缸筒变形测试分析论文概要.docx

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缸筒变形测试分析论文概要

一汽技术中心2004年第二届学术年会

征集论文

论文题目：

发动机缸筒变形测试分析

作者：

蒋文虎

科长意见：

部长意见：

2004年8月25日

发动机缸筒变形测试分析

[摘要]：

发动机因缸筒变形问题导致发动机可靠性下降，性能指标不能满足设计要求。

为了在发动机正式投产前发现缸筒变形问题并且解决掉，避免大批量投产后不可更改的现象，在这方面缸筒变形测试分析起着重要的作用。

本文分析了缸筒变形湿缸套和干缸套缸筒变形的一般规律，影响缸筒变形的主要因素和缸筒变形测试分析的评价原则。

最后作者以测量过的发动机为例，具体说明。

关键词：

缸筒变形影响因素傅立叶系数

1前言

气缸盖螺栓、主轴承螺栓和发动机某些附件螺栓会使发动机缸体受力，导致发动机缸筒在静载荷作用下产生一定变形。

而缸筒变形会影响到机油消耗量、窜气量、摩擦功、缸筒磨损、尾气排放等。

为了满足越来越高的法规要求，低变形缸筒的开发设计将扮演重要的角色，缸筒变形的测试在发动机开发中又是一个不可缺少的关键环节。

从所得试验数据,可以找出引起变形的主要原因，提出解决措施，为改进设计奠定基础，避免由于发动机不合格带来的潜在危险。

在发动机运转期间，气缸套变形对发动机性能有重要影响。

由于活塞环与气缸套形状适应能力有限，机油消耗量和与之相关的微粒、碳氢化合物的排放增加。

较高的活塞环张力，引起摩擦、磨损增加，并且最终导致机油消耗量的增大，达不到机油消耗和尾气排放要求。

下面将分几点论述。

2引起缸筒变形的因素

引起缸筒变形的因素很多，概括起来主要有以下几点。

✧各种螺栓力矩：

缸盖螺栓力矩，主轴承盖螺栓力矩，各种附件螺栓力矩（如水泵螺栓，飞轮壳螺栓等）。

✧缸盖螺栓位置在发动机设计时，应尽量使缸筒周围的螺栓距离缸筒中心相等，并且每个缸的四个主轴承螺栓与相对应的缸盖螺栓在一条中心线上为最佳，缸盖螺栓孔距离缸筒壁应尽量远。

