某款新型汽油機(jī)鋁缸體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

趙遠(yuǎn)征

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架構(gòu)件，在缸體內(nèi)外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件，為了滿足各個(gè)系統(tǒng)的需求，缸體內(nèi)部還布置有高壓油路、冷卻水套、曲軸箱通風(fēng)孔、回油孔等特征；同時(shí)，缸體在工作時(shí)要承受燃?xì)獾睦旌蛪毫?，還有曲軸和活塞的旋轉(zhuǎn)往復(fù)慣性力，使缸體產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲；另外，由于裝配其他零件的螺栓預(yù)緊力的綜合作用，使缸體產(chǎn)生橫向和縱向的變形，所以缸體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，才能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命需求。

由于國(guó)家的排放法規(guī)和油耗要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)客戶的需求也從基本的代步工具向良好操控性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性等更高層次發(fā)展。而且，由于國(guó)內(nèi)各個(gè)主機(jī)廠的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，低成本和輕量化也是各個(gè)主機(jī)廠要求的重中之重?；谀壳暗拇蟓h(huán)境，缸體的設(shè)計(jì)也順應(yīng)市場(chǎng)做出相應(yīng)的調(diào)整，鋁缸體越來(lái)越受到青睞。為了控制鋁缸體的成本，不斷進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，同時(shí)鑄造工藝也更多地選擇高壓鑄造。由于高壓鑄造生產(chǎn)節(jié)拍較快，對(duì)于產(chǎn)量較高的缸體，可有效降低缸體的單價(jià)成本。本文作者介紹一款1.3 L排量的高壓鑄造鋁缸體，從架構(gòu)設(shè)計(jì)到細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)均進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 缸體架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 缸體的架構(gòu)尺寸

缸體的架構(gòu)尺寸決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的架構(gòu)和尺寸大小，主要架構(gòu)尺寸包含缸孔數(shù)n、缸體直徑D和缸心距P，而缸孔數(shù)、缸體直徑與活塞沖程s又決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的排量。

1.1.1 缸數(shù)n

目前，由于油耗的要求越來(lái)越高、成本要求越來(lái)越低，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體也逐漸由傳統(tǒng)形式上的四缸機(jī)向三缸機(jī)轉(zhuǎn)變。由于缸數(shù)的減少，少了一個(gè)缸的活塞、連桿運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)摩擦副的數(shù)量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失可有效降低，進(jìn)而可以降低油耗；同時(shí)，減少一個(gè)缸，可以減少零件數(shù)量，進(jìn)而可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，并且可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度尺寸。但是三缸機(jī)也有相應(yīng)的弊端，一般來(lái)說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)越多，運(yùn)行越平穩(wěn)。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作過(guò)程分別為進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣，單個(gè)氣缸做功的間隔為曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，也即是720°，見(jiàn)圖1。

所以，三缸機(jī)的做功相位是240°，四缸機(jī)的是180°，六缸機(jī)的是120°，即氣缸缸數(shù)越多，前后做功的間隙越小，運(yùn)行的平穩(wěn)性也就越好。由于三缸機(jī)的做功相位比較大，其運(yùn)轉(zhuǎn)相對(duì)不夠平穩(wěn)，所以需要考慮增加平衡軸來(lái)解決。

1.1.2 缸徑D

文中介紹排量為1.3 L的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，缸數(shù)為3，所以，基于s/D的值，可以計(jì)算出相應(yīng)的缸徑D和活塞沖程s。對(duì)于不同排量，各s/D比值的選擇見(jiàn)圖2。

圖2 缸徑與活塞沖程關(guān)系圖

對(duì)于同等排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，s/D越小，則表明活塞沖程越短，缸徑越大；反之表明沖程越大，缸徑越小。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒排放、熱負(fù)荷及活塞設(shè)計(jì)，最終選擇s/D為1.1的設(shè)計(jì)，即選擇缸徑為80 mm、活塞沖程為88 mm。

1.1.3 缸心距P

缸心距的大小影響著缸蓋的布置、曲軸長(zhǎng)度等，P值越大，則發(fā)動(dòng)機(jī)越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)不緊湊，如圖3所示；但是P值越小，缸體鼻梁區(qū)寬度越小，在同等熱負(fù)荷的情況下，缸體最高溫度也越高，其失效風(fēng)險(xiǎn)也越高。

圖3 缸蓋剖視圖

同時(shí)，P值的選擇也需要考慮鑄造工藝性，尤其是對(duì)于高壓鋁缸體，采用鑄造一體的氣缸套，在缸套厚度一定的情況下，P值越小，則缸套之間的鋁的厚度也就越窄，在高壓鋁缸體的壓鑄過(guò)程中，鋁液流動(dòng)到此處不易填充，出現(xiàn)缸套和鋁的結(jié)合率過(guò)差，其相應(yīng)的結(jié)合力也差，將導(dǎo)致缸套受力下沉、缸體溫度高等問(wèn)題。綜合權(quán)衡，最終P選定為88 mm，即鼻梁區(qū)寬度為8 mm。

