缸蓋螺栓連接螺旋副深度對(duì)缸孔變形的研究

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心 廣西 柳州 545007）

引言

缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件之一，支撐和固定發(fā)動(dòng)機(jī)的其它零部件。缸體的缸孔與缸蓋、活塞、活塞環(huán)、缸蓋墊片一起組成燃燒室，缸孔為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供場(chǎng)所，缸體缸孔在工作時(shí)受到預(yù)緊力、往復(fù)慣性力、活塞側(cè)向力、爆發(fā)壓力等各種力的作用。缸體缸孔的變形直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和顆粒排放等，缸孔變形導(dǎo)致活塞環(huán)不能很好地密封，燃燒室燃?xì)馊菀赘Z入曲軸箱導(dǎo)致燃油消耗高，同時(shí)機(jī)油竄入燃燒室熱解裂化而產(chǎn)生顆粒，機(jī)油消耗高，顆粒排放也不能滿(mǎn)足法規(guī)要求。因此在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體開(kāi)發(fā)過(guò)程中，必須考慮機(jī)械應(yīng)力下的缸孔變形。

本文基于某一款小型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，運(yùn)用有限元分析和缸孔靜態(tài)變形測(cè)量相結(jié)合的方法，研究缸體缸孔在機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)下的變形，對(duì)比不同的缸蓋螺紋孔深度下缸孔的變形，來(lái)確定缸體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 缸體設(shè)計(jì)方案

缸體的原方案是采用淺的缸蓋螺栓孔深度，如圖1 所示，缸蓋螺栓孔的鉆深長(zhǎng)度是63 mm，螺紋攻深的起始位置到缸體頂面的距離為18 mm，有效螺紋長(zhǎng)度為36 mm。

圖1 淺缸蓋螺栓孔方案

為了確認(rèn)缸蓋螺栓孔連接螺旋副深度對(duì)缸孔變形的影響，優(yōu)化方案如圖2 所示，因?yàn)楦左w的回油道及主油道結(jié)構(gòu)限制，決定了缸蓋螺栓孔的最大鉆深深度，同時(shí)保持有效螺紋長(zhǎng)度36 mm 不變，因此缸蓋螺栓孔的鉆深最大長(zhǎng)度最終定義為79 mm，螺紋攻深的起始深度到缸體頂面的距離為34 mm。

圖2 深缸蓋螺栓孔方案

從表1 缸蓋螺栓孔對(duì)比數(shù)據(jù)來(lái)看，優(yōu)化方案保持螺栓孔螺紋規(guī)格及有效螺紋連接長(zhǎng)度不變，僅加深螺紋的起始位置，使得螺栓的螺旋副連接位置更加接近于缸體水套底部，在缸蓋螺栓擰緊時(shí)，使缸蓋螺栓的軸向力分布在缸體剛性更好的底部區(qū)域，減少缸孔的變形。

表1 缸蓋螺栓孔方案

基于有限元分析方法，使用CAE 分析軟件Hyperworks 對(duì)缸體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及后處理，對(duì)比分析缸蓋螺栓孔連接螺旋副深度對(duì)缸孔變形的影響。

2 有限元對(duì)比分析

從表1 缸蓋螺栓孔方案數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，設(shè)計(jì)的2 種缸蓋螺栓孔的螺紋規(guī)格及有效螺紋長(zhǎng)度一致，區(qū)別在于螺紋的起始位置不同，造成了鉆孔深度和光孔長(zhǎng)度不一樣。完整的模擬計(jì)算模型，是包含了缸體總成、缸蓋、缸蓋墊片與缸蓋螺栓在內(nèi)的整體接觸關(guān)系的模型[1]，此類(lèi)模型使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅度增加。因此，為了對(duì)比分析不同的缸蓋螺栓孔連接螺旋副深度的缸體，在相同的缸蓋螺栓靜態(tài)擰緊下，對(duì)缸體缸孔變形的影響，同時(shí)在不影響對(duì)比分析結(jié)果前提下，能夠快速地建立模型及對(duì)比分析，減少分析時(shí)間節(jié)約資源，提高開(kāi)發(fā)效率。本文的有限元分析模型僅考慮缸蓋螺栓孔的受力對(duì)缸孔變形的影響。

缸體缸孔的變形，主要影響因素是缸蓋螺栓的預(yù)緊力。缸蓋螺栓總擰緊力矩T 等于螺栓螺旋副之間的摩擦力矩和螺栓頭部底面與缸蓋結(jié)合面的摩擦阻力矩之和，在連接結(jié)構(gòu)中，由于擰緊力矩、螺栓預(yù)緊力、螺紋公稱(chēng)直徑及扭矩系統(tǒng)之間的關(guān)系[2]可以簡(jiǎn)化為：

式中：T—螺栓擰緊力矩，N·m；k—螺栓力矩系數(shù)；M—螺栓預(yù)緊力，kN；d—螺紋公稱(chēng)直徑，mm。

缸蓋螺栓的規(guī)格為M10×1.25×99 10.9 級(jí)，預(yù)緊力設(shè)定為54 kN。

采用Hyperworks 分析軟件對(duì)缸體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格格式采用四面體二階單元。定義相同的邊界條件，加載相同的加載力，缸體有限元模型如圖3所示。

