發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔珩磨加工與機(jī)油消耗研究

陳俊儒，段克威

摘要：缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件，其缸孔的質(zhì)量與機(jī)油消耗密切相關(guān)。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗的方式及影響因素，確定缸孔變形是機(jī)油消耗的重要原因。缸孔變形的重要指標(biāo)涉及到缸孔圓度、圓柱度和直線度等，進(jìn)一步分析缸孔圓度的四階變換，找到缸蓋螺栓擰緊是四階變形的主要影響因素。為了使缸體加工后的圓度與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況相匹配，在缸孔珩磨過程增加工藝缸蓋，使其模擬缸體裝配后的擰緊狀態(tài)，有效改善了缸孔珩磨的圓度，最終降低缸孔形變對機(jī)油消耗的影響。

關(guān)鍵詞：缸體；機(jī)油消耗；圓度；傅里葉變形；工藝缸蓋

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，曲軸連桿活塞機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)油經(jīng)過高壓油道，從冷卻噴嘴噴出，對活塞和缸壁進(jìn)行冷卻潤滑，然后回流到油底殼。在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)流動(dòng)過程中，機(jī)油在缸壁和活塞摩擦運(yùn)動(dòng)的表面形成油膜，實(shí)現(xiàn)了液體潤滑，減輕缸壁的磨損，最終通過機(jī)油的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、潤滑、清潔及密封等功能。發(fā)動(dòng)機(jī)一旦正常工作，必然帶動(dòng)內(nèi)部各種運(yùn)動(dòng)摩擦副高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在該過程中機(jī)油會(huì)逐漸減少，出現(xiàn)機(jī)油的正常消耗。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體是機(jī)油循環(huán)的重要部件，本文旨在研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸體珩磨加工與機(jī)油消耗的關(guān)系。

機(jī)油消耗及影響因素

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果在保養(yǎng)周期內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)由于制造缺陷等原因?qū)е聶C(jī)油快速減少，并加劇氣缸磨損，引發(fā)故障報(bào)警，這就是通常所說的“燒機(jī)油”。而正常的機(jī)油消耗，在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程是必須的，這主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。

1.機(jī)油消耗的方式

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程，常見的機(jī)油消耗主要有以下幾種方式。

（1）缸套和活塞潤滑? 活塞在缸孔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，活塞環(huán)及缸套之間具有密封高溫燃?xì)夂蛡鬟f發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒功的功能，因此必須具備良好的潤滑。曲軸將機(jī)油飛濺到發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壁內(nèi)，活塞環(huán)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)將附著在缸套上的機(jī)油刮下，但部分機(jī)油會(huì)附在缸孔內(nèi)壁珩磨溝槽中，參與缸內(nèi)的燃燒而被消耗，這就是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗最大的原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由氣缸內(nèi)壁導(dǎo)致的機(jī)油消耗大約占90%左右。

（2）氣門和氣門導(dǎo)管? 氣門和氣門導(dǎo)管是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的配氣機(jī)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)做功環(huán)節(jié)都要上下運(yùn)動(dòng)4次，所以這部分結(jié)構(gòu)也需要良好的潤滑。在氣門導(dǎo)管部分，雖然有氣門油封的存在，但是在氣門導(dǎo)管上下運(yùn)動(dòng)過程中，也會(huì)有部分機(jī)油進(jìn)入燃燒室，或在油封下部高溫蒸發(fā)參與燃燒或排氣，這就造成了發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的消耗。

（3）曲軸箱通風(fēng)? 發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞在做功沖程，氣缸內(nèi)部的壓力非常高，少部分的油氣會(huì)通過活塞密封環(huán)泄漏到曲軸箱，長時(shí)間活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得泄漏的氣體在曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生高壓。為了不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在曲軸箱內(nèi)增加了曲軸通風(fēng)管。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，部分氣化的液態(tài)機(jī)油，在曲軸箱通風(fēng)管的“呼吸”作用下，就會(huì)排出發(fā)動(dòng)機(jī)，造成機(jī)油的消耗。

