缸盖螺栓连接副结构对柴油机铝合金缸体缸孔变形的影响_包宇专.pdf
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1、第 44卷 第 3期2023年 6月Vol.44 No.3June 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering缸盖螺栓连接副结构对柴油机铝合金缸体缸孔变形的影响包宇专1,雷基林1,李维贤1,邓伟1,宋国富2,刘康2(1.昆明理工大学 云南省内燃机重点实验室,昆明 650224;2.昆明云内动力股份有限公司,昆明 650217)Influences of Structure of Cylinder Head Bolt Coupling on Cylinder Hole Deformation of Diesel Aluminum
2、 Alloy Cylinder BlockBAO Yuzhuan1,LEI Jilin1,LI Weixian1,DENG Wei1,SONG Guofu2,LIU Kang2(1.Yunnan Key Laboratory of Internal Combustion Engine,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650224,China;2.Kunming Yunnei Power Co.,Ltd.,Kunming 650217,China)Abstract:A cylinder headgasketblock co
3、upling model was presented and the numerical simulation method was used to determine the effects of changing the bolt hole design parameters on the key section of round cylinder hole deformation.And four evaluation indexes including the average roundness,cylindricity,coaxality,and light-leaking unde
4、r the condition that the same cylinder head bolt pre-tightening force was applied to both cast iron cylinder and aluminum alloy cylinder.According to the study,there is almost no difference in the deformation trend of the key section between cast iron cylinders and aluminum alloy cylinders as shown
5、in the Fourier transformation.The average roundness,cylindricity,and coaxality rose by 54.41%,38.39%,and 27.08%,respectively,with little difference in light-leaking.In the case of aluminum alloy cylinders,a lower counterbore hole to bolt hole ratio led to less comprehensive deformation of each secti
6、on and lower average roundness,cylindricity,and coaxality.However,the section below the main force section of the screw thread was less consistent in the extreme phase angle of the fourth-order Fourier deformation.When the counterbore depth was kept constant while the length of the screw thread was
7、raised properly,the average roundness,cylindricity,and coaxality of cylinder holes decreased most dramatically.As the length of screw thread was kept constant while the counterbore depth was reduced,the average roundness,cylindricity,and coaxality of cylinder holes were the smallest,and decreased by