通過(guò)后處理分析，2 種對(duì)比結(jié)果示意圖如表2所示。

表2 缸蓋螺栓孔方案缸孔變形對(duì)比

從分析結(jié)果來(lái)看，淺缸蓋螺栓孔方案的缸體結(jié)構(gòu)，在受到缸蓋螺栓夾緊力的條件下，缸孔最大變形值為0.096 mm，略大于深缸蓋螺栓孔方案的缸體結(jié)構(gòu)的最大變形值0.089 mm，從分析結(jié)果對(duì)比來(lái)看，深缸蓋螺栓孔方案缸孔變形少，可見(jiàn)螺旋副連接位置接近于缸體水套底部，在缸蓋螺栓擰緊時(shí)，能使缸蓋螺栓的軸向力分布在缸體剛性更好的底部區(qū)域，可以更有效地減少缸孔的變形.

3 缸體缸孔靜態(tài)變形測(cè)量

對(duì)缸體的缸孔進(jìn)行靜態(tài)變形測(cè)量，采用缸孔輪廓測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示。設(shè)備精度可達(dá)到1 μm.，利用計(jì)算機(jī)通過(guò)快速傅立葉離散變化來(lái)分析計(jì)算缸孔的變形。

圖4 缸孔靜態(tài)變形測(cè)量

缸體、缸蓋墊片、缸蓋通過(guò)缸蓋螺栓進(jìn)行連接，缸蓋螺栓按照規(guī)定力矩?cái)Q緊，從缸體頂面向油底殼面方向，每隔5 mm 測(cè)量缸孔的圓度，對(duì)比2 種不同深度的螺栓孔的缸孔變形量。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5、6 所示。圖5 表示淺缸蓋螺栓孔方案的缸孔圓度，圖6 表示深缸蓋螺栓孔方案的缸孔圓度。

圖5 淺缸蓋螺栓孔方案的缸孔圓度

圖6 深缸蓋螺栓孔方案的缸孔圓度

從圖5 和圖6 測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，在承受相同螺栓擰緊力矩的條件下，2 種狀態(tài)下的缸體缸孔變形趨勢(shì)一致，1#缸孔的最大變形量，在距離缸體頂面20 mm截面處，由淺螺栓缸孔圓度14.5 μm 減少為深螺栓缸孔圓度13.5 μm，2#缸孔的最大變形量，在距離缸體頂面5 mm 截面處，由淺螺栓缸孔圓度10 μm減少為深螺栓缸孔圓度8 μm，3# 缸孔的圓度變化不大。

傅立葉離散變換是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻域信號(hào)的一個(gè)有效的計(jì)算方法，通過(guò)傅立葉變換，來(lái)了解缸孔變形的影響因素及評(píng)價(jià)缸孔。各階次的失圓形式[3]如圖7 所示。

圖7 各階次失圓形式

2 階、3 階及更高階次數(shù)的變形為動(dòng)態(tài)變形，0階、1 階、4 階為靜態(tài)變形，其中0 階和1 階變形主要是由制造和裝配公差造成的整體位置和尺寸的變化，因此重點(diǎn)關(guān)注影響最大的4 階變形，圖8 表示淺缸蓋螺栓孔方案的缸孔4 階變形量，圖9 表示深缸蓋螺栓孔方案的缸孔4 階變形量。

從圖8 和圖9 數(shù)據(jù)來(lái)看，在承受相同螺栓擰緊力矩情況下，1#缸孔4 階變形量，由淺缸蓋螺栓孔方案的8 μm 減少為深缸蓋螺栓孔方案的2.2 μm，2#缸孔4 階變形量，由淺缸蓋螺栓孔方案的8.2 μm 減少為深缸蓋螺栓孔方案的為4 μm，3#缸孔的圓度變化不大。

圖8 淺缸蓋螺栓孔方案的缸孔4 階變形量

圖9 深缸蓋螺栓孔方案的缸孔4 階變形量

通過(guò)對(duì)缸孔進(jìn)行靜態(tài)變形測(cè)量及傅立葉變換，從缸孔圓度變化及4 階變形量對(duì)比來(lái)看，深螺紋的螺栓連接對(duì)缸孔變形的影響，小于淺螺紋的螺栓連接對(duì)缸孔變形，與簡(jiǎn)化的有限元分析方向一致。因此使用深螺旋副起始點(diǎn)的缸蓋螺栓孔能夠比較有效地減小缸孔變形。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元分析方法及簡(jiǎn)化的分析流程，能夠快速地為缸體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)方向和依據(jù)，同時(shí)通過(guò)實(shí)物的測(cè)量，來(lái)驗(yàn)證方案正確性及方法的有效可行性。缸蓋螺栓的有效連接螺旋副的起始點(diǎn)深度影響到缸孔變形，通過(guò)簡(jiǎn)化流程的有限元分析和缸孔靜態(tài)變形測(cè)量，在盡可能保持缸體現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下，最大可能地增加缸蓋螺栓的有效連接螺旋副的起始點(diǎn)深度，能夠有效地減小缸孔變形，從而來(lái)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。