用于模擬珩磨中的仿真缸蓋設計

(長城汽車股份有限公司，河北省汽車工程技術研究中心，保定 071000)

0 引言

為降低發(fā)動機機油耗和活塞漏氣量，提升發(fā)動機性能，需要降低缸孔圓柱度。筆者通過生產使用經驗梳理了仿真缸蓋的設計要點，并應用CAE仿真分析方法對比不同剛性、不同高度、不同結構、不同材料的仿真缸蓋對復裝產品缸蓋的還原效果，為生產使用提供了理論依據。

1 仿真缸蓋與產品缸蓋區(qū)別

1.1 產品氣缸蓋

產品缸蓋是發(fā)動機的關鍵零件之一，主要用于封閉氣缸體上部，與活塞構成燃燒室，并作為發(fā)動機配氣機構中凸輪軸、氣門和進、排氣管的支撐。其承受緊固缸體螺栓及其他發(fā)動機附件的安裝預緊力，承受發(fā)動機工作時的高溫高壓燃氣所施加的機械負荷和熱負荷。為此，其內部需要設置燃燒所需的進、排氣道和降低燃燒后零件升溫所需的冷卻水套及潤滑配氣機構部分零件的潤滑油油道，因此產品氣缸蓋結構復雜。某產品缸蓋如圖1所示。

1.2 仿真缸蓋

仿真缸蓋是缸體加工過程中合裝缸蓋螺栓的載體，屬于生產過程中的一種工裝。其需要設置缸孔加工避讓孔，讓加工刀具從其頂面進入加工缸孔；同時需要考慮其使用的方便性，如周轉、搬運、更換、定位及可追溯。某仿真缸蓋如圖2所示。

圖1 產品缸蓋

圖2 仿真缸蓋

2 仿真缸蓋設計要點

2.1 設置缸孔精鏜或珩磨避讓孔

缸孔精鏜或珩磨的避讓孔孔徑應介于缸孔倒角大徑和氣缸蓋墊片上缸孔密封筋最小直徑之間。避讓孔孔徑設計過大，將造成氣缸蓋墊片缸孔密封筋不能全部覆蓋，造成密封筋在螺栓擰緊后不能完全使缸孔均勻變形，缸孔模擬珩磨不能達到預期效果。

2.2 采用可更換式螺栓座面墊片

仿真缸蓋長期使用后，螺栓接觸面磨損，螺栓擰緊時易產生虛假力矩，影響擰緊效果。更換仿真缸蓋本體成本高，將螺栓接觸面設計為組合裝配形式，采用可更換式螺栓座面墊片來規(guī)避此問題，如圖3所示。

考慮長期使用，更換式螺栓接觸面墊片一般選擇耐磨性材料，硬度較仿真缸蓋螺栓高。墊片上的螺栓孔需要采用R圓弧倒角。若采用尖角過渡，螺栓擰緊后，螺栓法蘭面可能會被銳角劃傷，產生飛邊或毛刺，易掉落入發(fā)動機油腔，造成關鍵運動件摩擦。

2.3 缸蓋定位銷固定形式設計

由于仿真缸蓋重復使用，長期使用后定位銷存在一定程度的磨損，需要定期更換。為此，參考夾具設計將仿真缸蓋上的定位銷設計成可更換式結構，如圖4所示。圖4中的方式1是將定位銷的一側面設計為斜平面，用螺釘壓緊斜平面進行緊固；方式2是將定位銷設計為內螺紋結構，用螺栓緊固。

圖3 可更換式螺栓座面墊片

圖4 定位銷安裝形式

2.4 追溯防錯設計

批量生產中氣缸蓋墊片、仿真缸蓋和缸蓋螺栓(或工藝螺栓)均有使用次數要求，需要記錄。記錄工作量大且復雜，人工實現困難，要求實現自動記錄功能，采用二維碼或FRID芯片方式進行追溯。將氣缸蓋墊片、螺栓集成到仿真缸蓋上，在仿真缸蓋上設置二維碼標牌或安裝芯片。在裝配仿真缸蓋前設置讀取裝置，進行讀取，利用工控網絡實現信息的識別、存儲、查詢和追溯功能。

2.5 多產品兼容及輕量化設計

仿真缸蓋要求使用壽命長、耐磨損、不變形，故其材料一般選型高硬度模具鋼，需經熱處理后使用。

裝配仿真缸蓋時若采用產品螺栓擰緊，同系列不同機型螺栓長度不一致，為實現多機型仿真缸蓋通用性最大化，將仿真缸蓋設計成3層組合式結構，采用螺栓連接。頂層和底層采用模具鋼，不同機型通用，中間層采用其他材料，其厚度尺寸根據不同機型進行設計。

為減輕抽檢過程中搬運強度，頂層和底層的厚度在滿足剛性的前提下盡可能薄，中間層材料采用鋁材質。

2.6 其他設計要求

根據需要，在仿真缸蓋上設計固定更換式螺栓座面墊片的螺栓孔、傳輸仿真缸蓋用的流轉導向孔及機器人自動拆卸固定孔。

3 仿真缸蓋結構形式

鑒于產品缸蓋與仿真缸蓋的使用差異，從仿真缸蓋的結構、材質、剛性、高度等方面，針對某EB機型4缸鑄鋁發(fā)動機缸體，通過CAE模擬裝配分析，對比缸孔不同截面變形，確定最優(yōu)實施方案。合裝缸蓋后缸孔不同深度的截面變化均不一致，為實現量化對比，取涵蓋缸孔全長(130 mm)內活塞運動的關鍵位置進行對比評價，確定最終評價位置(各截面距缸體頂面距離)為：10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、110 mm。