（4）其他機(jī)油消耗方式? 此外，目前的發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用渦輪增壓技術(shù)，渦輪增壓的浮動(dòng)軸承也需要良好的機(jī)油潤滑。在渦輪高速高壓的工作過程中，少量的機(jī)油消耗無可避免。

2.影響機(jī)油消耗的主要因素

發(fā)動(dòng)機(jī)的工況、機(jī)油的黏度等都是影響機(jī)油消耗的重要因素，但氣缸壁上的機(jī)油消耗是主要途徑。主要由以下的因素導(dǎo)致：活塞環(huán)處的幾何外形、活塞環(huán)的表面形狀、張力等，而氣缸的變形會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)與缸壁的間隙增大，影響缸壁上油膜的厚度分布。本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的缸孔進(jìn)行分析，從而尋找與機(jī)油消耗的強(qiáng)相關(guān)因素，并予以改善控制。

缸孔變形分析

1.缸孔變形的評價(jià)指標(biāo)

缸孔變形是導(dǎo)致機(jī)油異常消耗的最重要的原因，在缸孔珩磨后的形狀評價(jià)中，主要考察的評價(jià)指標(biāo)有缸孔的圓度、圓柱度和直線度 [2]。

圓度誤差：回轉(zhuǎn)體在某一截面上實(shí)際被測輪廓相對理想圓的變動(dòng)量，圓度誤差的定義如下（見圖1）

Roundness=max（Ri）－min（Ri）? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中? Ri——各被測點(diǎn)到最佳圓心的距離，i=1，2，…，n。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔形狀測量采用專用圓度儀Mahr測量儀，每個(gè)缸孔測量9個(gè)截面評價(jià)圓度，主要的測量評價(jià)圖形如圖2～圖4所示。

2.缸孔變形與機(jī)油消耗

缸孔變形對發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗有極大的影響，缸孔變形大的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于活塞環(huán)不能很好密封，機(jī)油容易竄入燃燒室熱解裂化產(chǎn)生顆粒，機(jī)油的消耗量急劇上升，產(chǎn)生“燒機(jī)油”的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致其顆粒排放不達(dá)標(biāo)。

對某缸孔變形的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析其活塞間隙的變化及其油膜厚度，如圖5所示。

變形缸孔中的活塞環(huán)位置變化及油膜厚度周向分布，其失圓缸套輪廓為C（θ），活塞的原始M位置為R0（θ），兩者的圓心同為O，此時(shí)半徑可分別表示為R和R0，同時(shí)R0也是缸套的設(shè)計(jì)半徑。

缸套徑向變形的數(shù)據(jù)

ΔR=R－R0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

在本身彈性張緊力的作用下，活塞環(huán)在失圓缸套輪廓內(nèi)重新調(diào)整到新的初始平衡位置，活塞環(huán)圓心位置由原來的位置O移動(dòng)到新的位置O′，此時(shí)的活塞環(huán)與缸套輪廓的位置確定了缸套與活塞環(huán)之間油膜厚度周向分布的初始計(jì)算值

Δδ（θ）=C（θ）－r（θ）? ? ? ? ? ? ?（3）

隨后在活塞環(huán)本身張緊力、氣體壓力和油膜壓力產(chǎn)生的支反力共同作用下，活塞環(huán)發(fā)生變形，最終達(dá)到平衡位置r′（θ），此時(shí)活塞環(huán)的變形表述為：

Δr（θ）=r′（θ）－r（θ）? ? ? ? ? ? ? （4）

經(jīng)分析計(jì)算，其變形缸孔中的活塞環(huán)開口間隙如圖6所示。在變形的缸孔中，當(dāng)活塞上行壓縮氣體及膨脹做功，活塞被氣體推動(dòng)下行時(shí)，缸壁上的機(jī)油在活塞環(huán)的剮蹭下，重新回流到曲軸箱體，但是由于缸孔的形變導(dǎo)致缸壁上部分機(jī)油無法完全刮擦掉，殘留在燃燒室內(nèi)部參與了燃燒，最終導(dǎo)致機(jī)油消耗異常。

