發(fā)動機(jī)氣缸筒變形摩擦分析與降低措施的途徑

楊立平，任小龍，王楠

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

發(fā)動機(jī)氣缸筒變形摩擦分析與降低措施的途徑

楊立平，任小龍，王楠

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

發(fā)動機(jī)的摩擦損失，其原因是氣缸筒的變形所至。而氣缸筒變形的原因主要是加工、溫度和連接緊固力或布置不當(dāng)產(chǎn)生的。文章從產(chǎn)生變形的各種原因出發(fā)，分析由于各種變形對氣缸筒不同部位造成的摩擦形式和影響。根據(jù)分析的結(jié)論提出了相應(yīng)的解決方案和措施，對于采用的措施的效果進(jìn)行了分析。

氣缸筒；變形；摩擦；分析；降低；途徑

KCLC NO.:U472.7Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)03-54-03

前言

發(fā)動機(jī)整個工作過程中，由于摩擦部位多，摩擦副工作環(huán)境惡劣。因此，在現(xiàn)有的條件下，如何降低工作過程中氣缸筒的摩擦，就顯得尤為重要。因氣缸筒的工作環(huán)境是高壓、高溫、高速，所以在其結(jié)構(gòu)、冷卻、潤滑等方面進(jìn)行深入研究，有助于現(xiàn)階段發(fā)動機(jī)效率和壽命的提高。

1、工作過程氣缸筒變形的分析

氣缸在工作過程中的受力、溫度和其他因素的影響，在其結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜。主要體現(xiàn)在多處壁厚都是鑄造工藝所允許的最小值。同時又要考慮保證足夠的強(qiáng)度和剛度，因此，在氣缸體側(cè)壁和前后壁的內(nèi)外表面和各缸之間的橫隔板上要有加強(qiáng)筋。并且設(shè)有主軸承座和縱橫油道，如果是水冷發(fā)動機(jī)，則氣缸壁還需鑄有冷卻水套和布水室以利于散熱。

如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和惡劣的工作條件，發(fā)動機(jī)在工作過程中氣缸筒會出現(xiàn)復(fù)雜變形。

1.1 氣缸筒變形對潤滑油消耗的影響分析

當(dāng)氣缸筒發(fā)生變形后，也就是說圓柱度較標(biāo)準(zhǔn)值發(fā)生改變，則會導(dǎo)致潤滑油量的增加。實(shí)驗(yàn)證明，氣缸筒圓柱度越大其下竄氣量也越多。而竄氣就會將潤滑油一同帶出，影響氣缸筒的潤滑等。同時造成潤滑油的消耗量上升，因此，尋找氣缸筒變形的原因是解決降低工作摩擦的重要環(huán)節(jié)。

1.2 氣缸筒變形原因分析

1.2.1 緊固件布置的影響

在氣缸蓋主軸承座等需要緊固的部位，當(dāng)螺栓受到預(yù)緊力時，氣缸軸向就會產(chǎn)生變形。特別是當(dāng)多個螺栓布置不合理時就直接產(chǎn)生負(fù)載變形。從結(jié)構(gòu)上講，通常情況下，氣缸蓋、飛輪殼、主軸承蓋及水泵等螺栓最容易導(dǎo)致氣缸筒變形。

1.2.2 加工過程中的影響

盡管現(xiàn)代制造技術(shù)很先進(jìn)，通常的圓柱度多為10μm以下。但在裝配后產(chǎn)生的變形時難以預(yù)料，加之制造中產(chǎn)生的范圍以內(nèi)的變形與裝配后產(chǎn)生的變形。二者結(jié)合后產(chǎn)生的誤差造成的變形會更大。

有實(shí)驗(yàn)證明，缸筒實(shí)驗(yàn)前的變形量小于實(shí)驗(yàn)后的缸筒變形量。也就是說通過實(shí)驗(yàn)變形小了（圓柱度提高了），但尺寸明顯變大了。說明發(fā)動機(jī)工作過程中由于溫度升高導(dǎo)致加工殘余應(yīng)力的釋放，而引起缸筒更大的變形。一般變形大的區(qū)域磨損也會較大，不僅會增加摩擦損失，也會帶來嚴(yán)重后果。

