蔡強(qiáng)，胡琦山，李連升，趙文彬，任燕平

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

為了滿足高功率密度和低油耗的要求，發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度越來越高。隨著爆壓、功率的提升，發(fā)動機(jī)承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷越來越高。由活塞、活塞環(huán)以及缸套組成的摩擦副，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及工作的可靠性直接影響發(fā)動機(jī)油耗及漏氣量，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放等指標(biāo)[1-5]。隨著發(fā)動機(jī)指標(biāo)的提升，缸孔變形問題越發(fā)突出，缸孔變形對于活塞環(huán)組的匹配尤為重要。如何準(zhǔn)確識別缸孔變形影響因素的作用規(guī)律以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分迫切[6-8]。

目前對于干式缸套及濕式缸套的缸孔變形問題的研究較多，對無缸套缸孔變形問題的研究較少。隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，有限元分析廣泛應(yīng)用于缸套變形及缸體疲勞強(qiáng)度的研究。韓力春[9]通過活塞動力學(xué)分析了缸套變形對機(jī)油耗和漏氣量的影響，并提出選擇適當(dāng)?shù)母滋妆诤?、缸套支撐肩角度以及適當(dāng)?shù)某量咨疃扔欣诮档透滋鬃冃危恍爝h(yuǎn)志等[10]通過有限元仿真研究了缸套壁厚對缸套變形的影響，得出缸套的厚度通過影響預(yù)緊力和缸內(nèi)溫度間接影響缸套變形，增加缸套厚度，有利于減小缸套變形；畢玉華等[11]研究發(fā)現(xiàn)，增加沉孔深度可以減小機(jī)體頂面變形，但會增加缸套最大膨脹變形，減小缸套厚度，其截面收縮變形增大，截面膨脹變形減小。

本文中以某無缸套4缸柴油機(jī)為研究對象，采用有限元分析軟件建立機(jī)體-缸墊-缸蓋熱機(jī)耦合仿真模型，基于傅里葉變換研究發(fā)動機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對無缸套缸孔變形的影響規(guī)律，為無缸套機(jī)體的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 有限元模型

取發(fā)動機(jī)的4個整缸進(jìn)行研究，建立機(jī)體缸蓋熱機(jī)耦合計(jì)算有限元模型，如圖1所示。該有限元模型包括機(jī)體、缸蓋、缸墊、缸蓋螺栓、噴油器等，缸墊采用GK3D6N單元，其它零部件采用C3D10M單元，有限元模型共劃分3 581 088個節(jié)點(diǎn)，2 039 513個單元。機(jī)體材料為灰鑄鐵，缸蓋材料為鋁合金。考慮到約束區(qū)域應(yīng)盡量不對缸孔變形計(jì)算產(chǎn)生影響，將約束設(shè)置在機(jī)體底面。

圖1 機(jī)體缸蓋熱機(jī)耦合計(jì)算模型

載荷步分為3步進(jìn)行加載：1)在缸蓋螺栓上施加小位移，使模型建立穩(wěn)定的接觸；2)施加平均螺栓軸力，計(jì)算裝配工況下的缸孔變形；3)施加溫度場載荷，計(jì)算熱機(jī)工況下的缸孔變形。

2 缸孔變形評價方法

最早將傅里葉級數(shù)應(yīng)用到缸孔變形研究中的是希爾和紐曼[12]，這種方法在以后的研究中被普遍應(yīng)用[13-16]。發(fā)動機(jī)缸孔變形量ΔR在極坐標(biāo)系下的傅里葉級數(shù)展開式可以表示為：

ΔR=A0+A1cosα+A2cos2α+…+Ancosnα+B1sinα+B2sin2α+…+Bnsinnα，

(1)

式中：Ai、Bi為傅里葉展開式的系數(shù)，n為傅里葉展開式的階數(shù)，α為相位角。

式(1)也可以表示為如下形式：

(2)