8、 32.74%,31.24%,and 39.34%respectively,compared with the original cylinder block.摘要:通过建立缸盖 缸垫 缸体耦合模型,采用数值仿真方法,研究了柴油机铸铁缸体和铝合金缸体在施加相同缸盖螺栓预紧力时,改变螺栓孔设计参数对缸孔关键截面失圆变形和平均圆度、圆柱度、同轴度和漏光率 4 个评价指标的影响。研究发现,铸铁缸体和铝合金缸体的关键截面在傅里叶变换下变形趋势基本一致,除了漏光率基本不变外,平均圆度、圆柱度、同轴度分别增大了 54.40%、38.39%、27.08%;对于铝合金缸体,减小沉孔和螺栓孔比值能减小各截面的综
9、合变形,同时平均圆度、圆柱度、同轴度也会减小,但处于螺纹主要受力段以下的截面在傅里叶四阶变形的极值相位角一致性变差;保持沉孔深度不变,适当增加螺纹旋合长度方文章编号:1000-0925(2023)03-0114-11440040收稿日期:2022-09-29修回日期:2022-11-29基金项目:云南省科技厅重大科技专项项目(202202AB080011)Foundation Item:Yunnan Provincial Science and Technology Department Major Science and Technology Project(202202AB080011)作
10、者简介:包宇专(1997),男,硕士生,主要研究方向为铝合金缸体结构优化设计,E-mail:;邓 伟(通信作者),E-mail:。内燃机工程2023年第 3期案下缸体缸孔平均圆度、圆柱度、同轴度下降速率最明显;保持螺纹不变,减小沉孔深度方案下缸体缸孔平均圆度、圆柱度、同轴度的值最小,相较于原始缸体分别下降了 32.74%、31.24%、39.34%。关键词:铝合金缸体;缸盖螺栓预紧力;螺栓孔;缸孔变形;傅里叶变换;评价指标Key words:aluminum alloy cylinder block;cylinder head bolt preload;bolt hole;cylinder b
11、ore deformation;Fourier transform;evaluation indexDOI:10.13949/ki.nrjgc.2023.03.014中图分类号:TK4220概述柴油机是目前动力机械中转化效率最高、燃料最节省、产业化应用最广的机械之一,在工农业、交通和国防等领域有重要作用。缸体是构成发动机的骨架,也是柴油机中质量最大的零部件1。对柴油机机体进行轻量化设计可以有效减轻整车质量,汽车质量每降低 100 kg 则每百公里可节约 0.6 L 燃油,污染物排放量也会随之减少2。轻量化材料的应用是轻量化最为直接和高效的手段3,研究发现铸铝材料具有很高的轻量化潜力45。对于中
12、小功率民用铝合金缸体柴油机的研发,国内与国外存在较大差距。2015 年,奔驰研发了首款全铝材质 2.0T 4 缸柴油发动机,代号 OM654,铝制曲轴箱承受的最高压力可达 20.5 MPa,搭载在 E220d车型上。文献 6 中研究发现在铸铝发动机缸体与铁缸套的制造过程中会产生高残余应变应力。文献7 中用改性铝合金制造的缸体在柴油机上通过了300 h 的耐久性测试。文献 8 中发现了将铁合金采用 Rota Plasma 技术喷涂到铝合金缸孔上能提高耐蚀性和耐磨性。国内的民用中小功率柴油机铝合金缸体研发处于起步阶段,大多在高校进行试验,如中北大学进行了铝合金缸体的微动疲劳寿命预测试验910,华中
13、科技大学进行了柴油机铝合金缸体与铁基缸套结合性能研究11。2017 年玉柴研发了代号为 YC4Y、YC4W、YC4R 的 3 款全铝缸体柴油机结构,但应用范围有限。目前柴油机的功率越来越大,缸体缸盖之间的密封要求也越来高,螺栓预紧力随最高燃烧压力进一步增大,同时带来了严重的缸孔变形12,缸孔变形增大会增大漏气漏油量,加大机油耗,恶化排放,降低缸套与活塞环的摩擦润滑性能,增大磨损,造成起动时拉缸13。尤其是铝合金的机械强度弱于铸铁,采用铝合金铸造的缸体缸孔变形必然会大于铸铁缸体。对于铸铁缸体缸孔的研究,无论是有缸套还是无缸套的柴油机,国内外都有相当成熟的研究1417,但对于柴油机铝合金缸体的研究
14、大都处于科研试验阶段,铝合金缸体的研发也是未来研究的重点。本文中以一台两缸非道路柴油机为研究对象,采用数值仿真方法,在对铸铁和铝合金缸体施加相同螺栓预紧力的情况下,改变螺栓孔的设计参数,发现了降低缸孔的变形的内在机理,提升了缸孔的整体性能,为民用中小功率铝合金缸体的设计制造提供参考。1有限元模型的建立1.1模型建立以一款两缸非道路柴油机为研究对象,其基本参数如表 1 所示。图 1 为装配体有限元模型爆炸图,包括缸体、缸盖、缸盖螺栓、缸垫。表 1发动机技术参数项目柴油机型式吸气形式缸径/mm行程/mm气缸数量排量/L压缩比标定功率/kW最大转矩/(N m)参数直列水冷四冲程增压中冷819720.