1.2.3 工作中的影響

發(fā)動機(jī)在工作過程中，其環(huán)境是惡劣的。即處于高溫、高壓的狀態(tài)，一般發(fā)動機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力為155×105Pa以上，以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的提高缸內(nèi)壓力會越來越大，可在210×105Pa以上的水平，各種負(fù)荷隨之而升。

1.3 氣缸套變形對活塞環(huán)摩擦的影響分析

氣缸在工作過程中，其變形可分為三個階段。即直徑變大、橢圓改變、四邊形變形等，三個階段變形對于摩擦的影響系數(shù)分析可得出如下結(jié)論。第一，從動態(tài)摩擦力實(shí)驗(yàn)分析可看出隨著缸徑的增大，活塞環(huán)的預(yù)應(yīng)力降低而使摩擦力降低；第二，在燃?xì)饬ψ饔孟禄钊h(huán)的背部摩擦力變大。二者綜合起來看，隨著氣缸直徑變大而其他條件不變的情況下，總的摩擦平均壓力降低了。以也就是說，氣缸套由熱產(chǎn)生的變形（缸徑增大），對于活塞組的摩擦損失反而起到了有益的影響作用。

而就氣缸套形成的橢圓變形，隨著變形量的增大平均摩擦的壓力也會提高。在橢圓變形過程中，變形每減小9%，則摩擦的平均壓力會降低1.2%。而橢圓變形量主要與氣缸的溫度分布和冷卻循環(huán)分布有關(guān)。

氣缸套的變形還有一種被稱之為“四邊形”的變形形式。該種變形和氣缸蓋的4條緊固螺栓有關(guān)，實(shí)驗(yàn)證明，減少四邊形的變形可以有效地降低摩擦損失。當(dāng)氣缸套的四邊形變形減少20%時，相應(yīng)的活塞環(huán)組摩擦的平均壓力則降低5%。

2、降低氣缸筒變形的措施途徑

2.1 改善加工工藝與螺栓布置

由于鑄造水平自身造成的缸體水套偏心形成缸筒兩側(cè)不均勻產(chǎn)生了變形；還一種是對于干式缸套（材料為鑄鋁的）因熱應(yīng)力問題，造成發(fā)動機(jī)在工作中產(chǎn)生了應(yīng)力變化使得殘余應(yīng)力變化造成缸筒變形。實(shí)踐證明，通過改善鑄造工藝將可改變鑄造引起的缸筒變形問題。

干式缸套中間變形的控制，可采用預(yù)過盈狀態(tài)的珩磨方法進(jìn)行加工。該方法可以大大降低其變形量。

螺栓布置和預(yù)緊力等引起的缸筒變形是較為復(fù)雜的問題，因此，緊固螺栓數(shù)目和布置是設(shè)計的關(guān)鍵，必須認(rèn)真考慮。為避免由于螺栓布置不合理造成的缸筒變形，在發(fā)動機(jī)設(shè)計過程中應(yīng)遵循的原則是，螺栓布置盡可能的與主軸承螺栓同在一條線上。由于在一條線上，二者之間不會形成力臂而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力；氣缸壁上盡可能的沒有螺栓布置，以減少螺栓緊固時對缸筒產(chǎn)生變形；螺栓布置時盡量對稱；潤滑油孔的幾何中心應(yīng)與壁厚中心一致，以最大限度的減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

目前，干式缸套普遍采用4個缸蓋連接螺栓布置，而濕式缸套經(jīng)常會選擇6到8個連接螺栓緊固。連接螺栓少（4個）造成的不足是，為提高連接強(qiáng)度就應(yīng)該增加螺栓的幾何尺寸，即其直徑、長度等都會加大，其目的是用來增加連接強(qiáng)度。但實(shí)踐證明，盡管如此，對于干式缸套變形還是無明顯改觀。因此，當(dāng)前對于大排量發(fā)動機(jī)，在設(shè)計時通常也是采用6到8個連接螺栓進(jìn)行緊固。

