎo)致斷裂［1］。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程通過挺柱選配來預(yù)留一定的氣門間隙，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程熱脹冷縮的要求，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配在生產(chǎn)中常用在線測量并建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)。理論研究上，胥康等通過分析缸蓋加工特征對(duì)氣門間隙的影響，在忽略凸輪軸尺寸差異等因素的影響下，利用主成分法和PD神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)合，計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)選配的挺柱厚度［2-4］。本文在四缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了兩種計(jì)算氣門間隙的方法以及測量策略，使發(fā)動(dòng)機(jī)裝配后氣門間隙保持較好的一致性，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程熱脹冷縮的要求。

1　發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配算法

某公司裝配線發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配工藝如圖1所示，首先設(shè)備在線測量缸蓋和凸輪軸尺寸，并用內(nèi)部特定的算法計(jì)算挺柱厚度，以此挺柱的選配，使氣門間隙達(dá)到規(guī)定的公差。但實(shí)際生產(chǎn)中，測量誤差或人為選錯(cuò)挺柱都可能造成氣門間隙的超差。因此裝配工藝要求在裝配凸輪軸后復(fù)檢氣門間隙，控制氣門間隙在規(guī)定的公差內(nèi)：進(jìn)氣（100±25）μm、排氣（270 ±25）μm；若超差進(jìn)入返修環(huán)路進(jìn)行氣門間隙返修。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配工藝

氣門間隙公差小，對(duì)測量精度提出了很高的要求。Marposs挺柱選配機(jī)測量精度達(dá)到公差2 μm范圍內(nèi)，但不同的計(jì)算方法所獲得的選配精度也存在差異。因?yàn)橥馆嗇S與缸蓋軸孔裝配情況復(fù)雜，不確定因素最多。這些不確定因素包含缸蓋凸輪軸孔的截面直徑、各截面孔與其他孔的同軸度信息，以及凸輪軸的同軸度、離心圓最大直徑、表面粗糙度等等。這些不確定因素又存在相關(guān)性，因此讓發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配算法更貼合實(shí)際，應(yīng)充分考慮凸輪軸、缸蓋加工質(zhì)量的多源相關(guān)性［5］。

1.1簡易算法

發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配基本型算法比較簡單，如圖2所示，假設(shè)凸輪軸在任意轉(zhuǎn)角下軸頸總是與缸蓋凸輪軸孔底部母線相切，挺柱厚度T計(jì)算公式為：

其中：A2為氣門桿到發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋凸輪軸孔底部母線的距離；B2為凸輪軸軸頸到基圓底部母線的距離；G為標(biāo)準(zhǔn)氣門間隙值；K為經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償系數(shù)。

圖2　簡易算法氣門裝配尺寸鏈

簡易算法的測量策略相對(duì)簡單，主要思想是忽略掉軸孔配合間隙，假設(shè)凸輪軸軸頸總是與缸蓋上凸輪軸孔相切于底部。如圖3所示，缸蓋測量方法為在氣門桿方向測量A2，凸輪軸測量方法為在氣門桿方向測量B2，于是T=A2-B2-G+K.簡易算法在某公司裝配線應(yīng)用非常廣泛，選配的挺柱總共40個(gè)等級(jí)，一個(gè)等級(jí)內(nèi)厚度變化20 μm，通過這種方法計(jì)算能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱裝配后氣門間隙波動(dòng)在50 μm內(nèi)的FTQ（一次下線合格率）達(dá)到97%左右，基本滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求［6-7］。

圖3　簡易算法凸輪軸和缸蓋測量原理

1.2精確算法

精確算法的主要思想是在凸輪軸裝配后對(duì)每個(gè)軸孔配合間隙進(jìn)行計(jì)算預(yù)測，即通過測量獲取凸輪軸尺寸、同軸度以及缸蓋凸輪軸孔直徑、位置度等相關(guān)加工質(zhì)量信息，確定各因素之間的相互關(guān)系，進(jìn)而預(yù)測凸輪軸在缸蓋凸輪軸孔的具體位置。如圖4所示，定義在氣門桿方向上軸頸母線到凸輪軸孔頂部母線的距離為配合間隙Ec，則挺柱厚度T的計(jì)算公式為：