15、991735(3 200 r/min)120130(1 9002 400 r/min)图 1装配体有限元模型爆炸图 1152023年第 3期内燃机工程1.2材料属性各个零件的材料属性如表 2 所示。1.3载荷及约束条件1.3.1载荷在预紧工况下,机体主要承受螺栓预紧力的作用,采用拧紧力矩法加载机体、缸盖和螺栓之间的预紧力。螺栓的拧紧力矩 T 和螺栓预紧力 F 的计算公式如式(1)式(3)所示。T=T1+T2(1)T1=F d22tan(+v)(2)F=2Td2tan(+v)+23fcD30-d30D20-d20(3)式中,T1为螺旋副的摩擦力矩;T2为螺栓头部和缸盖接触面间的摩擦阻力矩;为螺纹
16、升角;d2为螺纹中径,mm;d0为螺纹孔直径,mm;D0为螺栓头部直径,mm;v为螺旋副的当量摩擦角;fc为接触面摩擦系数。气缸盖螺栓公称直径为 12 mm,螺距为 1.5 mm,预紧力矩为 210 N m,预紧力为 91 000 N。1.3.2约束条件为了尽可能地减小约束条件对缸孔变形产生的影响,应将约束位置远离缸孔,同时模拟发动机在装配下的状态,在机脚位置施加了全约束。图 2 为缸体网格模型及约束示意图。1.4缸体仿真模型验证图 3 为缸体模态测试现场图。对缸体进行模态 试 验,将 缸 体 用 橡 皮 绳 悬 置,使 其 处 于 自 由 状态,将 加 速 度 传 感 器 粘 接 于 机 体
17、 的 各 测 量 节 点。利用力锤逐点激励缸体的各测点,采集各传感器信号,使用基于 LabVIEW 开发的模态测试分析系统 ModalVIEW 进行模态估计。通过试验模态分析与有限元计算模态分析,分别得到机体的各阶固有频率及主振型。动力学分析主要考虑系统的低 阶 固 有 频 率,故 比 对 前 6 阶 的 自 由 模 态 的 主振型。表 3 为不同材料缸体计算与试验模态的固有频率。由表 3 可看出,铸铁的计算模态与试验模态的前六阶固有频率的值误差很小。图 4 为 不 同 材 料 缸 体 的 试 验 与 计 算 模 态 振型。铸 铁 缸 体 的 试 验 模 态 和 计 算 模 态 的 前 六 阶
18、振型基本一致,而铝合金缸体的振型又与铸铁基本 类 似,各 阶 次 下 的 变 形 趋 势 也 基 本 一 致,可 以推 断 出 铝 合 金 缸 体 与 铸 铁 缸 体 有 相 同 的 刚 度分度。综上,利用模态试验验证了理论模型和试验模型的正确性,以此验证缸盖 缸垫 缸体耦合模型的可行性。图 2缸体网格模型及约束示意图表 2各零件材料属性部件铸铁缸体铝合金缸体缸盖螺栓缸垫材料HT250ZL205Zl11740Cr1Cr17Ni7密度/(kg m-3)7 8002 8002 7007 8507 350弹性模量/(N mm-2)124 00072 00070 000210 000134 000泊松
19、比0.260.330.330.300.30表 3不同材料缸体计算与试验模态的固有频率阶次一阶二阶三阶四阶五阶六阶铸铁缸体模态频率/Hz计算6519681 1501 3421 5021 719试验6469931 0591 3221 5201 639铸铁缸体计算与试验误差/%-0.61-2.52-1.02-0.82-2.02-0.42铝合金缸体计算模态频率/Hz8061 1871 3251 6561 8772 061图 3缸体模态测试现场 116内燃机工程2023年第 3期2评价方法2.1傅里叶变换图 5 为傅里叶变换下前五阶缸套失圆变形示意图。零阶表示缸孔沿同心圆径向的膨胀或收缩;一阶表示缸孔的
20、偏心偏移;二阶表示缸孔中心的椭圆变形,变形主要是受最外侧 2 颗螺栓预紧力作用和缸体自身刚度分布不均匀造成的;三阶表示缸孔的三角花瓣变形;四阶表示缸孔的四角花瓣变形,主要受 4 颗缸盖螺栓预紧力的影响18。如图 1 所示,缸体 2 缸飞轮端壁面存在一冷却水出口,造成 2 缸的刚度低于 1 缸,故提取 2 缸缸孔的顶面(上止点),活塞处于上止点时活塞油环处、活塞处于上止点活塞销孔中心处、活塞处于上止点活塞裙部最低点、下止点和活塞处于下止点时油环位置共 6 个截面处的缸孔径向失圆变形,各个截面距离顶面的距离如表 4 所示。将顶面、上止点活塞销孔中心处、下止点这 3 个截面分别用 C1C3 表示,对