傅里葉變換下的各階缸孔變形如圖2所示，0階表示由于加工工藝造成的缸孔沿同心圓直徑方向的膨脹或收縮，1階表示相對理想孔中心的偏移，2階表示相對理想孔中心的橢圓變形，3階表示相對于理想孔中心的三角花瓣變形，4階及以上階次表示相對于理想孔中心的多角花瓣變形。

a)0階 b) 1階 c)2階 d)3階 e)4階 f) 6階 圖2 傅里葉級數(shù)缸孔變形示意圖

3 無缸套缸孔變形影響因素分析

以某無缸套柴油機(jī)為研究對象，改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究各結(jié)構(gòu)參數(shù)對缸孔變形的影響。

3.1 上水孔、清砂孔

對原始模型進(jìn)行機(jī)體-缸蓋熱機(jī)耦合計(jì)算，提取其在傅里葉變換下的各階次缸孔變形如表1所示。

表1 原始模型各階次缸孔變形

μm

階次第1缸第2缸第3缸第4缸裝配工況熱機(jī)工況裝配工況熱機(jī)工況裝配工況熱機(jī)工況裝配工況熱機(jī)工況261.7596.4833.7796.6337.02109.1152.4797.13324.1818.291.569.663.0311.5121.4116.22412.7518.468.5211.338.5810.059.3118.6157.737.760.992.050.921.186.077.0261.842.342.714.562.414.771.623.10

圖3 機(jī)體變形云圖

由表1可知，原始模型各階次缸孔變形較大，不利于活塞及活塞環(huán)的匹配，容易引起活塞漏氣量大、機(jī)油消耗高等故障，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。提取機(jī)體在裝配工況下的變形云圖如圖3所示(圖中單位為mm)。由圖3可知，在螺栓軸力作用下，機(jī)體前后端呈現(xiàn)上凸變形，中間缸呈現(xiàn)下凹變形。這是由于上水孔和清砂孔數(shù)量多，且距離缸孔較近，造成機(jī)體上頂板剛度差。由于兩側(cè)缸比中間缸多4個清砂孔，剛度相對更弱，中間缸共用缸蓋螺栓，兩側(cè)缸單獨(dú)使用缸蓋螺栓，兩側(cè)缸的螺栓軸力相對更大，造成中間凹，兩端凸的變形形態(tài)。

提取第1缸和第2缸分別在冷態(tài)和熱態(tài)下沿圓周方向的缸孔變形形態(tài)如圖4所示。由圖4可知，沿圓周方向，缸孔整體呈現(xiàn)沿曲軸軸線方向向內(nèi)收縮、沿主副推力側(cè)向外凸的形態(tài)，不利于活塞環(huán)的匹配。

圖4 圓周方向缸孔變形形態(tài)

取消所有的上水孔、清砂孔，進(jìn)行單一因素探討清砂孔和和上水孔對缸孔變形的影響。取消上水孔、清砂孔后，重新計(jì)算各階次缸孔變形，前后對比如圖5所示。

a)裝配工況 b)熱機(jī)工況 圖5 取消清砂孔前后缸孔變形對比

由圖5可知，取消所有上水孔和清砂孔后，裝配工況下各階次缸孔變形均有大幅度改善，熱機(jī)工況下缸孔變形的改善相對冷態(tài)而言不明顯。這是因?yàn)橥鈧?cè)的2個缸多取消4個清砂孔，所以兩側(cè)缸的改善幅度大于中間缸；熱膨脹作用抵消了一部分螺栓軸力的影響，導(dǎo)致熱態(tài)下缸孔變形的改善不明顯。由于鑄造工藝及缸蓋冷卻需求，不可能取消所有的清砂孔和上水孔，因此設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減少上水孔和清砂孔的數(shù)量，控制清砂孔和上水孔的截面積越小越好，并且盡量遠(yuǎn)離缸孔。

