缸套與機體配合公差對缸套失圓的影響

李 民,賈鐘書,石 魁,肖培賢,陳燁龍

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南省中原內(nèi)配股份有限公司，河南 孟州 454750)

?

缸套與機體配合公差對缸套失圓的影響

李 民1,賈鐘書1,石 魁1,肖培賢2,陳燁龍1

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南省中原內(nèi)配股份有限公司，河南 孟州 454750)

采用有限元模擬和試驗相結(jié)合的方法，研究了在螺栓預(yù)緊力作用下，缸套定位環(huán)帶和機體配合對柴油機缸套失圓變形的影響。建立了包含柴油機機體、缸蓋、氣缸墊、氣缸套和螺栓等的組合體有限元模型，用實測的缸套變形量驗證了有限元建模和計算的準確性。在此基礎(chǔ)上，計算了不同配合公差下缸套失圓量變化情況，研究了缸套與機體定位環(huán)帶配合公差對氣缸套失圓的影響規(guī)律，并通過傅里葉變換的方法對缸套失圓變形進行了階次分析。研究結(jié)果表明：缸套定位環(huán)帶與機體配合公差對缸套的失圓影響顯著，可以通過控制配合公差的方法改善裝配后缸套的失圓變形。

氣缸套；配合公差；預(yù)緊力；失圓

0 引言

氣缸套與缸蓋、活塞和活塞環(huán)等組成內(nèi)燃機的燃燒室，氣缸套失圓后會造成活塞環(huán)密封不嚴、燃氣泄露、潤滑油非正常上竄等嚴重問題[1-4]。

影響缸套失圓的因素很多，其中環(huán)帶配合公差是主要因素之一。文獻[5]提出了干式氣缸套和機體孔的過渡配合影響缸套失圓的問題，并做了相應(yīng)的理論分析。文獻[6]的研究也表明裝配精度是影響氣缸套失圓的一個主要因素。濕式缸套環(huán)帶配合公差對氣缸套的失圓有直接影響，但到目前為止，環(huán)帶配合公差對氣缸套失圓影響的研究還不多見。

1 研究對象

1.1 試驗對象

圖1為氣缸套和機體的裝配體示意圖。該柴油機采用濕式結(jié)構(gòu)氣缸套，氣缸套采用中支承方式，缸套徑向采用上環(huán)帶和機體內(nèi)孔配合定位，配合公差設(shè)計為過渡配合，公差的最大間隙量為0.012 mm、最大過盈量為0.058 mm。

試驗樣品為柴油機的1/4，將發(fā)動機機體、缸蓋和缸墊等部件沿第二氣缸中心線切割，然后將氣缸套、機體、氣缸蓋、氣缸墊和螺栓等進行裝配，試驗樣品有限元模型如圖2所示。

圖1 裝配體示意圖圖2 試驗樣品有限元模型

1.2 有限元建模

1.2.1 有限元模型

為與試驗對象保持一致，有限元模型也為柴油機的1/4。模型中氣缸套采用六面體網(wǎng)格劃分，機體采用四面體網(wǎng)格，氣缸墊、氣缸蓋和螺栓采用五面體網(wǎng)格，有限元模型如圖2所示，有限元模型中各部件的單元、節(jié)點數(shù)目以及材料屬性如表1所示。

表1 有限元模型的單元、節(jié)點數(shù)目和材料屬性

1.2.2 邊界條件

相關(guān)研究表明：螺栓預(yù)緊力是缸套變形的主要影響因素[7-8]。本文僅對氣缸套在缸蓋螺栓預(yù)緊力下的失圓變形進行模擬。該柴油機螺栓預(yù)緊工藝是扭矩法，預(yù)緊力矩為260 Nm，在ABAQUS軟件中，計算時施加的是螺栓軸向力，因此，需要把螺栓扭矩值轉(zhuǎn)化為螺栓軸向力。由經(jīng)驗公式[9]得：F=5T/d≈93 kN，式中：F為螺栓軸向力；T為螺栓預(yù)緊力矩；d為螺栓直徑。

1.2.3 裝配體公差配合

該柴油機缸套上環(huán)帶與機體的配合為過渡配合。為研究配合公差對缸套失圓的影響，選取不同的配合公差進行計算，公差選取見表2。表2中第1組的機體和缸套的配合依據(jù)試驗測量得到，試驗數(shù)據(jù)見圖3，按測量結(jié)果建立了相應(yīng)的有限元模型。

表2 有限元模型中缸套和機體的配合公差 μm

圖3 缸套上環(huán)帶與機體的配合公差的測量值(°)

