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增壓發(fā)動(dòng)機(jī)開式水套缸體缸孔變形優(yōu)化的研究

常明明，宿朋，邱繼虎，梁永龍，張堪想，孟祥程，韓玉偉，薛飛

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；

2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

摘要隨著汽車輕量化技術(shù)的逐步發(fā)展，目前大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用鑄鋁缸體。增壓機(jī)型在采用鑄鋁缸體時(shí)，一般會(huì)設(shè)計(jì)為開式水套，以便缸孔頂部能夠獲得更好的冷卻效果來(lái)滿足其高熱負(fù)荷的要求。但由于開式水套的頂部為全開放式結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于懸臂），所以在裝配力、熱負(fù)荷、爆發(fā)壓力、活塞側(cè)向敲擊力等因素共同影響下，容易發(fā)生缸孔變形量大的問題。本文以一款增壓機(jī)型的鑄鋁缸體（開式水套）為例，論證優(yōu)化其缸孔變形量的方法。

關(guān)鍵詞：增壓機(jī)型鑄鋁缸體開式水套缸孔變形優(yōu)化

來(lái)稿日期：2015-04-20

bore deformation, optimization method

1　引言

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度越來(lái)越高，最大爆壓越來(lái)越高，缸體缸孔在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)所受到的沖擊越來(lái)越大，變形也越來(lái)越大。另一方面，為適應(yīng)更高的爆發(fā)壓力，缸蓋的擰緊力矩也越來(lái)越大，這也會(huì)導(dǎo)致缸孔變形更大。同時(shí)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化要求不斷提高，機(jī)體設(shè)計(jì)得越來(lái)越輕，缸孔設(shè)計(jì)得越來(lái)越薄，這些都導(dǎo)致缸孔的變形更易發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致拉缸、竄氣大、燒機(jī)油、缸內(nèi)進(jìn)水，氣缸蓋墊片燒蝕等故障非常多[1]。因此發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，有效控制缸孔變形是十分重要的。所以越來(lái)越多的技術(shù)人員投入到了減少缸孔變形的研究中。

2　缸孔變形的一般規(guī)律

由于缸孔變形比較復(fù)雜，所以可以用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)缸孔變形進(jìn)行分析。

對(duì)于缸體的缸孔在不同高度的各個(gè)截面上的變形，可以用各缸孔中心為極坐標(biāo)的原點(diǎn)，借用級(jí)數(shù)的概念對(duì)其進(jìn)行分析，應(yīng)用快速傅立葉變換（FFT）計(jì)算不同階次下的變形，傅立葉解析數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，

i——階數(shù)；

Ai、Bi——傅立葉系數(shù)；

Umaxi——每階的諧波變形?；

茲i——相位角?。

通過運(yùn)用快速傅立葉級(jí)數(shù)變換，可以得到缸孔各截面在不同階次下的變形；缸孔失圓后的截面幾何形狀表達(dá)式可通過快速傅立葉變換簡(jiǎn)化為各階幾何形狀的疊加[2]。圖1為缸孔變形各階幾何形狀疊加的傅立葉變化物理概念。圓形為缸孔失圓前的幾何形狀，不規(guī)則形狀為缸孔失圓后的截面幾何形狀。表1為傅立葉解析下的缸孔變形及其引起的原因。

圖1　傅立葉變化的物理概念

從圖1可以看出，除1階變形外，Umaxi是各階徑向變形的最大和最小值，而1階變形就是位移變形，可以被連桿側(cè)面間隙或者活塞中心的移動(dòng)包容；0階和2階變形屬于失圓變形中可以被補(bǔ)償?shù)牟糠?，均可被活塞環(huán)的彈性變形所補(bǔ)償或者部分補(bǔ)償；3階及其以上的各階變形補(bǔ)償是十分困難的，必須加以控制[4]。

3　氣缸孔變形改進(jìn)與優(yōu)化

3.1問題描述

為了達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗的目的，某公司決定開發(fā)一款增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)為了大幅度減少發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量，在設(shè)計(jì)初期決定缸體采用鋁缸體（開式水套）。經(jīng)過400 h可靠性試驗(yàn)后，拆機(jī)對(duì)氣缸孔進(jìn)行測(cè)量（測(cè)量方向?yàn)閺母卓醉斆嫦蛳乱来螠y(cè)量，用1~5表示），發(fā)現(xiàn)缸孔圓柱度最大值達(dá)到了81.46滋m，見圖2。測(cè)量結(jié)果表明，氣缸孔變形量偏大，需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

