某新型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸磨損分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

溫拾平 陳 婷 王靜楠 鄭朝升 羅劍坤

（1-同濟(jì)大學(xué) 上海 201804 2-江鈴汽車股份有限公司 3-江西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院）

引言

缸體作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，承受拉壓、彎曲等多種形式的機(jī)械負(fù)荷，同時(shí)又因?yàn)闅飧妆诿媾c高溫燃?xì)庵苯咏佑|而承受很高的熱負(fù)荷，因活塞的高速運(yùn)動(dòng)而承受摩擦力[1]。因此，在缸體設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該選用合適的材料，設(shè)計(jì)合適的壁厚，以確保缸體具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以抵御機(jī)械負(fù)荷。其次，缸體應(yīng)具有良好的冷卻效果，在氣缸周圍設(shè)計(jì)合理的冷卻水套，使氣缸周圍的溫度保持在合理的范圍內(nèi)，以抵御高溫燃燒氣體所產(chǎn)生的熱負(fù)荷。最后，需考慮機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷耦合作用對(duì)氣缸產(chǎn)生微變形影響，實(shí)現(xiàn)氣缸與活塞、活塞環(huán)的良好匹配，保證氣缸在使用過程中不出現(xiàn)異常磨損。

通過對(duì)某新型高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸異常磨損問題進(jìn)行分析，鎖定磨損的根本原因，并提出相應(yīng)的改善措施。利用CAE 仿真技術(shù)對(duì)比計(jì)算改善前后氣缸的微變形；通過提高材料耐磨性，實(shí)現(xiàn)氣缸磨損問題的根本性解決。

1 故障確認(rèn)

某新型高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行模擬用戶滿負(fù)荷耐久臺(tái)架試驗(yàn)過程中，運(yùn)行至560～565 h 時(shí)，檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力快速上升，最大功率時(shí)，滿負(fù)荷曲軸箱壓力由正常的負(fù)壓升高至1.5 kPa，竄氣量達(dá)到132.5 L/min，較大幅度超出設(shè)計(jì)要求值。如圖1所示。

圖1 故障發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力-時(shí)間曲線

在臺(tái)架上進(jìn)一步確定發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)，在中低負(fù)荷下，竄氣量均在設(shè)計(jì)要求值內(nèi)；當(dāng)負(fù)荷高于50%時(shí)，竄氣量出現(xiàn)異常增加的情況，直至滿負(fù)荷大幅度超限。

針對(duì)曲軸箱壓力升高、竄氣量超限問題，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)硬件潛在的原因進(jìn)行排查。

1）經(jīng)過檢查及更換新真空泵，排除真空泵潛在失效導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量及曲軸箱壓力異常。

2）針對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)，拆檢噴油器、噴油器銅墊片。噴油器及噴油器銅墊片狀態(tài)正常，無異常竄氣、無碳煙泄露等異?，F(xiàn)象，判斷噴油器及噴油器墊片密封良好。

3）使用內(nèi)窺鏡檢查氣缸，內(nèi)窺鏡顯示發(fā)動(dòng)機(jī)無拉缸，但氣缸內(nèi)存在局部“拋光”現(xiàn)象。

基于內(nèi)窺鏡檢查結(jié)果，對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)做進(jìn)一步拆解分析，以確定問題的根本原因并尋找最終解決方案。拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，各缸主推力側(cè)均存在嚴(yán)重程度不一的局部“拋光”現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸

使用圓度儀復(fù)測故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸圓度，如圖3所示。檢測結(jié)果表明，故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸圓度良好。

圖3 故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸圓度檢測

2 故障再現(xiàn)

為確定曲軸箱壓力、竄氣量異常與氣缸“拋光”之間的關(guān)系，將故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體更換至一臺(tái)正常發(fā)動(dòng)機(jī)上，復(fù)測竄氣量及曲軸箱壓力。測試結(jié)果見表1。

表1 故障發(fā)動(dòng)機(jī)與故障再現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比

表1 的測試結(jié)果顯示，在使用故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后，發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量與故障發(fā)動(dòng)機(jī)接近，明顯高于正常發(fā)動(dòng)機(jī)，高于設(shè)計(jì)要求值。

基于測試結(jié)果，判斷竄氣量大為氣缸局部“拋光”所致?；钊\(yùn)行至“拋光”區(qū)域時(shí)，竄氣量急劇增大，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力異常升高甚至失控，最終在臺(tái)架上表現(xiàn)為曲軸箱壓力異常升高及報(bào)警。

3 原因分析

故障發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸“拋光”區(qū)域主要發(fā)生在各缸的主推力方向，距離缸體頂面40～65 mm；次推力方向雖然也存在類似“拋光”現(xiàn)象，但相較于主推力方向明顯輕微。結(jié)合氣缸的工作邊界及設(shè)計(jì)應(yīng)用條件分析：