2 計算結(jié)果與分析

2.1 模型驗證

試驗條件與表2中配合公差的第1種情況一致，在冷態(tài)下，對氣缸套、機體、缸蓋、缸墊和螺栓等組件進行靜態(tài)裝配。測量缸套內(nèi)孔及環(huán)帶外徑、機體缸套孔的儀器為內(nèi)徑千分表和千分尺等輔助工具。在高度方向上依據(jù)氣缸套變形的特點，選取12個有代表性的缸套截面，每個截面在沿圓周方向內(nèi)均勻選取12個點，總計有144個測點。

闌尾炎是多種因素作用下的結(jié)果,病情較為危險且發(fā)病急,需盡快實施手術(shù)治療,以優(yōu)化預(yù)后。但手術(shù)治療的過程中,護理配合也至關(guān)重要。術(shù)前掌握患者病情,以積極的態(tài)度、面帶微笑向患者普及疾病知識,耐心解疑答惑,消除其擔憂和顧慮心理,并在術(shù)前做好相關(guān)準備工作,以確保手術(shù)順利開展[2]。手術(shù)過程中同術(shù)者積極配合,觀察患者各項體征變化,落實各項操作的無菌要求,以免感染。手術(shù)后通過切口護理、體位護理以及預(yù)防并發(fā)癥等護理,避免腸粘連,并促使患者快速恢復。

使用ABAQUS按該機體和缸套的測量值建立了計算模型，提取ABAQUS對應(yīng)點的計算結(jié)果，采用Matlab繪制軟件仿真結(jié)果和實測的缸套直徑變化云圖[10]，如圖4所示。從圖4中可看出：在規(guī)定的螺栓預(yù)緊力(93 kN)下，模擬計算和實測的缸套變形區(qū)域分布和變形量都比較接近。說明有限元計算模型和邊界條件的設(shè)定是合理的。

2.2 配合公差對氣缸套最大失圓量的影響

提取氣缸套最大變形量隨配合公差的變化結(jié)果，如圖5所示(圖5中負值為間隙配合，正值為過盈配合)。從圖5中可看出：當配合公差由-0.012 mm變化到0.005 mm時，缸套的最大收縮量基本不變；當配合公差由0.005 mm到0.058 mm時，最大收縮量幾乎呈直線增大。缸套的最小膨脹量則出現(xiàn)在過盈公差為0.015～0.018 mm；遠離此公差帶，則缸套具有較大的膨脹變形。

圖4 模擬和實測的缸套變形結(jié)果對比

圖5 氣缸套的最大失圓量隨配合公差的變化

綜合考慮缸套的膨脹和收縮兩個因素，當缸套上環(huán)帶與機體為過盈配合(過盈量為0.005～0.020 mm)時，缸套的變形較小。

2.3 不同配合公差下氣缸套的失圓云圖

從全部計算結(jié)果中，選取3組不同配合公差的變形云圖。第2組為間隙配合(配合間隙為0.012 mm)，缸套的膨脹變形最大，結(jié)果見圖6a。第8組為過盈配合(過盈量0.010 mm)，缸套的失收縮變形和膨脹變形均圓量較小，結(jié)果見圖6b。第14組為過盈配合(過盈量0.058 mm)，缸套收縮變形最大，結(jié)果見圖6c。

2.4 不同配合公差下氣缸套的截面變形圖

從圖6可看出：3個圖中最大膨脹變形的位置分別位于距離頂面高度為0 mm、54 mm和54 mm。圖7分別繪制了上述3個位置的截面圖(變形量放大150倍，實線為仿真結(jié)果，虛線為基圓)。

圖6 不同配合公差下氣缸套的失圓云圖(單位：mm)

在圖7中，當環(huán)帶配合間隙量為0.012 mm時，90°位置(機體螺栓孔處，垂直曲軸的方向)出現(xiàn)較大的膨脹變形；當環(huán)帶配合過盈量為0.058 mm時，180°位置(機體螺栓孔中間，鼻梁區(qū)對應(yīng)位置)出現(xiàn)較大的膨脹變形；當環(huán)帶配合過盈量為0.010 mm時，雖然也有一定的膨脹變形，但相對前兩種情況，最大變形量有明顯減小。

2.5 截面失圓的階次分析

采用Matlab對圖7中3個截面的變形進行傅里葉變換，圖8為各階次的失圓變形幅值。

圖7 氣缸套截面的最大徑向變形對比(圓周方向單位：(°))

缸套的0階變形是缸套半徑整體變化。缸套處于裝配狀態(tài)時，沿氣缸中心線主要受上環(huán)帶端面?zhèn)鬟f來的螺栓預(yù)緊力和下支承傳遞的機體作用力，缸套上部徑向主要受機體上環(huán)帶傳遞來的反作用力和缸墊的摩擦力。當機體上環(huán)帶和缸套未接觸時，缸套上部得不到機體的支撐，內(nèi)徑變形量較大；當缸套和機體產(chǎn)生接觸時，缸套上部的剛度得到加強，變形會受到抑制。因此，由圖8可以看出：缸套與機體為間隙配合時，缸套的0階變形最大。

