發(fā)動(dòng)機(jī)缸套變形研究

王彥輝

阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司， 北京 100000

前言

降低發(fā)動(dòng)機(jī)的各運(yùn)動(dòng)零部件之間的摩擦損失，提高機(jī)械效率，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出性能的一個(gè)重要手段。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞與缸筒之間的摩擦損失在整個(gè)摩擦損失中占有相當(dāng)大的比例。所以通過CAE分析的手段，預(yù)測(cè)缸套在使用時(shí)的變形，并將變形控制在一定的范圍內(nèi)，能夠有效降低摩擦損失，提高缸體及活塞的機(jī)械壽命。

1. 發(fā)動(dòng)機(jī)的主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)本體是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，包括兩大機(jī)構(gòu)和五大系統(tǒng)，兩大機(jī)構(gòu)為曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)，五大系統(tǒng)為、燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等。主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是以缸體、缸蓋為主體結(jié)構(gòu)，通過活塞、連桿、曲軸、飛輪盤等運(yùn)動(dòng)件組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一套結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)形式如下圖。

圖1 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

缸體根據(jù)排列方式的不同，可以分為直列式、V型、對(duì)置式等結(jié)構(gòu)形式，但是不管以何種形式排列，其基本結(jié)構(gòu)都相同。

2. 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體與活塞的配合形式

如上圖所示，活塞在缸體內(nèi)沿著缸套內(nèi)壁的圓柱形軌跡上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且通過活塞環(huán)保證了氣體的密封和套與活塞之間的潤(rùn)滑、熱量傳遞等功能。理想狀態(tài)下，在同一Z向高度上，活塞和外表面和缸套的內(nèi)表面應(yīng)為圓形。實(shí)際在設(shè)計(jì)以及零件加工時(shí)，也是遵照這個(gè)原則。但是在裝配過程中，以及發(fā)動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中高溫高壓氣體的作用，缸套和活塞都會(huì)發(fā)生微小的變形。缸套的變形形式如下圖所示。

3. 發(fā)動(dòng)機(jī)缸套變形的CAE模擬及驗(yàn)證

3.1 缸套變形分析的模型化：

在分析缸套變形時(shí)，要對(duì)單個(gè)氣缸的缸體、缸蓋、汽缸墊、缸蓋螺栓等進(jìn)行離散化處理，所使用的軟件為Hypermesh軟件，上述零件需要做成六面體模型。離散化后的模型如下圖。

圖3 缸蓋、缸墊、缸體及螺栓的有限元模型

3.2 缸套變形分析

螺栓預(yù)緊力的加載：

螺栓的預(yù)緊力為設(shè)計(jì)給定，或者是通過氣體爆發(fā)壓力計(jì)算得到，四根螺栓中，每根螺栓的預(yù)緊力為61KN。在ABAQUS中，定義螺栓的預(yù)緊力有兩種方式，一種是施加螺栓載荷（bolt load），另一種是定義過盈接觸（contact interference）。本次分析是通過定義螺栓載荷來實(shí)現(xiàn)的，制定螺栓的中間位置為受力截面。

接觸的定義：

定義接觸的時(shí)候要設(shè)定“Adjust=位置誤差極限”此誤差極限要大于兩個(gè)接觸面之間的網(wǎng)格距離，否則ABAQUS會(huì)認(rèn)為兩個(gè)面沒有接觸。定義“tie”時(shí)也應(yīng)該設(shè)定position tolerance。接觸定義在哪個(gè)分析步中，要根據(jù)實(shí)際情況，如螺栓左面和螺紋部位的接觸，需要在初始狀態(tài)initial中就設(shè)定，活塞和缸套的接觸就要在后面的計(jì)算步中設(shè)定。

分析控制：

缸體材料設(shè)定

分析結(jié)果：

下圖為分析結(jié)果，從缸體頂面向下50mm范圍內(nèi)變形較大，并且在不同的角度位置，變形的數(shù)值不同，所以可以判定變形后為不規(guī)則的形狀。提取不同截面上的變形前及變形后數(shù)據(jù)的坐標(biāo)，差值運(yùn)算后進(jìn)行傅里葉變換。最終得到不同節(jié)次下的缸套變形。如下圖所示。

圖4 缸套變形圖

圖5 傅里葉變換操作界面

下圖為傅里葉變換后的重要節(jié)次的變形示意圖。(圖6)

4. 結(jié)語

本研究主要是針對(duì)經(jīng)過精密加工后得到的正圓形缸套，經(jīng)過組裝后，發(fā)生了失圓變形的現(xiàn)狀，通過CAE分析的方法，模擬失圓變形的大小，并與實(shí)際的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證CAE分析方法的準(zhǔn)確性。

通過驗(yàn)證可知，此CAE分析方法基本可信，通過上述的分析方法，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證缸套尺寸設(shè)計(jì)的合理性，以及缸蓋螺栓的擰緊深度設(shè)定等問題。提高了設(shè)計(jì)的可靠性，并縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)周期。

圖6 傅里葉變換后接5次識(shí)別示意圖

表1 CAE分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

[1]ABAQUS軟件使用手冊(cè)

[2]Hypermesh軟件使用手冊(cè)