發動機缸套變形研究

王彥輝

阿爾特汽車技術股份有限公司， 北京 100000

前言

降低發動機的各運動零部件之間的摩擦損失，提高機械效率，是提高發動機的輸出性能的一個重要手段。發動機運轉過程中，活塞與缸筒之間的摩擦損失在整個摩擦損失中占有相當大的比例。所以通過CAE分析的手段，預測缸套在使用時的變形，并將變形控制在一定的范圍內，能夠有效降低摩擦損失，提高缸體及活塞的機械壽命。

1. 發動機的主運動機構

發動機本體是一個復雜的機械系統，包括兩大機構和五大系統，兩大機構為曲柄連桿機構、配氣機構，五大系統為、燃油系統、潤滑系統、冷卻系統、啟動系統和點火系統等。主運動系統是以缸體、缸蓋為主體結構，通過活塞、連桿、曲軸、飛輪盤等運動件組成的曲柄連桿機構將往復運動轉化成旋轉運動的一套結構。主要結構形式如下圖。

圖1 主運動機構示意圖

缸體根據排列方式的不同，可以分為直列式、V型、對置式等結構形式，但是不管以何種形式排列，其基本結構都相同。

2. 發動機缸體與活塞的配合形式

如上圖所示，活塞在缸體內沿著缸套內壁的圓柱形軌跡上下往復運動，并且通過活塞環保證了氣體的密封和套與活塞之間的潤滑、熱量傳遞等功能。理想狀態下，在同一Z向高度上，活塞和外表面和缸套的內表面應為圓形。實際在設計以及零件加工時，也是遵照這個原則。但是在裝配過程中，以及發動機在正常運轉中高溫高壓氣體的作用，缸套和活塞都會發生微小的變形。缸套的變形形式如下圖所示。

3. 發動機缸套變形的CAE模擬及驗證

3.1 缸套變形分析的模型化：

在分析缸套變形時，要對單個氣缸的缸體、缸蓋、汽缸墊、缸蓋螺栓等進行離散化處理，所使用的軟件為Hypermesh軟件，上述零件需要做成六面體模型。離散化后的模型如下圖。

圖3 缸蓋、缸墊、缸體及螺栓的有限元模型

3.2 缸套變形分析

螺栓預緊力的加載：

螺栓的預緊力為設計給定，或者是通過氣體爆發壓力計算得到，四根螺栓中，每根螺栓的預緊力為61KN。在ABAQUS中，定義螺栓的預緊力有兩種方式，一種是施加螺栓載荷（bolt load），另一種是定義過盈接觸（contact interference）。本次分析是通過定義螺栓載荷來實現的，制定螺栓的中間位置為受力截面。

接觸的定義：

定義接觸的時候要設定“Adjust=位置誤差極限”此誤差極限要大于兩個接觸面之間的網格距離，否則ABAQUS會認為兩個面沒有接觸。定義“tie”時也應該設定position tolerance。接觸定義在哪個分析步中，要根據實際情況，如螺栓左面和螺紋部位的接觸，需要在初始狀態initial中就設定，活塞和缸套的接觸就要在后面的計算步中設定。

分析控制：

缸體材料設定

分析結果：

下圖為分析結果，從缸體頂面向下50mm范圍內變形較大，并且在不同的角度位置，變形的數值不同，所以可以判定變形后為不規則的形狀。提取不同截面上的變形前及變形后數據的坐標，差值運算后進行傅里葉變換。最終得到不同節次下的缸套變形。如下圖所示。

圖4 缸套變形圖

圖5 傅里葉變換操作界面

下圖為傅里葉變換后的重要節次的變形示意圖。(圖6)

4. 結語

本研究主要是針對經過精密加工后得到的正圓形缸套，經過組裝后，發生了失圓變形的現狀，通過CAE分析的方法，模擬失圓變形的大小，并與實際的測量結果進行比較，從而驗證CAE分析方法的準確性。

通過驗證可知，此CAE分析方法基本可信，通過上述的分析方法，可以在發動機的設計階段驗證缸套尺寸設計的合理性，以及缸蓋螺栓的擰緊深度設定等問題。提高了設計的可靠性，并縮短發動機的開發周期。

圖6 傅里葉變換后接5次識別示意圖

表1 CAE分析結果與試驗結果對比表

[1]ABAQUS軟件使用手冊

[2]Hypermesh軟件使用手冊