考慮溫度影響的缸孔變形量分析

李雷，路明

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

考慮溫度影響的缸孔變形量分析

李雷，路明

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動機缸套的變形對發(fā)動機的機油耗和磨損、竄氣等均有較大的影響，而發(fā)動機缸套在冷態(tài)和熱態(tài)下的變形有很大的差別，文章基于有限元的方法，對某款發(fā)動機進行冷態(tài)以及熱態(tài)下的缸孔變形量分析，結(jié)果表明四階和六階的變形主要由螺栓預緊力引起，而二階、三階及更高階次的變形由溫度影響較大。

缸孔變形；有限元；溫度場

前言

發(fā)動機缸套在受到缸蓋螺栓預緊力、溫度以及爆發(fā)壓力的載荷后會發(fā)生變形，即缸套失圓，而缸套失圓會產(chǎn)生許多問題，特別是增加機油消耗。由于缸套失圓，機油通過活塞環(huán)和缸套間的間隙，在垂直的往復運動過程中滲透至燃燒室，從而增加機油消耗，較高階數(shù)的缸套失圓會致使油膜厚度增大，這樣在很小的缸套失圓量條件下也會使機油產(chǎn)生較高的消耗量，同時也會影響活塞環(huán)的性能。缸套失圓也會引起磨損、引起竄氣等問題。

之前的研究較多關注的是冷態(tài)下的缸孔變形量，即只考慮螺栓預緊力下的缸孔變形，但在發(fā)動機工作中會有溫度以及爆發(fā)壓力的影響，本文基于有限元的方法，對比分析冷態(tài)以及熱態(tài)下的缸孔變形量，研究缸孔變形規(guī)律。

1 熱變形有限元理論

在物理方程中，應變分量中包含彈性應變和溫度改變引起的熱應變兩部分。其中前一部分彈性應變與應力分量有關，即虎克定理，后一部分熱應變與溫度改變有關。由于物體假定為各向同性，熱膨脹不引起任何角位移，因此不存在剪應變和旋轉(zhuǎn)，而正應變在各方向都有相同的數(shù)值，即式（1）。

2 冷態(tài)下的缸孔變形量分析

冷態(tài)工況即只考慮缸蓋螺栓預緊力與缸墊的非線性屬性，不考慮溫度的影響，有限元模型包括缸體、缸蓋、缸墊和缸蓋螺栓，如圖1所示。缸墊的壓波特性如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 缸墊壓波特性

缸孔各截面的變形結(jié)果如圖3所示，各階次的最大變形量如表1所示。從結(jié)果可以看出，最大變形量為四階，發(fā)生在缸孔深度55mm到60mm之間，而二三階的變形并不大，四階和六階的變形明顯有一定的凸起，可見螺栓預緊力對于基數(shù)階次影響較大。而深度50mm到60mm變形量大的原因可能為在此深度之間的缸體剛度較弱，且跟螺紋的深度有關系。

圖3 冷態(tài)下的各階次的變形量

表1 冷態(tài)下的各階次變形情況

3 熱態(tài)下的缸孔變形量分析

熱態(tài)下的變形量需要同時考慮工作狀態(tài)下的溫度影響，一般在全速全負荷工況下的溫度最高，而高溫會導致更大的變形，因此只需要分析全速全負荷工況下的變形，進行溫度分析需要CFD計算提供邊界，主要有燃燒室、進排氣道、缸套以及水套部位的溫度和換熱系數(shù)，然后進行傳熱分析，缸體的溫度分布如圖4所示。

圖4 缸體的溫度分布

熱態(tài)下的缸孔變形情況如圖5所示，各階次的最大變形量如表2所示。可以看出考慮溫度影響后的變形量各階均有較大的變化，其中二階變形增大了八倍，三階也增加了6倍，而四階和六階變形雖然也有一定的增加，但增加的較少，表明溫度主要影響的是二階、三階、五階以及更高的階次，而四階和六階主要是由于螺栓預緊力引起。

圖5 熱態(tài)下的各階缸孔變形情況

表1 熱態(tài)下的各階次變形情況

4 結(jié)論

從冷態(tài)和熱態(tài)下的缸孔變形量對比分析來看，溫度主要影響二階、三階、五階以及更高的階次，而四階和六階變形量主要由螺栓預緊力引起，溫度對這兩階的變形影響較小，研究此規(guī)律可以更好的幫助理解缸孔變形量的影響，也可以從加工等其他手段減小缸孔變形量，從而提升發(fā)動機的機油耗以及排放等性能。

[1] Lawrenci E.Bird and Robert M.Gartside, Measurement of Bore Distortion in a Firing Engine[D], SAE-Paper 2002-01-0485.

[2] 山田好男.氣缸蓋墊片與氣缸孔的變形[D].國外內(nèi)燃機.1994（1）:34~40.

[3] 王書義,吳瑞.12V180ZL柴油機缸套溫度場及熱變形的分析和計算[D],兵工學報（坦克裝甲車分冊）.1988.（4）.4-7.

[4] 熊煥庭,沈偉良.韋讀修等.柴油機氣缸套動態(tài)變形位移的測試與分析[D],廣西大學學報（自然科學版）,1995,20（3）.201-207.

The Cylinder Liner Distortion Analysis Considered the Temperature

Li Lei, Lu Ming
（Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

The cylinder liner distortion will cause more oil consumption, blow-by, and increase the friction. And it is different between the cold engine and warm engine. The cylinder liner distortion will be performed under cold engine and warm engine in this paper based on the finite element method. The result shows that distortion in fourth and sixth order is caused by bolt pre-tightening. And the distortion in second、third and higher order is caused by the temperature.

Cylinder Liner Distortion; Finite element; Temperature field

CLC NO.: U467.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-148-02

U467.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)12-148-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.049

李雷（1989-），男，助理工程師，現(xiàn)就職于安徽江淮汽車集團股份公司技術(shù)中心，主要從事發(fā)動機試驗開發(fā)工作。