發(fā)動機基準變化對氣缸套評價指標(biāo)的影響

1、發(fā)動機基準變化對氣缸套評價指標(biāo)的影響 卞偉偉1 張曉曄2 謝鋒2 聶向陽2 常發(fā)集團摘要：以江蘇某廠四缸柴油機為研究對象，利用PRO/E三維軟件和HyperMesh軟件建立結(jié)構(gòu)的實體模型和網(wǎng)格模型，采用ANSYS軟件進行計算，通過采用不同的基準來分析氣缸套變形，從而得出了基準變化對氣缸套評價指標(biāo)的影響。計算結(jié)果表明：不同基準下得到的氣缸套評價指標(biāo)，由于基準的變化而產(chǎn)生的誤差不能忽略。這一結(jié)論可以給仿真分析人員在分析氣缸套的變形過程中提供一定的技術(shù)支持。關(guān)鍵詞：柴油機；主軸承孔；氣缸套；有限元中圖分類號：TK402 文獻標(biāo)識碼：BThe Effect of Benchmark Change to

2、 the Cylinder Index of Diesel Engine Abstract: A four-cylinder diesel engine was researched in this paper. Entity model and finite element model were created by PRO/E and Hyper Mesh software. The analysis was carried out by the software of ANSYS, which to get the effects on the cylinder due to the b

3、enchmark change. The result indicate that as the axis of the main bearing hole is the coordinate benchmark for the cylinders and other parts deformation analysis, therefore, some change maybe appeared for the evaluation of the cylinders because of the change of the benchmark. That it should be used

4、in the following design and analysis of the cylinder.Keywords: Diesel engine, Main bearing hole, Cylinder, FEA引言主軸承孔是發(fā)動機的一個重要安裝孔12，起著支撐、安裝軸瓦和曲軸的作用。主軸承孔在受到螺栓預(yù)緊力和氣缸爆發(fā)力時會產(chǎn)生一定的變形，其變形直接影響到發(fā)動機的工作狀態(tài)和各種性能指標(biāo)。主軸承孔軸線是發(fā)動機分析的第一基準軸線，其變化直接影響到其他各基準面的變化（圖1所示），而影響最大的為氣缸套的投影基準面。氣缸套的各個評價指標(biāo)均以氣缸套軸線作為基準，不論主軸承孔的變形如何，要求氣缸套軸

5、線必須始終與主軸承孔軸線相垂直，因此，必須分析主軸承孔變形后新的基準對氣缸套各項評價指標(biāo)的影響。1 有限元模型的建立1.1 方案說明本文以對比的方法進行討論，方法1：用變形前的主軸承孔軸線（理想軸線）作為基本的基準來分析氣缸套的一系列參數(shù)，從而得出原始結(jié)果。方法2：用變形后的擬合出來的主軸承孔的軸線（擬合軸線）作為基本的基準來分析氣缸套參數(shù)，得出新的結(jié)果，然后與原始結(jié)果進行對比，分析在這兩種基準下計算結(jié)果的差別。1.2 建立實體模型為了能更好的模擬實際情況，嚴格按照二維圖紙的尺寸用PRO/E創(chuàng)建機體、缸蓋等主要零件和其他附件，利用Hyper Mesh進行網(wǎng)格劃分34。缸套采用十節(jié)點四面體單元，

6、缸墊采用八節(jié)點六面體單元，其他部分由于不是重點考察對象采用四節(jié)點四面體單元。完成后如圖2所示。 圖1 投影軸線 圖2 有限元網(wǎng)格模型 1.3 邊界條件的確立（1）約束邊界條件：在飛輪殼與離合器連接的圓周上取2個對稱的螺栓位置以及左右懸架螺栓位置施加相應(yīng)方向的位移約束，機體和各零件間施加接觸邊界，實現(xiàn)接觸模擬。（2）力邊界條件：氣缸蓋螺栓、水泵螺栓和飛輪殼螺栓等的預(yù)緊力。按照設(shè)計手冊中螺栓預(yù)緊力的計算公式和廠方提供的數(shù)據(jù)可得各種螺栓的預(yù)緊力如表1所示。對于工作工況，設(shè)定爆發(fā)壓力為13.5MPa。本文采用的工作工況是二缸爆發(fā)的工況（3）溫度邊界條件5：溫度場計算借用近似機體的實驗值，設(shè)置氣缸蓋溫度

