柴油機(jī)缸套缸筒變形分析

□段志輝 □蔣玉寶 □張得玥 □張 斌 □張?jiān)骑w

中國第一汽車股份有限公司 長春 130011

1 研究背景

目前，為了滿足歐Ⅵ和歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，人們對發(fā)動機(jī)缸蓋鑄鐵材料的力學(xué)性能、物理性能和使用性能提出了更高的要求。當(dāng)前，市場中大排量柴油機(jī)的缸蓋材料主要有兩種：灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵[1]。蠕墨鑄鐵擁有更好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、剛度均優(yōu)于灰鑄鐵，越來越多的高性能發(fā)動機(jī)缸蓋材料開始采用蠕墨鑄鐵[2]。采用蠕墨鑄鐵確實(shí)解決了很多灰鑄鐵缸蓋存在的缺陷，如缸蓋熱疲勞斷裂等，然而更換這種剛度較大的缸蓋材料，對缸套缸筒的變形影響如何，并沒有詳細(xì)的研究記錄。缸筒變形會影響發(fā)動機(jī)的機(jī)油消耗量和下竄氣量，降低發(fā)動機(jī)的使用性能和可靠性。筆者就兩種不同材料——HT250和RT450缸蓋對缸套缸筒變形的影響進(jìn)行分析。

2 裝配狀態(tài)下缸筒變形測量

缸筒的變形測量采用V200型缸筒變形測量系統(tǒng)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。此系統(tǒng)采用接觸式測量方式，精度為±1 μm，可以對變形進(jìn)行傅立葉解析，根據(jù)所求得的傅立葉因數(shù)評價變形情況。傅立葉解析的物理概念[3]如圖2所示。

以某一柴油機(jī)為例，該柴油機(jī)為直列六缸，缸徑為126.5 mm，沖程為166 mm，缸套形式為目前市場中廣泛應(yīng)用的頂置濕缸套，分別測量安裝HT250缸蓋和RT450缸蓋狀態(tài)下的缸筒變形，在距缸體頂面6 mm到距缸體頂面180 mm之間選取21個測量截面，結(jié)果見表1、表2。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 傅立葉解析物理概念

表1 安裝HT250缸蓋測量結(jié)果

表2 安裝RT450缸蓋測量結(jié)果

由表1、表2可知，安裝RT450缸蓋狀態(tài)下，2號、3號、4號、5號缸筒的二階傅立葉因數(shù)測量結(jié)果比HT250缸蓋大，且超出評價限值。

3 變形原因分析

為分析安裝RT450缸蓋狀態(tài)下缸筒變形大的原因，選取2號缸筒的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。2號缸筒各截面的二階傅立葉因數(shù)見表3，變形直觀曲線如圖3所示。

表3 2號缸筒二階傅立葉因數(shù)

圖3 變形直觀曲線

由表3和圖3可以看出，變形主要發(fā)生在距剛體頂面55 mm以下，向下依次增大。缸套和缸體的裝配示意圖如圖4所示。

圖4 缸套和缸體裝配示意圖

缸套軸向采用頂端臺肩定位A，徑向采用頂部凸圓定位B和下部定位C[4]。B、C處均為間隙配合，缸蓋壓緊后，只有缸套頂部受力，且只受軸向力，缸蓋底板通過缸墊對缸套頂端施加力F1。缸體缸孔的受力如圖5所示，缸孔周圍主要受到缸蓋螺栓施加的力F3和缸套施加的力F4，這兩個力由于不在同一直線上，因此會對缸體頂端產(chǎn)生彎矩M，缸體頂端會彎曲變形，使支撐肩降低[5]。

圖5 缸體缸孔受力

如圖6所示，由于缸孔周圍的剛度不一致，兩缸間壁厚較小，剛度較差，施加同樣的螺栓力后，兩缸間變形較大，支撐肩降低較多，缸套被壓緊后會變?yōu)槿鐖D7所示狀態(tài)，缸套本身受到一個彎矩，這個彎矩是缸套變形的根本原因[6]。

由圖3還可以看出，缸套變形在距缸體頂面145 mm處有一個明顯的轉(zhuǎn)折，原因?yàn)?45 mm處為缸套的過渡區(qū)域，缸套底部壁厚變小，由此可以推斷壁厚對缸套的缸筒變形有較大影響[7]。

圖6 缸體結(jié)構(gòu)

圖7 缸套變形示意圖

對比表1、表2的測量結(jié)果，在只改變缸蓋材料的情況下，缸筒變形情況差別很大，由此推斷缸蓋材料對變形有很大影響。

HT250與RT450的力學(xué)性能差異[8]見表4。HT250比RT450硬度小，在缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的前提下，HT250缸蓋具有較小的剛度，抵抗變形的能力較差。當(dāng)缸蓋被壓緊時，會通過缸蓋自身的變形來彌補(bǔ)缸體的變形，這樣會使缸套頂端的彎曲變形減小，有利于控制缸套缸筒的變形。

表4 缸蓋材料力學(xué)性能

4 總結(jié)

缸蓋材料會影響缸套缸筒的變形，影響因素主要是材料的硬度，在缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計相同的前提下，硬度越高，缸筒變形越大，原因?yàn)檩^高的硬度會增大缸套頂端的彎曲[9]。

在發(fā)動機(jī)設(shè)計中，應(yīng)考慮缸蓋材料對缸筒變形的影響，選用蠕墨鑄鐵這種硬度較大的材料時，建議可以通過以下幾點(diǎn)來改善缸筒的變形情況：

（1）采用較小剛度的缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計；

（2）增大缸體兩缸間的剛度，或減小缸體左右方向上的剛度，減小缸孔兩個方向上的剛度差；

（3）增大缸套厚度，考慮到厚度大不利于散熱，可以采用局部厚度增大的缸套結(jié)構(gòu)設(shè)計[10]。

對于筆者舉例的機(jī)型，變形在距缸體頂面55 mm處開始超出限值，如果在50～90 mm處增大缸套的厚度，那么可以有效控制缸套的變形。