3.缸孔變形的傅里葉分析

由上述分析，得出缸孔變形是引起機(jī)油異常消耗的主要原因，下面結(jié)合傅里葉級數(shù)對缸孔變形進(jìn)行展開分析 [3]。

缸孔在受到外界載荷作用后，在圓周方向形成了一個(gè)不規(guī)則的圓， 以360°為周期的周期函數(shù)，這樣就可以將它展開為傅里葉級數(shù)，總體變形是由傅里葉展開后不同階次下變形疊加的結(jié)果。傅里葉展開后，得到了第零階同心圓變形，第一階整體偏心變形，第二階橢圓變形，第三階三個(gè)花瓣的變形等，從第二階開始可以將第n階看作是由n個(gè)花瓣構(gòu)成的變形，同時(shí)發(fā)現(xiàn)除第一階為整體的偏心變形外，其余都在原來圓心基礎(chǔ)上作同心變形。缸孔圓度傅里葉變換的物理（幾何）概念如圖7所示。經(jīng)過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)缸孔變形階數(shù)主要和以下因素相關(guān)。

1）變形階數(shù)0、1：由制造公差和裝配公差引起。

2）變形階數(shù)2：由于安裝變形和燃燒膨脹的影響，導(dǎo)致缸孔形狀呈橢圓形。

3）變形階數(shù)3：由加工過程不理想導(dǎo)致。

4）變形階數(shù)4：缸蓋螺栓擰緊力矩過大導(dǎo)致。

缸孔珩磨加工

1.普通珩磨加工

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的加工通常采用珩磨工藝。珩磨是用不同等級顆粒的珩磨條（油石）加工缸孔的一種金屬切削方法。工作時(shí)，安裝于珩磨頭圓周上的一條或多條珩磨條，由漲開機(jī)構(gòu)（有旋轉(zhuǎn)式和推進(jìn)式兩種）將珩磨條沿徑向漲開，使其壓向缸孔孔壁，以便產(chǎn)生一定的面接觸，同時(shí)珩磨頭作旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，缸體不動(dòng)，對缸孔表面材料進(jìn)行切削，去除材料從而滿足缸孔表面的質(zhì)量要求。

2.帶工藝缸蓋珩磨加工

筆者研究的缸體珩磨加工，之前是利用珩磨刀具直接對缸孔進(jìn)行珩磨，成形后的缸孔接近理想的圓形，但是在后期的裝配過程中，由于缸蓋螺栓的擰緊，導(dǎo)致缸孔的變形特別大，活塞在變形的缸孔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞與缸孔配合間隙超過了設(shè)計(jì)值，因此容易導(dǎo)致機(jī)油進(jìn)入燃燒室參與燃燒，造成機(jī)油消耗異常 [4]。

為此，通過改進(jìn)缸體珩磨加工的工藝，在加工過程使用工藝缸蓋進(jìn)行珩磨加工，從而模擬缸體在發(fā)動(dòng)機(jī)擰緊后的工況，確保珩磨后的缸孔圓度接近發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的狀態(tài)，如圖8所示。

3.珩磨加工的四階評價(jià)

缸孔加工后，可以通過Mahr專用圓度儀對缸孔進(jìn)行圓度測量，并對缸孔的4階變形進(jìn)行分析。選取帶工藝缸蓋和不帶工藝缸蓋的缸體進(jìn)行加工，分別對珩磨后的缸孔進(jìn)行圓度測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比，如圖9和圖10所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，帶工藝缸蓋的四階圓度變形均＜4μm，不帶工藝缸蓋的四階圓度變形達(dá)到18μm。

珩磨加工過程引入工藝缸蓋，可以明顯改善缸孔的變形量，最終使缸孔的四階圓度明顯變小，從而有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的機(jī)油消耗。

結(jié)語

本文通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗的途徑，進(jìn)而研究發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的變形對機(jī)油消耗的影響。從理論上分析缸孔圓度傅里葉變換后各階次的影響因素，通過優(yōu)化改進(jìn)珩磨加工方式，改善缸孔的最終質(zhì)量，以此來降低發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的機(jī)油消耗。

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