1）高的受熱條件。氣缸主要是受到持續(xù)的高溫燃燒氣體沖擊，導(dǎo)致氣缸壁面溫度高。根據(jù)CAE 分析計(jì)算，得到故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水套溫度場分布如圖4所示，故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度場分布如圖5 所示。

圖4 故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體水套溫度場分布

圖5 故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度場分布

在設(shè)計(jì)有冷卻水套的情況下，氣缸壁面最高溫度為193 ℃。在該高溫條件下，材料的耐磨性將出現(xiàn)一定程度的下降，容易在往復(fù)作用力下產(chǎn)生異常磨損。

2）惡劣的潤滑條件?；钊?、活塞環(huán)在氣缸內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要依賴于活塞冷卻噴嘴噴射的機(jī)油進(jìn)行飛濺潤滑。在高溫、高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，潤滑條件較為惡劣。

3）復(fù)雜的受力條件。在冷態(tài)情況下，缸體受到缸蓋螺栓、主軸承蓋螺栓的強(qiáng)大拉力，引起氣缸壁面產(chǎn)生微小形變而失圓；在熱態(tài)工作中，氣缸受到高達(dá)18～20 MPa 的爆發(fā)壓力沖擊作用。特別是在缸體頂面以下40～65 mm 的區(qū)域，受到較大的活塞側(cè)向力作用。在冷態(tài)螺栓預(yù)緊力、熱態(tài)爆發(fā)壓力、活塞側(cè)向力的綜合作用下，氣孔產(chǎn)生微小變形，且在主推力側(cè)尤為明顯。

氣缸在高熱負(fù)荷、惡劣潤滑條件、復(fù)雜受力綜合作用下，產(chǎn)生主推力側(cè)的異常磨損，即“拋光”現(xiàn)象。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)該新型高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸局部“拋光”異常問題，對(duì)氣缸熱負(fù)荷、潤滑條件、受力逐一分析，確認(rèn)是否具備改善措施，并針對(duì)改善措施進(jìn)行CAE 仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到改善效果。

1）降低熱負(fù)荷。該新型發(fā)動(dòng)機(jī)具有高功率、高轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，在高強(qiáng)化的要求下，缸內(nèi)熱負(fù)荷無法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)降低，被動(dòng)措施是增大水泵冷區(qū)液流量，改善發(fā)動(dòng)機(jī)整體冷卻效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸壁面的被動(dòng)降溫。根據(jù)CAE 對(duì)比分析結(jié)果，水泵性能提高10%，氣缸璧面溫度降低至187.4 ℃，降低幅度不明顯。水泵性能提高后，發(fā)動(dòng)機(jī)附件消耗功增加，燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。綜合考慮后，不采用。

2）改善潤滑條件。校對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞冷卻噴嘴流量，流量滿足發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一般使用要求。拆檢試驗(yàn)后，活塞無過熱現(xiàn)象，滿足使用需求。

基于降低該發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷、改善發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑條件比較困難，從降低氣缸的受力變形、提高氣缸的耐磨性入手，研究相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

4.1 減小螺栓預(yù)緊力

如上所述，氣缸主要受到冷態(tài)螺栓預(yù)緊力、熱態(tài)爆發(fā)壓力、活塞側(cè)向力作用。

該發(fā)動(dòng)機(jī)有18 根M10 缸蓋螺栓，其中在排氣主推力側(cè)的M10 缸蓋螺栓根部恰好與異?！皰伖狻眳^(qū)域重疊。為了降低缸蓋螺栓預(yù)緊力對(duì)氣缸微變形的影響，提出適當(dāng)減小主推力側(cè)缸蓋螺栓預(yù)緊力，從而減小主推力側(cè)變形的方案。

將排氣側(cè)螺栓由M10 調(diào)整為M8，且螺栓孔深度適度減小。根據(jù)計(jì)算，排氣側(cè)M8 缸蓋螺栓產(chǎn)生的預(yù)緊力明顯減小。

在相同燃燒邊界、冷卻邊界條件下，CAE 對(duì)比分析優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的氣缸變形量。螺栓調(diào)整前、后氣缸變形量分別如圖6、圖7 所示。圖中，-10、-20、-30、-40、-50、-60、-70、-80、-90、-100 為從氣缸墊開始往下的高度，mm；Design Limit 為氣缸變形量設(shè)計(jì)限值。

圖6 螺栓調(diào)整前氣缸變形量

圖7 螺栓調(diào)整后氣缸變形量

從圖6 可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)前，在“拋光”區(qū)域，3階冷、熱態(tài)氣缸變形量均超出設(shè)計(jì)要求值。