2.2 控制氣缸工作溫度降低摩擦壓力

通過上述分析，不論是橢圓變形還是四邊形變形，都和摩擦壓力有關(guān)。而工作時的摩擦壓力往往又和溫度有關(guān)。

通常情況下，水溫與發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性相關(guān)。也就是說水溫適當(dāng)高可以降低摩擦副的摩擦力，原因是當(dāng)發(fā)動機(jī)整體溫度升高時，潤滑油的粘度將會下降，粘度降低的結(jié)果使各摩擦副的摩擦阻力減少。反之，則活塞和活塞環(huán)與氣缸套之間、氣門與氣門導(dǎo)管之間、曲軸軸頸、機(jī)油泵各部件的摩擦阻力將增加。

2.2.1 發(fā)動機(jī)水溫控制的改進(jìn)

應(yīng)在短時間內(nèi)將水溫上高到最佳的90℃，那么如何完成該項(xiàng)工作是問題的關(guān)鍵所在。具體做法是，冷機(jī)時恒溫器關(guān)閉，讓冷卻水先對氣缸蓋進(jìn)行冷卻，從而氣缸體先得到暖機(jī)（不對其冷卻就相當(dāng)于加熱），同時將機(jī)油溫度調(diào)至適中，其目的是降低摩擦阻力；暖機(jī)狀態(tài)下，打開恒溫器。為防止爆燃，先冷卻氣缸蓋，此時的冷卻水則稍被加熱，同時流向氣缸體，達(dá)到降低摩擦阻力的目的。此項(xiàng)措施是將發(fā)動機(jī)的冷機(jī)狀態(tài)和暖機(jī)狀態(tài)進(jìn)行切換，以達(dá)到控制溫度走向的目的。

2.2.2 安裝水冷隔套

一般情況下，發(fā)動機(jī)燃燒室周圍溫度升高速率最大。通過在氣缸體水冷壁內(nèi)安裝水冷壁隔套（該套是用發(fā)泡橡膠制造具有隔熱作用）的方法，用以控制水流，從而縮小氣缸壁內(nèi)外表面的溫差，而使得氣缸中央部位的溫度升高，氣缸側(cè)壁溫度下降，以達(dá)到降低活塞環(huán)與氣缸壁之間的摩擦力。水冷壁隔套安放位置應(yīng)該在從飛輪方向看的左右兩側(cè)（曲軸軸向方向的兩側(cè)），如圖1所示。

圖1 隔套放入位置和數(shù)目

2.2.3 安裝數(shù)量與過程

發(fā)泡橡膠制成的水冷隔套在被壓縮狀態(tài)下插入到水冷壁里的。當(dāng)冷卻水溫度升高時，由于熱漲而使隔套與氣缸壁外側(cè)接觸。一旦橡膠發(fā)泡與氣缸壁接觸，則就抑制了水冷壁中央部位的水流，大部分水流都流向氣缸上部且水流速也增加了，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)氣缸體上部及周圍溫度降低并可保持低溫。其效果是氣缸壁中央附近不受冷卻水溫度的影響，而導(dǎo)致溫度升高，減少了摩擦損失；另外由于隔套的作用使氣缸壁表面的溫度差相對減少，使得氣缸壁均勻膨脹，也行成了摩擦的均勻性，同樣降低了摩擦損失。

從圖1中可以看出，4缸發(fā)動機(jī)所安裝的隔套位置和數(shù)量。共安裝5塊，其中2、3缸兩側(cè)均安裝，4缸只在靠近駕駛室側(cè)安裝一塊，而1缸未安裝。其原因是：1缸是冷卻水流的前端，散熱均勻良好。4缸在右端部，它的前端和右端散熱良好且均勻。因此，隔套分別放在2、3、4缸的靠近司機(jī)側(cè)，而2、3缸的遠(yuǎn)離司機(jī)側(cè)也分別安裝隔套，如圖1所示。