21、 3 个截面进行了傅里叶变换,将铸铁用“HT”表示,铝合金用“ZL”表示,“HT-C1”表示铸铁缸体顶面截面,以此类推。图 6 为铸铁缸体和铝合金缸体缸孔径向失圆变形对比。图 6 中,变形量负值表示此处变形相较于基圆内凹。在螺栓预紧力作用下,铸铁缸体和铝合金缸体的关键截面在傅里叶变换下变形趋势基本一致,缸套的综合变形沿着缸孔从上到下逐渐减小。铸铁最大变形量为 2.21 m,铝合金最大变形量为3.00 m,相比铸铁增大 22.17%;铸铁缸体最小变形 量 为-0.80 m,铝 合 金 缸 体 最 小 变 形 量 为-1.18 m,铝合金最小变形量绝对值相比铸铁增大了 47.50%。表 5 和表
22、6 分别为铸铁缸体和铝合金缸体缸孔关键截面径向失圆变形情况。结合图 6 可以看出不同型线下缸孔变形的极值及其相位,在综合变形和四阶变形下 C1 截面变形最大,二阶变形 C3 截面变形最大,三阶变形 C2 截面最大。C3 截面在四阶变形上极值相位角与 C1 和 C2 有较大的区别,基本呈现相反的趋势。图 4不同材料缸体的试验与计算模态振型表 4各截面距离顶面的距离截面位置顶面(上止点)上止点活塞油环上止点活塞销孔中心上止点活塞裙部最低点下止点下止点时活塞油环缸孔有效长度距离顶面距离/mm023436797120124图 5傅里叶变换下前五阶缸套失圆变形示意图 1172023年第 3期内燃机工程2
23、.2圆度、圆柱度、同轴度和漏光率虽然采用傅里叶变换能计算缸孔不同截面下的不同阶次失圆变形,但是只能描述某一截面上的具体变形情况,缺乏对缸孔变形的整体描述,目前评价缸孔整体变形的指标主要是圆柱度、同轴度、圆度和漏光率等,文献 1922 中详细地给出了这几种评价标准的计算方法。图 7 为圆度示意图。利用截面数据绘制成不规则的圆,不规则圆有一个最大内切圆和最小外接圆,两个圆的半径差就是圆度。图 8为同轴度示意图。利用截面数据绘制成不规则的圆,这些不规则圆有一个最大内切圆柱和最小外接圆柱,两者半径值差即为圆柱度。图 9 为圆柱度示意图。利用截面数据绘制成不规则的圆,先求出这些不规则圆的形心;再求出各形
24、心的平均坐标点;最后以平均形心点建立坐标系,取一个能将所有形心包围的圆的半径即为同轴度。本文中利用最小二乘法求取截面的形心。图 6铸铁缸体和铝合金缸体缸孔径向失圆变形对比表 5铸铁缸孔关键截面径向失圆变形情况变形类别综合变形二阶变形三阶变形四阶变形截面C1C2C3C1C2C3C1C2C3C1C2C3最大变形量/m2.211.430.550.080.030.180.150.300.030.210.200.08最大变形量对应相位/()80553124343309611389026961最小变形量/m-0.80-0.47-0.21-0.08-0.03-0.18-0.15-0.30-0.03-0.21
25、-0.20-0.08最小变形量对应相位/()19717515822113413411240196316134196表 6铝合金缸孔关键截面径向失圆变形情况对比变形类别综合变形二阶变形三阶变形四阶变形截面C1C2C3C1C2C3C1C2C3C1C2C3最大变形量/m3.002.420.970.080.050.120.130.180.020.160.120.07最大变形量对应相位/()4355551161922187218113026926565最小变形量/m-1.18-0.74-0.32-0.07-0.05-0.12-0.13-0.18-0.02-0.16-0.12-0.07最小变形量对应相位/
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