表1　傅立葉解析下的缸孔變形及其原因

圖2　缸孔圓柱度測(cè)量結(jié)果

3.2優(yōu)化方案

依據(jù)可靠性試驗(yàn)后缸孔圓柱度的測(cè)量結(jié)果，對(duì)缸孔變形原因進(jìn)行分析。開式水套的缸體頂部為全開放式的結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于懸臂），缸體的進(jìn)排氣側(cè)為活塞運(yùn)行時(shí)的主、次受力面；同時(shí)在氣體爆發(fā)時(shí)缸體的相鄰兩缸體間橫向（缸體前后端方向）會(huì)相互制約。所以在上述2個(gè)因素的影響下，一般開式水套的缸體缸孔2階變形最為突出，即沿著進(jìn)排氣側(cè)方向的橢圓變形最大。

3.2.1改變水套厚度

依據(jù)水套進(jìn)、排氣兩側(cè)變形大的規(guī)律，決定采用不等壁厚方案，只對(duì)水套進(jìn)排氣側(cè)的壁厚進(jìn)行加厚，由7.78 mm增加到10 mm。這樣既可以避免整體加厚帶來(lái)缸體重量的過分增加，同時(shí)又能達(dá)到缸孔加強(qiáng)的目的，見圖3。

圖3　缸孔橢圓形結(jié)構(gòu)效果圖

針對(duì)不等壁厚的優(yōu)化方案，進(jìn)行了CAE模擬分析，以確認(rèn)其改進(jìn)效果。分析后發(fā)現(xiàn)缸孔變形明顯降低。由于分析時(shí)缸孔截面較多，此處只列舉變形最為嚴(yán)重的缸孔頂面往下10 mm處的截面位置。分析結(jié)果詳見圖4，圖中橫坐標(biāo)為測(cè)量角度（0毅為缸體后端方向，90毅為排氣側(cè)方向，180毅為前端方向，270毅為進(jìn)氣側(cè)方向），縱坐標(biāo)為缸孔變形量[3]。

3.2.2調(diào)整水套深度

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，活塞的第一道氣環(huán)主要起到密封燃?xì)獾淖饔?，所以?dāng)活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)，第一道環(huán)以上位置的溫度會(huì)比較高；當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，氣體膨脹做功基本結(jié)束，內(nèi)能大部分轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能，所以溫度會(huì)大幅度降低，此時(shí)第一道環(huán)以下的缸孔就可以無(wú)需過多地冷卻，這樣水套的深度（H）和發(fā)動(dòng)機(jī)的行程（S）就會(huì)有一個(gè)比值的關(guān)系[5]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般開式水套的比值H/S=0.6~0.8。依據(jù)H/S的關(guān)系，適當(dāng)減少水套深度，由85 mm變更到65 mm，方案詳見圖5。

3.2.3加寬鼻梁區(qū)寬度

圖4　不等壁厚方案缸孔變形CAE分析結(jié)果

圖5　水套深度更改前后對(duì)比

相鄰兩缸之間的鼻梁區(qū)增加寬度為1.2 mm、深度為6 mm的過水槽。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，兩缸之間的鼻梁區(qū)溫度最高，因此缸孔變形也最為明顯。通過在此部位增加過水槽可以有效降低鼻梁區(qū)的溫度，從而減小缸孔變形。過水槽的寬度結(jié)合缸蓋墊片共同確定，深度一般為活塞在上止點(diǎn)時(shí)第一環(huán)所在位置，具體方案見圖6。

圖6　過水槽改進(jìn)方案

針對(duì)過水槽方案，進(jìn)行CAE模擬分析，以確認(rèn)其改進(jìn)效果，計(jì)算結(jié)果見圖7和圖8；其中圖8坐標(biāo)系與圖4相同。由此可見，鼻梁區(qū)位置最高溫度降低了14℃，缸孔變形量也明顯降低，改進(jìn)方案取得了預(yù)期效果。