從圖7 可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在“拋光”區(qū)域，氣缸冷、熱態(tài)變形量均減小至設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)（臨界）。

為了更加準(zhǔn)確地獲得螺栓預(yù)緊力減小對(duì)氣缸變形量的影響，取缸體缸蓋實(shí)物進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前、后氣缸變形量對(duì)比測試，如圖8 所示。

圖8 螺栓調(diào)整后氣缸變形量測試

測試結(jié)果表明，缸蓋螺栓由M10 調(diào)整到M8 后，主推力側(cè)氣缸變形量（直線度）由16.5 μm 減小至6.4 μm，減小幅度為61.3%。

依據(jù)CAE 分析結(jié)果及零件實(shí)物的對(duì)比測試結(jié)果，可知螺栓規(guī)格的調(diào)整，將有效減小氣缸的變形量，對(duì)改善氣缸在耐久試驗(yàn)中的局部“拋光”現(xiàn)象有積極作用。經(jīng)過對(duì)螺栓規(guī)格變更后的螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測試，以及對(duì)氣缸墊密封筋進(jìn)行微小調(diào)整，發(fā)現(xiàn)氣缸墊密封性能滿足要求。

4.2 減小活塞環(huán)彈力

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，會(huì)持續(xù)受到活塞及活塞環(huán)的摩擦力作用。要降低活塞環(huán)與氣缸之間的摩擦，有效途徑之一是減小活塞環(huán)的接觸應(yīng)力，具體方法為減小活塞環(huán)彈力。

可通過降低活塞環(huán)的高度來達(dá)到減小活塞環(huán)彈力的目的（活塞環(huán)彈力減小幅度可達(dá)15%），并且可通過對(duì)活塞環(huán)增加特殊減摩、耐磨涂層，來改善活塞環(huán)的耐磨性[2]。

4.3 提高缸體材料耐磨性

該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料為HT300，對(duì)故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行檢測，分析材料中Cu 成分含量較低（0.032%）。進(jìn)一步檢測缸體硬度，檢測結(jié)果見表2。

表2 故障發(fā)動(dòng)機(jī)缸體硬度檢測結(jié)果

從表2 可知，硬度偏低。

研究表明，在灰口鑄鐵材料中增加Cu 元素含量，可有效提高其表面的硬度和耐磨性[3]。將HT300中的Cu 含量增加至0.4%～0.7%后，對(duì)缸體硬度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表3。

從表3 可以看出，材料中Cu 含量增加后，缸體硬度增加。通過測試得出，缸體硬度增加對(duì)缸體的機(jī)加工性能影響在可接受范圍。另外，成本升幅較小。

4.4 缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

在缸蓋螺栓擰緊狀態(tài)下，為了減小因螺栓預(yù)緊力對(duì)氣缸壁面拉伸而產(chǎn)生微變形量，在缸體螺栓底孔外壁面增加加強(qiáng)筋，提高缸體剛度，減小螺栓預(yù)緊力對(duì)氣缸產(chǎn)生的變形量。如圖9 所示。

圖9 缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

為了徹底解決氣缸局部“拋光”問題，同時(shí)采取以上4 個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。然后進(jìn)行3 次模擬用戶滿負(fù)荷臺(tái)架耐久試驗(yàn)、2 次高周疲勞臺(tái)架耐久試驗(yàn)以及12 次整車耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，氣缸狀態(tài)良好，未出現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)前的局部“拋光”問題，如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化設(shè)計(jì)后氣缸狀態(tài)

6 結(jié)論

針對(duì)某新型高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中出現(xiàn)曲軸箱壓力異常升高、竄氣量大的問題，經(jīng)分析和故障再現(xiàn)，確認(rèn)故障原因?yàn)闅飧拙植慨惓Ｄp。通過成分檢測、性能測試、熱機(jī)耦合CAE 對(duì)比分析，確定根本原因?yàn)闅飧自诟叩臒嶝?fù)荷、惡劣的潤滑條件下承受復(fù)雜作用力而出現(xiàn)“拋光”磨損現(xiàn)象。為此，本文提出了調(diào)整螺栓規(guī)格以減小螺栓預(yù)緊力、減小活塞環(huán)彈力、優(yōu)化缸體材料以提高耐磨性、強(qiáng)化缸體局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案實(shí)施后的樣件進(jìn)行了臺(tái)架與整車耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，氣缸狀態(tài)良好，再未出現(xiàn)氣缸“拋光”問題。

國家科研機(jī)構(gòu)要以國家戰(zhàn)略需求為導(dǎo)向，著力解決影響制約國家發(fā)展全局和長遠(yuǎn)利益的重大科技問題，加快建設(shè)原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)。

——習(xí)近平總書記在中國科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國工程院第十五次院士大會(huì)、中國科協(xié)第十次全國代表大會(huì)上的講話