3、效果分析

通過采用上述措施，發(fā)動機(jī)的磨損情況明顯得到改善。由于加工后氣缸缸蓋螺栓作用而使氣缸缸徑方向的變形量，在采用了可再現(xiàn)氣缸蓋連接狀態(tài)的夾具進(jìn)行加工后，可有效的防止安裝缸蓋時氣缸徑向的變形發(fā)生。從控制變形入手，可提高氣缸圓度，從而降低活塞環(huán)的張緊力，最終可以降低大約28%的摩擦阻力。

通過嚴(yán)格控制變形參數(shù)，即橢圓和四邊形變形量的控制。可以大大降低氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力，使水套周圍的連接螺栓形成的半徑進(jìn)一步合理。使得活塞組的摩擦平均壓力降低了23%左右。

采用溫度控制措施的發(fā)動機(jī)，其燃油的消耗明顯降低，節(jié)約淺能可在5%左右；活塞與氣缸系統(tǒng)的優(yōu)化措施，可使燃油消耗降低1.5%左右。

綜上所述，降低氣缸筒變形是減少摩擦損失的關(guān)鍵所在。而通過分析變形原因最終找到產(chǎn)生變形的部位，是解決問題的重要方法。只有減少了發(fā)動機(jī)的摩擦損失，才會減少燃油的消耗。

[1] 李俊.汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能減排技術(shù).北京理工大學(xué)出版社. 2011.

[2] 劉崢.發(fā)動機(jī)原理 清華大學(xué)出版社.2011 .

[3] 王毓民.實(shí)用汽車潤滑技術(shù)手冊.化學(xué)工業(yè)出版社.2005.

表1

試驗(yàn)持續(xù)五天，根據(jù)五天時間中的數(shù)據(jù)，最多次數(shù)為121次/天，最少為58次/天，平均每天為101次/天。

3、結(jié)束語

本文所提出的系統(tǒng)應(yīng)用于汽車試驗(yàn)、駕駛室翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域，替代人工操作，高效省力，完全符合駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能檢測及耐久性試驗(yàn)?zāi)芰Φ脑O(shè)計要求，同時還可避免因人工操作的不當(dāng)影響試驗(yàn)進(jìn)行。采用此試驗(yàn)臺使試驗(yàn)順利進(jìn)行的前提，在試驗(yàn)前對于系統(tǒng)臺架的連接與操作，一步有錯，則將導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭豹.汽車駕駛室電動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計.《城市建設(shè)理論研究》,2014(11).

[2] 潘習(xí)炎,段奇德,朱碧霞.汽車駕駛室液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計與制造.《汽車科技》,2001,第4期.

[3] 周福庚.輕型載貨汽車駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》,2008,第1期.

[4] 姜帆.駕駛室的液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計.《汽車實(shí)用技術(shù)》,2011,第4期.

[5] 蒲俊,吉家鋒,伊良忠.MATLAB 6.0數(shù)學(xué)手冊[M].上海∶浦東電子出版社,1992.

[6] 王欣,宋正和,秦松祥.載重汽車駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分析.《重型汽車》,2007(2)∶16-17.

Analysis of Friction Caused by the Deformation of the Cylinder of the Engine and the Reducing Measures

Yang Liping, Ren Xiaolong, Wang Nan
( Beijing vocational college of electronic science and technology, Beijing 100176 )

The friction loss of an engine is created by the deformation of the cylinder,which is mainly due to process, temperature, and connection fastening force or improper arrangement. Starting from the various causes of deformation，this article analyzes friction forms and effects of different parts of the cylinder caused by the various deformations. According to the conclusion reached through the analysis, the corresponding solutions and measures are proposed and the effects of the measures adopted are analyzed.

cylinder; deformation; friction; analysis; reduction; ways

U472.7

A

1671-7988(2017)03-54-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.03.021

楊立平，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院。研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動機(jī)技術(shù) 。