1階變形來自于缸套整體的位移，主要受制造公差和裝配公差影響。當環(huán)帶的配合狀態(tài)由間隙到過盈時，1階變形呈現(xiàn)減小的趨勢；但隨著公差過盈量的增大，1階變形逐漸增大，這表明合適的公差有助于控制1階變形的增大。圖8中，當缸套上環(huán)帶和機體間隙配合時，缸套1階變形幅值較大，表明缸套沿中心軸線的整體偏移較大；隨著機體和缸套上環(huán)帶配合由間隙轉(zhuǎn)為過盈，機體與缸套接觸面積增加，缸套的剛度得到加強，機體的1階變形幅值變小。

圖8中，缸套失圓變形2階、3階均有一定的幅值。這是因為該柴油機每個缸套周圍有6個機體螺栓，在這些螺栓預(yù)緊力的作用下，機體會產(chǎn)生3階變形；由于機體的鼻梁區(qū)域相對比較薄弱，機體還會產(chǎn)生較大的2階變形。當缸套上環(huán)帶和機體有較大的過盈量時，氣缸套的變形受機體的變形影響較大，因此，氣缸套2階變形和3階變形有一定的增加。

圖9給出了奧地利AVL公司提出的缸套變形的評價經(jīng)驗公式，依照公式可以計算出2、3階氣缸套(內(nèi)徑值為114 mm)可以接受的最大變形量分別為28.5 μm和18.2 μm。對比圖8中的變形量可看出：3種配合狀態(tài)下氣缸套2、3階的變形量都滿足要求。從圖5中可看出：選取的配合間隙量為0.012 mm和配合過盈量為0.058 mm兩種情況為所有公差中氣缸套變形量最大的情況，這兩種情況氣缸套的變形都在可接受的范圍之內(nèi)，故其余的各種環(huán)帶公差下，氣缸套的變形量也都在可接受的范圍之內(nèi)。

圖8 傅里葉變換后的變形量圖9 AVL公司氣缸套變形評價公式

3 結(jié)論

(1)以缸套變形指標來評價，該柴油機的配合公差設(shè)定合理，在所有配合公差范圍內(nèi)，氣缸套的變形量都在可以接受的范圍之內(nèi)。

(2)缸套上環(huán)帶與機體的配合公差對氣缸套的失圓有很大的影響，可采用控制配合公差的方法控制缸套的變形量。對該柴油機來說，選擇配合過盈量為0.005～0.020 mm的公差，可以獲得較小的氣缸套變形量。

[1] 余志壯,宋正華,董光能.內(nèi)燃機氣缸套失圓對活塞動壓潤滑和摩擦特性的影響[J].摩擦學學報,2005(3):243-247.

[2] 楊世文,張翼,蘇鐵熊.重載柴油機氣缸套變形分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機工程,2003(2):25-29.

[3] Douglas R M,Steel J A,Reuben R L.A Study of the Tribologi-cal Behaviour of Piston Ring/Cylinder Liner Interaction in Diesel Engines Using Acoustic Emission[J].Tribology International,2006(11):1634-1642.

[4] 劉治軍,熊毅,任鳳章,等.氣缸套用灰鑄鐵等溫淬火后的組織與性能[J].河南科技大學學報:自然科學版,2013,34(3):9-13.

[5] 行心聰,薛德喜.干式發(fā)動機機體孔和氣缸套配合的分析[J].內(nèi)燃機,2009(1):15-16.

[6] 王虎.內(nèi)燃機缸套失圓研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2010:1-4.

[7] 曹茉莉,李德桃.6110型柴油機氣缸套變形有限元計算與分析[J].江蘇理工大學學報:自然科學版,2000(2):5-9.

[8] 馬慶鎮(zhèn),姜樹李,郭晨海.基于有限元法的YZ4DE柴油機氣缸套變形分析研究[J].內(nèi)燃機工程,2008(4):59-62.

[9] 銀增輝.氣缸套疲勞壽命預(yù)測研究[D].洛陽:河南科技大學,2012:26-35.

[10] 王家文.Matlab7.6圖形圖像處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:73-95.

河南省杰出人才創(chuàng)新基金項目(104200510006)

李 民(1969-),男,河南洛陽人,副教授,博士,主要從事現(xiàn)代內(nèi)燃機設(shè)計方法及內(nèi)燃機振動噪聲控制技術(shù)等方面的研究.

2014-06-04

1672-6871(2015)03-0018-05

TK402

A