其中：A1為凸輪軸孔直徑；A2為氣門桿到凸輪軸孔底部母線的距離；B1為凸輪軸頸頂部母線到基圓底部母線的距離；G為標(biāo)準(zhǔn)氣門間隙值；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Ec為軸孔配合間隙，為變量，受軸頸、軸孔直線度等因素影響。

圖4　精確算法的氣門間隙裝配尺寸鏈

1.3設(shè)備測量策略分析

缸蓋凸輪軸孔直徑A1在缸蓋分裝線測量，并將數(shù)據(jù)綁定在缸蓋上，待主線測量設(shè)備讀取。主線設(shè)備測量分為兩部分，一是凸輪軸測量，二是缸蓋凸輪軸孔測量。凸輪軸測量首先以第一和第五軸頸為基準(zhǔn)確定一條虛擬軸線，如圖5所示，當(dāng)氣門桿n對(duì)應(yīng)的凸輪凸桃向上時(shí)，測量該凸輪在氣門桿方向上的軸頸上半徑UJRn，此時(shí)基圓半徑為BCRn，所以B1=UJRn+BCRn；缸蓋測量同理，首先以第一和第五軸孔為基準(zhǔn)確定一條虛擬的中心線，如圖6所示，在氣門桿n方向上，測量DVn和軸孔上半徑UBRn，所以A1+A2=DVn+UBRn.公式T=A1+A2-B1-G+Ec+K可變換成T=DVn+UBRn-（UJRn+BCRn）-G+Ec +K.顯然易見，當(dāng)Ec為0時(shí)，軸頸與軸孔相切于最頂端。根據(jù)軸孔公差計(jì)算，實(shí)際中軸孔配合間隙最大可達(dá)到80 μm（即Ec最大值為80 μm），因此有必要進(jìn)行配合間隙Ec的推算。推算方法可通過計(jì)算軸頸下半徑DJRn與軸孔下半徑DBRn之和的大小判斷凸輪軸具體哪個(gè)軸頸與軸孔底部接觸，進(jìn)而推算其他軸孔配合間隙，最終獲取所需的軸孔配合間隙［8］。

圖5　精確型凸輪軸測量原理

圖6　精確型缸蓋測量原理

2　結(jié)束語

本文介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配的兩種算法：精確算法和簡易算法。精確型算法力求通過更多的測量與換算，實(shí)現(xiàn)對(duì)凸輪軸在缸蓋軸孔真實(shí)位置的預(yù)測，進(jìn)而計(jì)算出精度更高的挺柱厚度。這些附加的測量和換算包括：凸輪軸孔的截面直徑、各截面孔與其他孔的同軸度、凸輪軸的同軸度、軸頸離心圓最大直徑、凸輪軸剛性等等。精確型發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配方法更貼近凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋軸孔配合的實(shí)際情況，計(jì)算精度更高，但所需測量的復(fù)雜性要求設(shè)備測量精度高以及測量誤差小。簡易算法數(shù)學(xué)模型簡單，測量策略容易實(shí)現(xiàn)，選配挺柱后氣門間隙合格率較高，應(yīng)用較廣泛。

［1］郭彥豆，楊勇.氣門間隙大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響［J］.裝備制造技術(shù)，2010，（9）:137-139.

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The Application Of Engine Tappet Matching Algorithm

PANG Han-li1，WEI Hong-ling2
（1.SAIC GM Wuling Automobile Engine Manufacturing Department of Limited by Share Ltd.，Liuzhou Guangxi 545007，China；2.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

This paper takes an engine with four cylinder double overhead camshaft for example，introducing the measurement strategy and calculation method that tappet matching machines use in assembly line，that is simple algorithms and accurate algorithms.These two kinds of algorithm can make assembly precision of valve clearance within 50 microns after finishing tappet matching，in order to improve the engine power and extending service life.

tappet；matching；vale clearance；assembly precision；engine power

TK413.4

B

1672-545X（2016）08-0072-03

2016-05-12

龐漢禮（1990-），男，廣西桂平人，本科，助理工程師，研究方向:發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)。