1.1.4 曲軸孔偏置

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸軸線與氣缸中心面是重合的，當(dāng)曲軸孔中心偏離氣缸中心面時(shí)，稱之為曲軸偏置。向主推力側(cè)偏移時(shí)稱為正偏置，向次推力側(cè)偏置時(shí)稱為負(fù)偏置。文中采用曲軸孔正偏置，該設(shè)計(jì)可有效減小活塞側(cè)向力，降低活塞與缸壁之間的摩擦，進(jìn)而降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗。通過(guò)圖4所示偏置量與活塞側(cè)向壓力的關(guān)系圖，可以看出偏置量可以有效降低側(cè)向壓力，當(dāng)偏置量超過(guò)10 mm時(shí)，對(duì)于側(cè)向力的貢獻(xiàn)就比較小了，反而會(huì)造成缸體結(jié)構(gòu)過(guò)寬，所以，此款發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸孔偏置量設(shè)定為10 mm。需要注意的是，由于曲軸孔的偏置，會(huì)導(dǎo)致活塞沖程的變化，進(jìn)而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量有輕微影響，需要重新校核發(fā)動(dòng)機(jī)排量。

圖4 偏置量與活塞側(cè)向壓力的關(guān)系圖

但設(shè)計(jì)采用曲軸孔偏置的缸體時(shí)，需要關(guān)注連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡與缸桶底部之間的間隙，如圖5所示，該間隙需要進(jìn)行相關(guān)的尺寸鏈計(jì)算。一般推薦不低于3 mm，如不能滿足要求，則可以考慮縮短缸桶長(zhǎng)度或者在缸桶底部設(shè)計(jì)避讓槽。

圖5 連桿與缸桶間隙

1.2 缸體結(jié)構(gòu)類型選擇

按照曲軸孔位置來(lái)區(qū)分，缸體分為平分式、龍門式和隧道式，見(jiàn)圖6:平分式。曲軸孔中心線與油底殼面平面在同一平面。龍門式。曲軸孔中心線在油底殼平面上部。隧道式。曲軸孔完全處于缸體內(nèi)部。

3種缸體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺對(duì)比，以平分式缸體為基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

圖6 按照曲軸孔位置區(qū)分的缸體結(jié)構(gòu)

表1 缸體結(jié)構(gòu)對(duì)比

其中：“+”表示優(yōu)，“-”表示差。

文中介紹的缸體，立足于低成本開(kāi)發(fā)，所以選定龍門式結(jié)構(gòu)，但是在后續(xù)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意提升結(jié)構(gòu)剛度。

2 細(xì)節(jié)特征布置及設(shè)計(jì)

2.1 缸孔

缸孔，與活塞形成往復(fù)運(yùn)動(dòng)副，在高溫高壓的條件下，活塞在缸孔內(nèi)部作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩者之間的關(guān)系直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)總體熱效率的2%～10%，尤其是在發(fā)動(dòng)機(jī)低速階段，摩擦損失甚至可達(dá)10%，而曲軸活塞系統(tǒng)的摩擦功約占總摩擦功的20%～50%，如圖7所示。所以，降低缸孔與活塞系統(tǒng)的摩擦功，可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗。

缸孔變形量是影響活塞系統(tǒng)摩擦功的重要因素，在進(jìn)行缸孔設(shè)計(jì)時(shí)，需要關(guān)注缸孔的多階變形量。由于此款缸體采用開(kāi)式水套的結(jié)構(gòu)，在主推力側(cè)和次推力側(cè)壁厚沒(méi)有支撐筋，導(dǎo)致進(jìn)排氣側(cè)缸孔剛度較差，致使缸孔多階變形大。為了解決上述問(wèn)題，缸體的缸孔壁厚采用漸變壁厚設(shè)計(jì)，主推力側(cè)和次推力壁厚為10 mm，向缸孔鼻梁區(qū)逐步過(guò)渡到8 mm，如圖8所示。

圖7 摩擦功分布

圖8 壁厚漸變圖

2.2 水套

2.2.1 水套的結(jié)構(gòu)類型

常見(jiàn)水套結(jié)構(gòu)有兩種類型，分別為全開(kāi)式水套和半開(kāi)式水套，如圖9所示。其主要區(qū)別在缸體頂部、缸孔周圍是否有支撐。文中介紹的缸體是采用高壓鑄造的鋁合金缸體，從低成本角度出發(fā)，采用全開(kāi)式水套結(jié)構(gòu)類型，工藝實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)較低。

圖9 常見(jiàn)水套結(jié)構(gòu)