3.1 結構影響

產品缸蓋內部有冷卻液腔和油道，各部位剛性分布有差異。為使仿真缸蓋剛性分布與產品缸蓋剛性分布盡可能保持一致，進行計算機輔助工程(CAE)分析。CAE分析邊界：(1)用產品缸蓋加工出具有缸孔避讓孔的仿真缸蓋(仿真缸蓋1)；(2)用鋁塊直接加工出具有缸孔避讓孔和缸蓋緊固螺栓通孔的仿真缸蓋(仿真缸蓋2),如圖5所示。2種仿真缸蓋的高度均為64 mm。模擬計算結果顯示，仿真缸蓋1對缸體缸孔變形的影響與仿真缸蓋2的比較接近；但2種仿真缸蓋與產品缸蓋對缸孔變形的影響差異大，如圖7所示。原因是2種仿真缸蓋加工出缸孔避讓孔，使整體剛性變弱，且結構無法進行優(yōu)化，造成模擬珩磨不能100%還原缸體裝配產品缸蓋狀態(tài)下的變形。

3.2 材質影響

仿真缸蓋2多次使用后易變形，耐磨損性能差，批量生產使用時更換周期短、采購成本高，故需要選擇高剛性、耐磨損的模具鋼。保持仿真缸蓋2的高度(64 mm)不變，將其設計成分層結構的仿真缸蓋(仿真缸蓋3)，頂層和底層為模具鋼，中間采用鋁材料，其厚度在保證缸蓋剛性的前提下盡可能加厚，如圖6所示。經CAE對比分析，裝配缸體后的仿真缸蓋3缸孔與仿真缸蓋2對缸孔變形的影響趨勢一致，最大差異<0.5 μm，如圖7所示。在保證仿真缸蓋剛性情況下，進一步提升剛性對缸孔變形無明顯改善。

圖5 仿真缸蓋結構

圖6 模具鋼分層仿真缸蓋

3.3 高度影響

不同機型發(fā)動機共線生產，如使用相同仿真缸蓋，就會造成珩磨行程變化而需要改造珩磨設備。為避免現場設備改造投入成本過高，采用降低仿真缸蓋高度+工藝螺栓。為驗證仿真缸蓋高度對缸孔變形的影響，將仿真缸蓋3的高度降低至40 mm，記為仿真缸蓋4。經CAE仿真分析，仿真缸蓋4與仿真缸蓋2和仿真缸蓋3對缸孔變形的影響趨勢一致，如圖7所示，最大變形差異<1 μm。由圖7可見，在保證仿真缸蓋剛性情況下，減少仿真缸蓋高度對缸孔變形影響很小，可忽略不計。

圖7 各仿真缸蓋對缸孔變形影響情況

采用常規(guī)珩磨工藝和模擬珩磨工藝，在EB四缸機型上分別各加工2個缸體并測量驗證。加工完成后分別裝配產品缸蓋，利用圓柱度儀檢測缸孔圓柱度，測量數據如表1所示。

通過分析試驗數據，得出以下結論：

1)采用常規(guī)工藝珩磨(不裝配仿真缸蓋)，珩磨后各缸孔圓柱度均能滿足產品圖紙要求，但裝配產品缸蓋后各缸圓柱度均嚴重超出產品圖紙要求。

2)采用模擬珩磨新技術，各缸孔圓柱度較常規(guī)工藝珩磨裝配產品缸蓋后小約10 μm，缸孔變形量得到了明顯改善,有效地減小了缸孔與活塞環(huán)間的配合間隙。

3)在保證仿真缸蓋剛性條件下，減小仿真缸蓋高度對采用模擬珩磨工藝后的缸孔圓柱度復原效果影響很小。

表1 不同仿真缸蓋及不同珩磨工藝下缸孔圓柱度測量結果 μm

4 結論

1)氣缸蓋螺栓擰緊后缸孔各截面在各方向上產生不規(guī)則的變形，模擬珩磨工藝能有效地減少缸孔受螺栓預緊力的影響。由于仿真缸蓋結構需要有缸孔避讓孔，其剛性比產品缸蓋低，造成缸孔變形不能100%還原。在保證仿真缸蓋剛性前提下，優(yōu)化結構、更改材質、減小高度等對缸孔變形改善效果提升不明顯。

2)缸體裝配產品缸蓋后的缸孔變形作為最終評價依據。通過局部優(yōu)化產品缸蓋結構來提高模擬珩磨還原效果，有待繼續(xù)研究驗證。不同機型的產品缸蓋結構不同，仿真缸蓋設計完成后需進行CAE仿真計算和生產驗證，以確定最終方案。

3)因缸體結構不同、剛性差異，采用模擬珩工藝可能會影響曲軸孔的同軸度。在制定模擬珩磨工藝時，應充分考慮仿真缸蓋安裝工序，并結合自身產品驗證確定仿真缸蓋的安裝工位。