兩沖程發(fā)動機氣缸氣缸活塞配缸間隙優(yōu)化研究

董立騰

東莞厚街科勁機電設備有限公司 廣東 東莞 523000

活塞和氣缸之間的配缸間隙對發(fā)動機的功率排放等性能影響很大,而兩沖程發(fā)動機對配缸間隙更是敏感。發(fā)動機設計開發(fā)工程師在設計活塞或氣缸時,通常是根據(jù)經(jīng)驗或國家標準來設計這一配合間隙,只知其然而不知其所以然。本文試圖通過測試數(shù)據(jù)分析配合間隙對發(fā)動機不同性能的影響趨勢從而指導工程師合理選擇配缸間隙。從而提出分析此類問題的一個方法。

背景

兩沖程發(fā)動機廣泛應用于摩托車,舷外機,農(nóng)業(yè)抽水機,打藥機,園林工具中的打草機,吹風機,剪枝機,油鋸等等。其中單杠小排量的兩沖程發(fā)動機(通常50cc以下))更是由于其體積小,單位排量功率高等優(yōu)點而應用于手提式園林工具中。目前在鋰電池工具大發(fā)展的當下,其市場占有率雖有所下降但在低端在家用領域由于其成本始終比鋰電成本低使用更方便以及美國客戶的使用習慣等因素其產(chǎn)品還是有著旺盛的生命力,在高端更是由于其功率高,使用更方便而幾乎不受影響。因而探討兩沖程發(fā)動機的性能優(yōu)化依然十分必要。

在手提式園林工具中,相對于打草機和剪枝機等,油鋸以及吹風機對發(fā)動機的功率更敏感,功率的5%到10%的變動對客戶的實際使用體驗的影響很大。在提高產(chǎn)品功率的多項研究中我們注意到活塞和氣缸的配缸間隙對發(fā)動機的功率有明顯的影響,優(yōu)化該設計可以明顯改善發(fā)動機的功率以及排放,燃油利用率等各項指標。

配缸間隙的設計標準

動機活塞與氣缸必須有一定的配缸間隙,首先是由于活塞與氣缸是發(fā)動機中最重要的摩擦副之一,如缸套與活塞及環(huán)組間的摩擦力小,發(fā)動機的摩擦功耗也小,反之,將造成相當大的功耗;而且活塞與氣缸的摩擦表面保持一定的間隙,是考慮活塞裙部的熱變形、彈性變形及氣缸壁與活塞裙部接觸之間的載荷和速度等的影響,以保證活塞裙部有足夠的潤滑油膜,否則,將導致缸套一活塞環(huán)組的急劇磨損。如果配缸間隙太大,會引起“敲缸”密封不良(漏氣、竄油)、動力下降;太小,則會使活塞裙部沒有膨脹的余地,接觸壓力超過活塞和氣缸之間的油膜所能承受的擠壓強度(一般4.9MPa-9.8MPa)潤滑油膜將被破壞,引起粘著磨損(拉缸)故障。不同材料的活塞其配缸間隙亦不相同。由于不同的機型熱分布不同,缸套和活塞的材料結構都不盡相同,因而至今活塞和氣缸之間的配缸間隙并沒有一個統(tǒng)一的標準,只有各發(fā)動機廠根據(jù)自己的經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)而給的一些經(jīng)驗標準。

對于風冷式兩沖程手持式小排量發(fā)動機,氣缸一般采用鋁合金,內(nèi)壁鍍鉻或者陶瓷,活塞一般是鋁合金。此類產(chǎn)品根據(jù)行業(yè)通用經(jīng)驗通常給0.04～0.06mm配缸間隙。在實際制造中,氣缸電鍍后通過珩磨工序可以保證0.03mm的公差,活塞的精加工可以給到0.015mm的公差,總的配合間隙的公差就能達到0.045mm左右,因而通常極限配合間隙往往就在0.027～0.073mm左右。這個公差范圍在很長時間里應用結果也不差,但是不是最優(yōu)的呢?有沒有改善的余地呢?對此我們進行了試驗研究。

實驗方法和數(shù)據(jù)

通過特意跟蹤測量幾十部樣機的氣缸內(nèi)徑和活塞大徑,配對得到各狀態(tài)樣機,對這些樣機磨合后在測功機上測功,調整化油器在lamda=0.9以剔除燃油比影響,數(shù)據(jù)和關系如圖1所示:,然后又特意按生產(chǎn)方法做一批樣機,不特意控制燃油比lamda,直接磨合后測試功率,結果如圖2所示。

圖1

結論

由實驗結果可以得知發(fā)動機功率與配缸間隙有密切的相關性,最優(yōu)值大概在0.4～0.45左右,小于0.35或者大于0.5,功率都會下降。由推理可知太小由于摩擦增加潤滑不夠功率變小,而太大由于竄氣增加密封不嚴功率也會下降。也就是說最優(yōu)配缸間隙就在摩擦功率損失和竄氣功率損失之間取平衡最小值。

優(yōu)化辦法-分組

在不增加現(xiàn)有工藝難度的基礎上,要想提高功率水平以及功率的一致性,有一個通用的辦法就是分組。在當前工藝水平以及測量水平下,活塞在產(chǎn)線會用百分表全檢外徑,在0.015mm范圍內(nèi)最多分兩組,經(jīng)濟性考慮就只能分兩組0.08mm一組。而氣缸在產(chǎn)線是用氣動量儀快速全檢,可以分兩組也可以分三組。在0.03mm范圍內(nèi)如果分三組就是每0.01mm一組,如果兩組就是每0.015一組。針對家用園林工具分兩組是比較簡單有效的方法。分組后的數(shù)據(jù)見下表,間隙范圍減小37%,而對應到圖2的數(shù)據(jù)功率卻能提升6%左右

圖2

分組的利弊分析

分組帶來的問題主要是增加了管理的難度,主機廠需要設置不同的零件編號來分別配對下訂單管理庫存,零件廠增加了挑選分組,做記號的麻煩。最關鍵的是總會有時某一組多有時某一組少,所以必須要準備額外庫存。分組越多,管理成本越大。在增加的管理成本與可能的性能質量收益之間取舍有時候不是很容易的事情。特別是對DIY級別的家用工具。

圖3

還有一種分組配對在生產(chǎn)線常用的是現(xiàn)場配對,這樣不增加供應鏈的管理成本,但是需要現(xiàn)場空間和現(xiàn)場檢測人員設備,如果能實現(xiàn)自動測量自動配對效率也挺高。但是氣缸和活塞的尺寸大,占用空間也太大,不配對零件處理也挺麻煩。

針對此,筆者提出一種折中的辦法,供應商在全檢尺寸的時候順手根據(jù)測量值給出分組記號,不需要額外包裝不需要特意管控,在產(chǎn)線根據(jù)氣缸和活塞的記號現(xiàn)場人工配對,每個班次的氣缸和活塞盡量配對。這樣綜合成本最頂,占用空間不大,對性能提升卻很大。

效果驗證

我們在產(chǎn)線實施以上說的配對方案后跟蹤一個月每日功率抽檢數(shù)據(jù),對比之前六個月的數(shù)據(jù)如圖4所示。平均功率比前6個月提高7.5%.效果明顯。

圖4

結論

本文通過試驗數(shù)據(jù)分析某發(fā)動機氣缸和活塞的最優(yōu)配缸間隙,提出通過分組優(yōu)化的方案并用試驗數(shù)據(jù)證實方案真實有效。