3.2 螺栓分布

為研究螺栓分布對缸孔變形的影響，將螺栓分布向垂直于曲軸方向移動8 mm，使螺栓分布更加均勻，4顆螺栓之間的跨距更小，缸孔變形計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

a)裝配工況 b)熱機(jī)工況 圖6 螺栓移動前后缸孔變形對比

由圖6可知，螺栓外移后，4階缸孔變形改善明顯，其它階次變化不明顯。可見對于4顆螺栓而言，4階缸孔變形對螺栓布置最為敏感，螺栓分布越均勻，對4階缸孔變形越有利。因此，設(shè)計(jì)時螺栓布置很重要，原則上盡可能采用6顆螺栓，如果受氣道布置等影響，只能采用4顆螺栓時，螺栓的跨距應(yīng)盡可能均勻一致。

3.3 兩側(cè)螺栓軸力

通常螺栓軸力是影響無缸套機(jī)體缸孔變形最重要的因素之一，但螺栓軸力直接影響缸墊的密封效果，所以，雖然可以通過降低螺栓軸力減小機(jī)體變形，從而降低缸孔變形，但是受制于缸墊密封效果，螺栓軸力不能一味減小。對于整體式缸蓋，外側(cè)2個缸的4顆螺栓由于不與其它缸共用，所以相對于缸墊密封，兩側(cè)缸軸力剩余量較大，可以通過降低兩側(cè)缸的螺栓軸力，減小缸孔變形。

將兩側(cè)缸的4顆螺栓軸力由150 kN降低到90 kN，中間缸螺栓規(guī)格不變，計(jì)算得到缸孔變形如圖7所示。由圖7可知，降低兩側(cè)缸螺栓軸力后，第1缸2階缸孔變形降低，但是對第2缸影響不大。

a)裝配工況 b)熱機(jī)工況 圖7 兩側(cè)缸螺栓軸力降低前后缸孔變形對比

3.4 缸心距

將缸心距增加2 mm，研究缸心距對缸孔變形的影響。移動螺栓方案后，缸心距增加前后各階缸孔變形如圖8所示。由圖8可知，與原方案相比，缸心距增加后，裝配工況除4階外，其他各階次的缸孔變形降低，特別在熱機(jī)工況下，缸孔變形改善明顯。

a)裝配工況 b)熱機(jī)工況 圖8 缸心距增加前后方案缸孔變形對比

針對圓周方向的缸孔真實(shí)變形形態(tài)，原方案缸孔沿長軸方向向內(nèi)收縮，沿主副推力側(cè)向外凸，呈現(xiàn)“花生狀”。提取新方案圓周方向缸孔變形形態(tài)，如圖9所示。

a)第1缸裝配工況 b)第2缸裝配工況

c)第1缸熱機(jī)工況 d)第2缸熱機(jī)工況 圖9 圓周方向缸孔變形形態(tài)

由圖9可知，熱態(tài)下缸孔變形更加趨向于圓形，說明增大缸心距可以增大曲軸方向的剛度從而抑制這種“花生狀”變形，這對于活塞環(huán)組匹配、減少漏氣量和機(jī)油耗有利。

4 結(jié)論

針對柴油機(jī)強(qiáng)化程度提升帶來的無缸套機(jī)體缸孔變形問題，采用熱機(jī)耦合仿真和傅里葉級數(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，得到如下結(jié)論。

1)機(jī)體上水孔、清砂孔通過影響機(jī)體頂板剛度分布從而影響缸孔變形，設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減少上水孔和清砂孔的數(shù)量，控制孔的截面積越小越好，且應(yīng)盡量遠(yuǎn)離缸孔。

2)機(jī)體設(shè)計(jì)時螺栓的布置對缸孔變形有較大影響，4顆螺栓對于4階缸孔變形最敏感；螺栓分布越均勻，4階缸孔變形越小。

3)在墊片密封滿足要求的前提下，可以通過降低兩側(cè)缸的螺栓軸力來減小2階缸孔變形。

4)增大缸心距能夠改善軸力分布，使缸孔變形更加均勻，熱態(tài)變形更加趨向圓形，有利于活塞環(huán)組匹配。