✧缸套厚度众所周知缸套越厚，缸筒变形越小，但是缸套太厚，对冷却和发动机水套等设计都有影响，所以缸套厚度一般都受到限制。

✧气缸垫面压分布气缸垫密封圈对缸套的压力与气缸体台肩对缸套的支撑力尽量作用在一条直线上，否则将产生附加在缸套顶平面一个力矩，造成缸筒变形。

✧水套壁厚和水套内加强筋水套壁的薄厚对缸筒变形影响较大，为了减小缸筒变形，水套内加筋是一种解决办法，但是加强筋影响水套内冷却水的速度和方向，必须折衷设计。

✧螺栓孔下沉量很多发动机利用缸盖螺栓孔下沉量调节缸筒变形。

3缸筒变形一般规律

缸盖螺栓是影响缸筒变形最重要的因素，湿缸套发动机缸筒变形在每个螺栓附近向发动机缸心内凹，干缸套正好相反（见图1，图2）。

图1湿缸套缸筒变形图

图2干缸套或者无缸筒变形示意图

4.缸筒变形评价依据

缸筒变形测量输出参数：

圆度、平行度、直线度、圆柱度和傅立叶系数。

在缸体自由状态时，主要评价缸套的圆度、圆柱度、直线度和平行度，是否超过设计允许值。

在发动机装配状态下，主要对缸筒变形的傅立叶系数进行评价。

傅立叶解析数学表达式如下。

Σ=A0+A1cos1β+A2cos2β+A3cos3β+……+Aicosiβ

+B1sin1β+B2sin2β+B3sin3β+…+Bisiniβ

其中：

Ai、Bi—傅立叶系数

i—傅立叶阶数

i阶变形量：

Umax=2（Ai²+Bi²）1/2

i阶变形的角度方向：

βmax（i）=1/i×arctanBi/Ai

傅立叶解析的物理（几何）概念见下图。

图3傅立叶解析的物理（几何）概念图

傅立叶系数评价值见下表。

超出相应的最大值，此发动机定义不合格。

发动机状态

缸套缸径范围

（mm）

2阶（μm）

3阶（μm）

4阶（μm）

5阶（μm）

6阶（μm）

最大值

平均值

最大值

平均值

最大值

平均值

缸体自由状态

65～94

7.0

——

2.5

——

2.0

——

1.5

1.0

95～129

10.0

3.0

2.5

1.5

1.0

130～150

14.0

3.5

3.0

1.5

1.0

发动机装配状态

65～74

12.0

10.0

7.0

5.5

9.0

7.0

4.5

2.5

75～84

15.0

12.0

8.5

7.0

10.5

8.0

4.5

2.5

85～94

18.0

14.0

10.0

8.5

12.0

9.0

4.5

2.5

95～109

20.0

17.0

11.0

9.5

14.0

12.0

6.0

5.0

110～129

24.0

20.0

10.0

8.5

12.0

10.0

6.0

5.0

130～150

28.0

23.0

9.0

8.0

10.0

7.0

6.0

5.0

5．CA6DE3缸筒变形测试分析

5.1试验内容：

一汽集团公司大连柴油机厂试制CA6DE3型柴油机缸体一台，石川金属缸垫，气缸套两种：

安庆帝伯格兹活塞环有限公司制造的气缸套6个；

扬州五亭桥缸套有限公司制造的气缸套6个。

5.2试验步骤：

1）缸体自由状态；

2）安装主轴承盖状态；

3）安装缸盖状态。

5.3试验结果

安庆缸套：

三种状态2～6缸缸筒圆柱度（μm）见下表（1缸因在装机前已经变形，所以本试验中没有测量。

）

缸套状态

2缸

3缸

4缸

5缸

6缸

自由状态

8.2

13.8

9.8

17.6

11.2

加主轴承盖螺栓力矩

8.6

14.4

8.5

17.6

11.0

加缸盖螺栓力矩

19.2

20.9

15.3

23.5

21.0

加缸盖螺栓力矩时各缸傅立叶系数见下图

图4安庆缸套装配状态下各缸傅立叶系数

扬州缸套：

三种状态1～6缸缸筒圆柱度（μm）见下表

缸套状态

1缸

2缸

3缸

4缸

5缸

6缸

自由状态

17.7

16.3

16.0

16.5

23.2

27.5

加主轴承盖螺栓力矩

19.0

16.6

15.8

17.0

23.1

28.7

加缸盖螺栓力矩

27.0

21.7

20.1

20.1

21.7

32.1

扬州缸套缸体自由状态下傅立叶系数见图5。

图5扬州缸套自由状态下各缸傅立叶系数

加缸盖力矩时各缸傅立叶系数见图6。

图6扬州缸套装配状态下各缸傅立叶系数

5.4试验结果分析及结论

5.4.1安庆缸套在自由状态下和装配状态下缸筒变形很小，没有超出允许值。

5.4.2扬州缸套在自由状态下和装配状态下9阶变形都比较严重，几乎都超过了允许值，分析认为是加工质量问题，径向图见图7（以3缸为例）。

图7扬州缸套自由状态和装配状态缸筒变形图（左：

自由，右：

装配）

5.4.3主轴承盖螺栓力矩对缸筒变形几乎没有影响。

6．CA498缸筒变形测试分析

6.1试验内容

一汽集团公司大连柴油机厂生产的CA498型柴油机缸体一台（铸造号：

0308262）。

石棉缸垫。

试验现场见图8。

图8CA498缸筒变形测量现场（发动机前安装水泵，后面安装飞轮壳）

5.2试验步骤：

1）缸体自由状态；

2）安装缸盖状态；

3）安装缸盖、飞轮壳和水泵。

5.3试验结果

5.3.1三种状态1～4缸缸筒圆柱度（μm）见下表

缸套状态

1缸

2缸

3缸

4缸

图纸要求

自由状态

17.0

15.1

16.9

19.0

10.0

加缸盖螺栓状态

30.5

27.2

28.3

22.1

—

安装缸盖、飞轮壳和水泵

37.5

27.0

29.5

22.2

—

5.3.1安装缸盖螺栓和安装飞轮壳和水泵两种状态傅立叶系数见图9、图10。

图9加缸盖力矩状态下的各缸傅立叶系数

图10加缸盖力矩、水泵、飞轮壳状态下各缸傅立叶系数

5.4试验结果分析及结论

5.4.1由5.3可以看到，在自由状态下,各缸的圆柱度均超出了允许值10μm,所以应该改进缸套的加工质量。

5.4.2由图10可以看出，安装水泵和飞轮壳后，1缸傅立叶2阶、3阶都超过了允许值。

可以断定是由于水泵力矩造成缸筒变形。

图11发动机自由状态和安装水泵两种状态1缸缸筒变形立体图

图12发动机自由状态和安装水泵两种状态1缸缸筒变形立体图展开图

图13发动机自由状态和安装水泵两种状态1缸缸筒变形径向

分析认为引起1缸缸筒变形是因为水泵螺栓所致，安装水泵主要由两个双头螺柱（见图14）把水泵、齿轮室隔板和缸体连接在一起，螺栓力矩49～59Nm。

螺栓扭紧力矩为49～59Nm

5.4.3建议水泵螺栓与齿轮室隔板螺栓在不减小刚度的情况下不共用，这样可以减小对缸体壁的拉力，或者加大发动机缸体前端面的厚度，以增加发动机缸体的刚度，增加抗拉能力。

参考文献

1万欣《内燃机设计》

2曾金玲《用模拟缸盖时发动机缸筒变形的仿真分析》

3王鲁生《缸筒变形分析》

作者：

蒋文虎

一汽技术中心发动机部热力分析室

联系电话：

（0431）5905107