MAN系列柴油機氣缸蓋座圈錐面角度檢測裝置研究

梁穎杰，黃月，鄭錚毅，王強，張夢東

中國重汽集團杭州發動機有限公司 浙江杭州 311232

1 序言

發動機缸蓋是汽車動力總成中設計最為緊密復雜的箱體零件[1]，主要與缸體以及活塞上表面形成燃燒室，完成柴油燃燒、做功及排氣等全部工作，新鮮空氣與燃燒后產生的廢氣通過進氣門、排氣門與座圈之間的間隙完成進、排動作，氣門座圈內表面通常由3個相連接的錐面組成，3個錐面的角度分別為：進口導向座圈錐面 60°，氣門密封座圈錐面90°，以及氣流內倒角座圈錐面150°[2]。通過控制相鄰錐面上某直徑截圓之間的間距和錐面沿軸線剖面的角度，可以保證錐面對氣體的導流效果[3]，使得進氣時油氣混合充分以及排氣順暢。MAN系列柴油機進氣門錐面角度為120°，通過研發中心的缸蓋氣道渦流比試驗結果可知，缸蓋進氣進口導向座圈錐面 120°角度以及φ36mm寬度尺寸，對缸蓋吸氣滾流比的影響最大，因此如何控制進口導向座圈錐面120°角度的穩定，改善缸蓋在進氣工作時氣流的平順及穩定，保證缸蓋進氣性能一致性，直接影響柴油機運行初期的壓縮比、燃燒狀況、扭矩、有效功率及起動性能等一系列技術性能指標[4]。

2 針對減薄座圈缸蓋檢測存在的問題

MAN系列柴油機缸蓋為四氣門布置結構，缸蓋和氣門座圈局部結構及尺寸如圖1所示。

圖1 缸蓋和氣門座圈局部結構及尺寸

座圈量規檢測尺寸深度3.4mm，直徑36mm，該尺寸為氣門座圈錐面測量基準截面到缸蓋端面的距離。進氣門座圈錐面角度120°，寬度3.13mm，該角度為與進氣門錐面的配合角度，與其一起形成密封面，其配合的緊密程度是實現發動機做功的關鍵，非常重要，需重點檢測。現階段正式量產工藝針對錐面角度采用尼泊丁檢具在線測量，實現對缸蓋高頻次快速測量，檢測頻次為每10件檢測1件，可以提高及時發現缺陷產品的可能性。

針對在國六開發試驗過程中，出現的進氣座圈磨損異常及售后反饋機油耗偏高等問題，設計端對座圈進行了改進，采用減薄座圈結構，進氣座圈錐面寬度從3.13mm減小至2.47mm，共減短了0.66mm，錐面角度120°保持不變。更改后因現有尼泊丁檢具定位點高于座圈錐面而無法準確定位，無法完成錐面角度的測量，需重新設計角度測量檢具，改進后的座圈錐面如圖2所示。

圖2 改進后的座圈錐面

3 檢具設計

檢具整體結構設計：根據上述分析，座圈錐面角度測量檢具設計的整體結構如圖3所示，主要包括百分表、百分表用接頭、表架、杠桿以及底座等。其中X軸、Y軸百分表采用百分表用接頭分別與其對應的表架通過φ4mm定位銷和螺釘固定在測量底座上，X軸方向上通過X軸杠桿，其一端φ2mm圓頭部分與座圈錐面緊密貼合，一端與百分表測頭貼合。根據尺寸測算可知，錐面120°，寬2.47mm尺寸在X軸方向上極限移動距離約為1.24mm（2.47mm×sin30°），考慮到調整間隙以及安裝誤差等，實際移動距離＜1mm，因此設計采用杠桿結構，進行1∶3比例放大，確保X軸方向移動測量距離＞2mm，同時測量杠桿擺動必須靈活。Y軸表架采用垂直布置，測量表頭實時與座圈在量規尺寸線附近接觸，整個測量過程僅存在Y軸方向上下移動。

圖3 座圈錐面角度測量檢具設計的整體結構

檢具整體通過導向桿座與缸蓋導管孔形成間隙配合（φ7H7/g7）來完成定位，以實現檢具在整個Y軸方向測量過程中上下移動時的穩定性及準確性，同時可通過調整螺釘座、導向銷與壓縮彈簧的配合來調整和明確測量的起始位置。

4 檢具操作方法

（1）校零 擰松百分表用接頭，將檢具整體插入標準缸蓋的導管中，通過擰松/預緊調節螺釘上的螺母，使得X軸杠桿φ2mm圓頭部分與座圈錐面最上端接觸，Y軸百分表表頭與座圈在量規尺寸線附近接觸。同時緊固兩個百分表用接頭，確保X軸百分表壓縮2圈以上，Y軸百分表壓縮半圈以上，完成檢具校零工作。

（2）檢測 檢具校零工作完成后，將發動機缸蓋放在平面上，手持檢具，將檢具心軸的定位軸放入導管孔中[5]，使X軸、Y軸百分表分別與杠桿和座圈量規尺寸線附近接觸，同時調整表盤歸零位，在壓縮彈簧的壓縮作用以及導向銷的導向作用下，由上到下移動表架，完成整個錐面的測量動作，記錄兩表的示數，通過公式arctan[X軸百分表示數/（3×Y軸示數）]計算出杠桿座圈錐面角度是否在工藝要求的119.667°～120°。

5 可重復性與再現性（GR&R）測評

使用該檢具，對缸蓋座圈錐面角度進行測量，組織A、B、C三名操作人員分別測量10個缸蓋，每個缸蓋重復測量3次，共計90組數據，測評數據見表1。

表1 可重復性及可再現性數據分析（單位：°）

可重復性及可再現性

式中，R為極差；EV為重復性；為3組數據極差均值的平均；K1為常數，取0.5908；AV為再現性；

根據評測數據分析計算可知：EV＝0.000197，AV＝0.000060，PV＝0.002132，TV＝0.002142，GR&R＝9.61%，測量系統狀況良好。

6 結束語

該專用檢具具有結構簡單緊湊，使用方便可靠等特點，能夠快速、準確地測量出缸蓋氣門座圈錐面角度，提高檢測效率和檢測精度，同時通過對缸蓋座圈錐面角度檢具的設計開發研究，也解決了傳統角度尺無法對座圈錐面進行測量的問題，彌補了在產品開發試制及小批量階段，僅能通過三坐標這種檢驗頻次及效率較低的檢測方式來檢測角度而帶來的質量風險，為后續座圈錐面角度測量的方案設計提供了寶貴經驗。