7、為100oC，其它零件的溫度均粗略地設(shè)為50度，此外設(shè)置環(huán)境溫度25度。表1機體組件上螺栓預(yù)緊力氣缸蓋螺栓飛輪殼螺栓主軸承蓋螺栓左右懸架螺栓擰緊力矩(N.m)16712733250預(yù)緊力(kN)5954100212 各方案結(jié)果對比及原因分析2.1評價指標(biāo)對于氣缸套的變形，主要是分析其各截面（本文中分析的氣缸套截面均為氣缸套與活塞接觸部位的截面，截面編號從氣缸套頂部到底部從小到大依次排列）的失圓程度，失圓程度的大小直接關(guān)系到與活塞的配合問題。所以本文中，氣缸套變形的評價指標(biāo)主要有：同軸度：理論正確位置即為基準軸線。由于被測軸線對基準軸線的不同點可能在空間各個方向上出現(xiàn)，故其公差帶為一個以基準軸為

8、軸線的圓柱體，公差值為該圓柱體的直徑。圓柱度：是指任一垂直截面最大尺寸與最小尺寸差。包含了軸剖面和橫剖面兩個方面的誤差。圓柱度的公差帶是兩同軸圓柱面間的區(qū)域，該兩同軸圓柱面間的徑向距離即為公差值。截面最小半徑：氣缸套橫截面上的各點到截面中心的最小距離。越小則氣缸套變形越好。截面圓度：氣缸套橫截面上的各點到橫截面中心的最大距離減去氣缸套橫截面上的各點到橫截面中心的最小距離。圓度越小，表明截面變形越小。連續(xù)9個截面最小半徑：用于評判活塞拉缸的可能性。其定義是：缸套變形后，連續(xù)9個截面（活塞長度范圍內(nèi)）內(nèi)切圓柱半徑。若連續(xù)9個截面最小半徑大于活塞裙部的平均半徑，則活塞裙部不會拉缸，但若該截面半徑過大

9、，則在高速運行時，活塞會敲擊氣缸產(chǎn)生較大的噪聲。2.2 計算結(jié)果分析通過ANSYS的計算，氣缸套的各個評價指標(biāo)的變化圖和變化值如下圖（表）所示：圖3和圖4是不同方案氣缸套同軸度和圓柱度的比較趨勢圖，從圖中可以看出：對于不同的基準軸線，得到的氣缸套的同軸度和圓柱度的數(shù)值是不一樣的，其中，利用方法2得到的同軸度和圓柱度都有較大的降低，降幅分別是14.4%和9.6%（表2所示）。因此，在以后的計算過程當(dāng)中不能忽視基準軸線對計算結(jié)果造成的影響。 圖3 不同方案缸套同軸度比較 圖4不同方案缸套圓柱度比較 圖5不同方案截面最小半徑比較 圖6不同方案截面圓度比較圖7 連續(xù)9個截面最小半徑表2 不同方案氣缸套

10、指標(biāo)數(shù)值變化評價指標(biāo)方法1方法2變化值變化率缸套同軸度16.783214.3693-2.4139-14.4%缸套圓柱度83.675875.6698-8.006-9.6%截面最小半徑51.0081251.01620.0080.016%截面圓度0.0147620.0167620.00213.5%連續(xù)9各截面最小半徑51.005951.005750.000150.003%注：+表示增加，-表示降低。圖5圖7是不同方法氣缸套截面最小半徑、截面圓度和連續(xù)9個截面最小半徑的比較趨勢圖，從圖5可以看出，不同方法得到的氣缸套截面的最小半徑除了在截面1變化較大外，其余截面變化都很小（最大的變化率為0.016%）

11、，即兩條曲線的貼合性較好。這是因為氣缸套頂部的截面距離基準軸線最遠，軸線位置的變化對其影響最大；從圖6和圖7可以看出，不同方法得到的截面圓度和連續(xù)9個截面最小半徑的曲線圖變化都較小，但是截面19的圓度的變化率為13.5%，因而也不能忽視基準軸變化帶來的影響。即使截面19處在活塞下止點時的最下端，不會造成活塞和氣缸套太大的損害。3 結(jié)論 （1）相比較方法1（理想軸線），利用方法2（擬合軸線）得到的同軸度和圓柱度都有較大的降低，降幅分別是14.4%和9.6%，因此，在以后的計算過程當(dāng)中不能忽視基準軸線對計算結(jié)果造成的影響。 （2）不同方法得到的氣缸套截面的最小半徑除了在截面1變化率較大外（0.01

12、6%），其余截面變化都很小，即兩條曲線的貼合性較好。而氣缸套截面19的圓度變化率為13.5%，因此，不能忽視基準軸變化帶來的影響。 （3）利用有限元技術(shù)，創(chuàng)建精確的機體的有限元模型，可以很好地模擬氣缸套的變形情況，但是，分析氣缸套評價指標(biāo)時不能忽視基準的變化帶來的數(shù)值的變化。參考文獻1 HE Zhen-jun, ZHOU Jun-dong. Wear invalidation analysis and calculation on amount of abrasion for cam mechanism with flat bottomed translation followerJ. Journal of Machine Design, 2007(12):30-322 馮日德.6170柴