戎萬(wàn)清

摘要：本文采用對(duì)氣缸套的壓潰試驗(yàn)進(jìn)行仿真的方法，研究了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)氣缸套退刀槽強(qiáng)度的影響因素和改善趨勢(shì)。

0 ?引言

濕式氣缸套從退刀槽部位環(huán)向斷裂，是氣缸套常見(jiàn)破壞形式之一，俗稱“斷頭”。氣缸套一旦發(fā)生“斷頭”，往往造成嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)事故，甚至導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)完全報(bào)廢（見(jiàn)圖1，圖2）。

為了不至“斷頭”，需要保證氣缸套退刀槽部位有足夠的強(qiáng)度。那么，在氣缸套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，有哪些因素對(duì)退刀槽強(qiáng)度有較大影響呢？

近些年來(lái)，采用壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)氣缸套作壓潰試驗(yàn)已成為測(cè)試氣缸套退刀槽強(qiáng)度常用的測(cè)量手段。很自然地我們可以想到，采用壓潰試驗(yàn)可以比較同一缸套的不同設(shè)計(jì)方案對(duì)退刀槽強(qiáng)度的影響。但壓潰試驗(yàn)受材料強(qiáng)度、加工精度、試驗(yàn)操作等多個(gè)因素影響，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的不穩(wěn)定，因此使用CAE軟件，仿真氣缸套的壓潰試驗(yàn)，可以更方便地比較不同設(shè)計(jì)方案對(duì)退刀槽強(qiáng)度的影響。

1 ?有限元計(jì)算

1.1 建立部件

模型的建立選擇軸對(duì)稱模型。為減少不必要的計(jì)算，省略了底座和氣缸套下半部分，僅建立了其頭部的結(jié)構(gòu);同時(shí)因?yàn)榉抡嬖囼?yàn)不存在壓力偏離中心的現(xiàn)象，所以省略了壓頭上部的半球體。如圖3。

1.2 材料定義（見(jiàn)表1）

1.3 分析步

選擇靜力通用分析步（Static，General），打開(kāi)非線性，初始增量步設(shè)置為1E-005，最小增量步設(shè)置為1E-015。

1.4 定義接觸

在各部件接觸處定義接觸屬性，其摩擦因子為0.19。

1.5 邊界條件

約束支撐圈底端U2、UR3，壓頭U1、UR3，在壓頭的最上面施加載荷為壓強(qiáng)450MPa。

1.6 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格屬性為CAX4R。對(duì)氣缸套、壓頭和支撐圈的網(wǎng)格劃分都是按尺寸0.5mm劃分;在氣缸套退刀槽圓弧部分進(jìn)行加密，90°角劃分為180個(gè)單位。如圖4～圖5所示。

2 ?設(shè)計(jì)方案和計(jì)算結(jié)果

2.1 基本型氣缸套最大應(yīng)力計(jì)算

以圖6所示的氣缸套為基本型，仿真壓潰試驗(yàn)求解后得到的最大應(yīng)力為465.2MPa，危險(xiǎn)點(diǎn)處于退刀槽圓弧表面，與水平方向呈35.5°的夾角（在以后的研究中發(fā)現(xiàn)，危險(xiǎn)點(diǎn)始終都處于退刀槽圓弧表面，與水平方向的夾角在144.5～150°之間變化（如圖7、圖8），后面不再一一說(shuō)明）。

2.2 平底槽和斜槽的對(duì)比

缸套退刀槽圓弧、槽底徑不變，其它設(shè)計(jì)尺寸也不變，僅把平底槽改為斜槽（如圖9），仿真試驗(yàn)求解后得到的最大應(yīng)力為485.3MPa，應(yīng)力大于平底槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

2.3 退刀槽圓弧大小對(duì)退刀槽強(qiáng)度的影響

在基本型的基礎(chǔ)上，維持退刀槽圓弧與支承肩下端面的切點(diǎn)位置不變，增大退刀槽圓弧半徑，槽底徑相應(yīng)縮小，如圖10中點(diǎn)劃線所示，仿真試驗(yàn)求解后得出最大應(yīng)力值，如表2。