2.2.2 水套底部

水套底部采用波浪形，使冷卻液流向鼻梁區(qū)的上部區(qū)域，有利于降低缸體鼻梁區(qū)的溫度，如圖10所示。另外，為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)慢的問(wèn)題，采用波浪形的水套設(shè)計(jì)，如圖11所示，可以減小水套容積，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)慢的問(wèn)題。

圖10 鼻梁區(qū)示意圖

圖11 波浪形水套示意

2.2.3 水套的布置

為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況、降低缸蓋溫度、提升發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，傳統(tǒng)的冷卻液流動(dòng)方式一般是冷卻液從水泵出來(lái)，先流經(jīng)缸體，再到缸蓋，然后到節(jié)溫器和散熱器等系統(tǒng)。冷卻液在流入缸蓋前是先經(jīng)過(guò)缸體加熱的，造成缸蓋冷卻的效率降低，從而限制了燃燒的速率。而文中的缸體冷卻液流動(dòng)方式為冷卻液從水泵出來(lái)，同時(shí)流入缸體和缸蓋，進(jìn)入缸蓋的冷卻液未經(jīng)過(guò)缸體的加熱，可提高缸蓋的冷卻效果，進(jìn)而可以改善燃燒條件，如圖12所示。

圖12 冷卻液流動(dòng)示意

2.3 鏈輪箱集成設(shè)計(jì)

此款缸體開(kāi)發(fā)采用集成鏈輪箱設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖13。傳統(tǒng)的非鏈輪箱集成設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生“T-joint”，如圖14所示，缸體、缸蓋和前蓋三者結(jié)合處，稱之為“T-joint”。集成式設(shè)計(jì)的目的有兩個(gè)：(1)避免了“T-joint”。由于零件的加工誤差，缸體和缸蓋的側(cè)面不可避免出現(xiàn)臺(tái)階，而導(dǎo)致與前蓋密封不良，造成泄漏，采用鏈輪箱設(shè)計(jì)可以避免區(qū)域，從而從根本上避免該問(wèn)題，如圖15所示。(2)由于非鏈輪箱設(shè)計(jì)的前蓋尺寸較大，需要同時(shí)密封缸蓋和缸體，而前蓋多數(shù)采用壓鑄鋁前蓋，致使前蓋的模態(tài)水平低，輻射聲功率大，對(duì)外輻射噪聲，產(chǎn)生NVH噪聲問(wèn)題。采用鏈輪箱設(shè)計(jì)，使前蓋的尺寸減小，可以改善前蓋的模態(tài)，從而降低NVH噪聲。

圖13 鏈輪箱示意圖

圖14 非鏈輪箱集成設(shè)計(jì)

圖15 鏈輪箱集成設(shè)計(jì)

2.4 平衡軸孔布置

基于《內(nèi)燃機(jī)學(xué)》對(duì)往復(fù)系的慣性力和慣性力矩的分析計(jì)算，三缸機(jī)存在往復(fù)慣性力矩不平衡的特性，如表2[1]所示。

表2 慣性力及慣性力矩

可以看出，由于三缸機(jī)存在往復(fù)慣性力矩不平衡的先天特性，一般如果比較小的話，對(duì)于小排量的車用內(nèi)燃機(jī)是可以忽略的；但是如果排量大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，往復(fù)系統(tǒng)的質(zhì)量也就偏大，則需要考慮增加平衡軸來(lái)平衡往復(fù)慣性力矩。

文中介紹的1.3 L發(fā)動(dòng)機(jī)，由于單缸排量接近0.45 L，并且是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，所以往復(fù)系統(tǒng)的質(zhì)量也相對(duì)較高，因此在缸體設(shè)計(jì)時(shí)需要布置平衡軸，如圖16所示，來(lái)平衡往復(fù)系統(tǒng)的慣性力矩。在布置平衡軸時(shí)，需要考慮主油道位置、連桿琵琶線、周圍零件的空間，同時(shí)也需要關(guān)注鑄造的工藝性問(wèn)題。

圖16 平衡軸示意圖

3 結(jié)論

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)前期設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的架構(gòu)尺寸要權(quán)衡各方面的需求。在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩和最大爆壓壓力的情況下，選擇緊湊型架構(gòu)尺寸。尤其對(duì)于鼻梁區(qū)寬度設(shè)計(jì)，需要關(guān)注其最高溫度是否超過(guò)許用溫度，可以借助CAE 的溫度場(chǎng)分析對(duì)鼻梁區(qū)的溫度進(jìn)行初步判別；

(2)對(duì)于高壓鑄造的鋁缸體，設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免材料集中，并且在前期設(shè)計(jì)時(shí)要求鑄造供應(yīng)商進(jìn)行工藝評(píng)估，在滿足功能需求的同時(shí)，使鑄造工藝最優(yōu)化，降低缸體的料廢；

(3)完成缸體設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行CAE分析校核，對(duì)于不滿足要求的區(qū)域，需要進(jìn)行優(yōu)化和改善。