圖7　改善前后鼻梁區(qū)溫度對(duì)比

圖8　過水槽方案缸孔變形CAE分析結(jié)果

3.2.4減小鼻梁區(qū)流通面積

減小鼻梁區(qū)冷卻液的流通面積，增加此部位冷卻液的流動(dòng)速度，提高鼻梁區(qū)的冷卻效果，從而達(dá)到降低鼻梁區(qū)的溫度，減小缸孔變形的目的。此方案原理與過水槽方案類似，參見圖9。

圖9　減小鼻梁區(qū)冷卻液的流通面積

3.2.5增加缸體前端頂板厚度

將缸體前端頂板的厚度由5 mm增加至11 mm。開式水套機(jī)型的水套外壁強(qiáng)度也很關(guān)鍵。如果強(qiáng)度不足，在氣缸墊壓力等裝配應(yīng)力的影響下會(huì)造成微觀上的壓潰，這樣裝配應(yīng)力直接就作用在缸孔上，會(huì)導(dǎo)致缸孔變形大。頂板加厚就是為了增強(qiáng)水套外圍的強(qiáng)度；如果空間有限也可以通過布筋的方法進(jìn)行改善，具體方案見圖10。

圖10　增加頂板厚度

3.2.6缸體毛坯進(jìn)行時(shí)效處理

缸體鑄造時(shí)會(huì)產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，如果不提前進(jìn)行熱處理，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，缸體受熱，鑄造內(nèi)應(yīng)力釋放也會(huì)導(dǎo)致缸孔變形?？梢酝ㄟ^熱處理的方法，將鑄造內(nèi)應(yīng)力事先釋放，然后再對(duì)缸體進(jìn)行加工，這樣就可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)缸孔的變形量。但熱處理時(shí)要注意控制溫度，可以選擇200℃~300℃之間。因?yàn)檫@樣的溫度更接近發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)缸體壁面的最高溫度。在熱處理過程中一定要注意避免溫度過高，使缸體鑄造表面產(chǎn)生氣孔，或者影響缸體的機(jī)械性能，具體熱處理工藝見圖11。

圖11　熱處理工藝

3.3優(yōu)化后效果

對(duì)優(yōu)化后的缸體進(jìn)行裝機(jī)，并進(jìn)行400 h可靠性試驗(yàn)。拆機(jī)對(duì)缸孔進(jìn)行測(cè)量，缸孔圓柱度最大值為36.30滋m，較原狀態(tài)最大值81.46滋m降低了55.4%，改善效果明顯，見圖12。

4　總結(jié)

圖12　優(yōu)化后缸套圓柱度測(cè)量結(jié)果

一般開式水套缸體的缸孔2階變形最為突出（沿著進(jìn)排氣側(cè)方向的橢圓變形）。通過采用不等壁厚方案（進(jìn)排氣側(cè)加厚）、水套深度改淺、相鄰兩缸之間的鼻梁區(qū)增加過水槽、減小鼻梁區(qū)冷卻液的流通面積、增加缸體頂板厚度、對(duì)缸體毛坯進(jìn)行熱處理等方法可以有效降低其缸孔的變形量。

參考文獻(xiàn)

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結(jié)合催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)，確定計(jì)算邊界條件。通過與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，校驗(yàn)了該一維計(jì)算模型的可行性，并計(jì)算分析了不同氨過量系數(shù)、排氣溫度及空速等對(duì)催化器轉(zhuǎn)化效率的影響，可作為催化器選型匹配參考，得出以下結(jié)論。

Research on Optimization of Cylinder Bore Deformation in Open Water

Jacket Cylinder Block of Turbocharged Engine

Chang Mingming, Su Peng, Qiu Jihu, Liang Yonglong, Zhang Kanxiang,

Meng Xiangcheng, Han Yuwei, Xue Fei

（1. Technical Center, Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000, China;

2. Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center, Baoding 071000, China）

Abstract:With the development of automotive lightweight technology, cast-aluminum cylinder block is used in most of engines at present. An open water jacket is applied to the cast-aluminum cylinder block in order to gain better cooling performance and to meet the requirement of high thermal load. The cylinder bore deformation is liable to occur because of the top open structure under the influence of assembly force, thermal load, boosting pressure and piston side knock. This paper takes a cast-aluminum cylinder block (open water jacket) as an example to demonstrate the methods of optimization of cylinder bore deformation.

Key words:turbocharged engine, cast aluminum cylinder block, open water jacket, cylinder

作者簡(jiǎn)介：常明明(1987-)，男，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.008