由表2和圖11可以看出，隨著退刀槽圓弧的逐漸增大，雖然退刀槽部位的壁厚降低了，但氣缸套最大應(yīng)力卻逐漸降低，退刀槽強(qiáng)度得到了提高。

作者曾對(duì)一款缸徑？準(zhǔn)190的缸套進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，把原來(lái)的退刀槽圓弧R1改為R1.9，實(shí)際壓潰結(jié)果如表3。

？準(zhǔn)190缸套在增大退刀槽圓弧半徑接近雙倍后，壓潰強(qiáng)度提高了40%。

2.4 支承肩高度對(duì)于退刀槽強(qiáng)度的影響

在基本型的基礎(chǔ)上，其它不變，僅把支承肩高度從9mm逐步增加到9.5mm、10mm、10.5mm、11mm，直到12mm，通過(guò)仿真試驗(yàn)，研究支承肩高度對(duì)退刀槽強(qiáng)度的影響。仿真試驗(yàn)后得到最大應(yīng)力值，如表4。

由表4和圖12可以看出，隨著支承肩高度的逐漸增大，氣缸套最大應(yīng)力在逐漸降低，退刀槽強(qiáng)度得到了提高。

作者曾對(duì)一款缸徑？準(zhǔn)93的缸套做過(guò)實(shí)際的壓潰試驗(yàn)對(duì)比。如表5。

在支承肩高度提高2mm后，缸套退刀槽的壓潰強(qiáng)度提高了37%。

2.5 支承肩下端面斜度對(duì)退刀槽強(qiáng)度的影響

支承肩下端面設(shè)計(jì)成一個(gè)微小的斜面已成為提高退刀槽強(qiáng)度的常用手段（如圖13所示），但不同的公司或產(chǎn)品采用的斜角各不相同。下面我們就用仿真試驗(yàn)的方法看看下端面斜角大小對(duì)退刀槽強(qiáng)度的影響。

由表6和圖14可以看出，隨著角度的增大，氣缸套最大應(yīng)力在總體趨勢(shì)上逐漸降低，退刀槽強(qiáng)度得到了提高，但在角度0.4～0.5°之間有一個(gè)平緩區(qū)間，因此如果綜合考慮制造和測(cè)量的因素，把這個(gè)角度設(shè)計(jì)在0.4°為宜。

2.6 綜合采用以上措施的結(jié)果

設(shè)計(jì)退刀槽圓弧為R1.6，支承肩高度為11，支承肩下端面斜度為0.4°，計(jì)算可得退刀槽處最大應(yīng)力為347.76MPa。該最大應(yīng)力僅是前述基本型的最大應(yīng)力465.2MPa的74.8%，退刀槽強(qiáng)度可得到很大的提高。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

作者借助CAE軟件，對(duì)氣缸套的壓潰試驗(yàn)進(jìn)行仿真，研究了對(duì)氣缸套退刀槽強(qiáng)度的影響因素，可以得出以下結(jié)論：①平底槽結(jié)構(gòu)要優(yōu)于斜槽結(jié)構(gòu);②適當(dāng)增加氣缸套退刀槽圓弧半徑大小和支承肩高度、以及增加支承肩下端面的斜角都能增大退刀槽強(qiáng)度;③若綜合采用以上三個(gè)要素，則效果更好。

增加退刀槽強(qiáng)度自然還有其它的辦法，比如對(duì)退刀槽進(jìn)行滾壓或噴丸處理、采用更高強(qiáng)度的材料等，但這些辦法都在一定程度上增加了缸套的制造成本，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化幾乎不需要任何成本。所以從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手改善氣缸套退刀槽的強(qiáng)度應(yīng)是我們的首選。

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關(guān)鍵詞：缸套;斷頭;退刀槽強(qiáng)度;壓潰試驗(yàn);仿真