发动机基准变化对气缸套评价指标的影响

发动机基准变化对气缸套评价指标的影响卞伟伟1张晓晔2谢锋2聂向阳2常发集团摘要：以江苏某厂四缸柴油机为研究对象，利用PRO/E三维软件和HyperMesh软件建立结构的实体模型和网格模型，采用ANSYS软件进行计算，通过采用不同的基准来分析气缸套变形，从而得出了基准变化对气缸套评价指标的影响。计算结果表明：不同基准下得到的气缸套评价指标，由于基准的变化而产生的误差不能忽略。这一结论可以给仿真分析人员在分析气缸套的变形过程中提供一定的技术支持。关键词：柴油机；主轴承孔；气缸套；有限元中图分类号：TK402文献标识码：BTheEffectofBenchmarkChangetotheCylinderIndexofDieselEngineAbstract:Afour-cylinderdieselenginewasresearchedinthispaper.EntitymodelandfiniteelementmodelwerecreatedbyPRO/EandHyperMeshsoftware.TheanalysiswascarriedoutbythesoftwareofANSYS,whichtogettheeffectsonthecylinderduetothebenchmarkchange.Theresultindicatethatastheaxisofthemainbearingholeisthecoordinatebenchmarkforthecylindersandotherpartsdeformationanalysis,therefore,somechangemaybeappearedfortheevaluationofthecylindersbecauseofthechangeofthebenchmark.Thatitshouldbeusedinthefollowingdesignandanalysisofthecylinder.Keywords:Dieselengine,Mainbearinghole,Cylinder,FEA引言主轴承孔是发动机的一个重要安装孔[1][2]，起着支撑、安装轴瓦和曲轴的作用。主轴承孔在受到螺栓预紧力和气缸爆发力时会产生一定的变形，其变形直接影响到发动机的工作状态和各种性能指标。主轴承孔轴线是发动机分析的第一基准轴线，其变化直接影响到其他各基准面的变化（图1所示），而影响最大的为气缸套的投影基准面。气缸套的各个评价指标均以气缸套轴线作为基准，不论主轴承孔的变形如何，要求气缸套轴线必须始终与主轴承孔轴线相垂直，因此，必须分析主轴承孔变形后新的基准对气缸套各项评价指标的影响。1有限元模型的建立1.1方案说明本文以对比的方法进行讨论，方法1：用变形前的主轴承孔轴线（理想轴线）作为基本的基准来分析气缸套的一系列参数，从而得出原始结果。方法2：用变形后的拟合出来的主轴承孔的轴线（拟合轴线）作为基本的基准来分析气缸套参数，得出新的结果，然后与原始结果进行对比，分析在这两种基准下计算结果的差别。1.2建立实体模型为了能更好的模拟实际情况，严格按照二维图纸的尺寸用PRO/E创建机体、缸盖等主要零件和其他附件，利用HyperMesh进行网格划分[3][4]。缸套采用十节点四面体单元，缸垫采用八节点六面体单元，其他部分由于不是重点考察对象采用四节点四面体单元。完成后如图2所示。图1投影轴线图2有限元网格模型1.3边界条件的确立（1）约束边界条件：在飞轮壳与离合器连接的圆周上取2个对称的螺栓位置以及左右悬架螺栓位置施加相应方向的位移约束，机体和各零件间施加接触边界，实现接触模拟。（2）力边界条件：气缸盖螺栓、水泵螺栓和飞轮壳螺栓等的预紧力。按照设计手册中螺栓预紧力的计算公式和厂方提供的数据可得各种螺栓的预紧力如表1所示。对于工作工况，设定爆发压力为13.5MPa。本文采用的工作工况是二缸爆发的工况（3）温度边界条件[5]：温度场计算借用近似机体的实验值，设置气缸盖温度为100oC，其它零件的温度均粗略地设为50度，此外设置环境温度25度。表1机体组件上螺栓预紧力气缸盖螺栓飞轮壳螺栓主轴承盖螺栓左右悬架螺栓拧紧力矩(N.m)16712733250预紧力(kN)5954100212各方案结果对比及原因分析2.1评价指标对于气缸套的变形，主要是分析其各截面（本文中分析的气缸套截面均为气缸套与活塞接触部位的截面，截面编号从气缸套顶部到底部从小到大依次排列）的失圆程度，失圆程度的大小直接关系到与活塞的配合问题。所以本文中，气缸套变形的评价指标主要有：同轴度：理论正确位置即为基准轴线。由于被测轴线对基准轴线的不同点可能在空间各个方向上出现，故其公差带为一个以基准轴为轴线的圆柱体，公差值为该圆柱体的直径。圆柱度：是指任一垂直截面最大尺寸与最小尺寸差。包含了轴剖面和横剖面两个方面的误差。圆柱度的公差带是两同轴圆柱面间的区域，该两同轴圆柱面间的径向距离即为公差值。截面最小半径：气缸套横截面上的各点到截面中心的最小距离。越小则气缸套变形越好。截面圆度：气缸套横截面上的各点到横截面中心的最大距离减去气缸套横截面上的各点到横截面中心的最小距离。圆度越小，表明截面变形越小。连续9个截面最小半径：用于评判活塞拉缸的可能性。其定义是：缸套变形后，连续9个截面（活塞长度范围内）内切圆柱半径。若连续9个截面最小半径大于活塞裙部的平均半径，则活塞裙部不会拉缸，但若该截面半径过大，则在高速运行时，活塞会敲击气缸产生较大的噪声。2.2计算结果分析通过ANSYS的计算，气缸套的各个评价指标的变化图和变化值如下图（表）所示：图3和图4是不同方案气缸套同轴度和圆柱度的比较趋势图，从图中可以看出：对于不同的基准轴线，得到的气缸套的同轴度和圆柱度的数值是不一样的，其中，利用方法2得到的同轴度和圆柱度都有较大的降低，降幅分别是14.4%和9.6%（表2所示）。因此，在以后的计算过程当中不能忽视基准轴线对计算结果造成的影响。缸套同轴度1313.51414.51515.51616.517方法1方法2单位/µm缸套圆柱度707274767880828486方法1方法2单位/µm图3不同方案缸套同轴度比较图4不同方案缸套圆柱度比较截面最小半径5151.0151.0251.0351.0451.0505101520截面最小半径/mm方法1方法2截面圆度0.010.020.030.040.050.060.0705101520截面圆度方法1方法2图5不同方案截面最小半径比较图6不同方案截面圆度比较连续9个截面最小半径51.004851.006951.00951.011151.013251.01530510截面最小半径/mm方法1方法2图7连续9个截面最小半径表2不同方案气缸套指标数值变化评价指标方法1方法2变化值变化率缸套同轴度16.783214.3693-2.4139-14.4%缸套圆柱度83.675875.6698-8.006-9.6%截面最小半径51.0081251.01620.0080.016%截面圆度0.0147620.0167620.00213.5%连续9各截面最小半径51.005951.005750.000150.003%注：+表示增加，-表示降低。图5~图7是不同方法气缸套截面最小半径、截面圆度和连续9个截面最小半径的比较趋势图，从图5可以看出，不同方法得到的气缸套截面的最小半径除了在截面1变化较大外，其余截面变化都很小（最大的变化率为0.016%），即两条曲线的贴合性较好。这是因为气缸套顶部的截面距离基准轴线最远，轴线位置的变化对其影响最大；从图6和图7可以看出，不同方法得到的截面圆度和连续9个截面最小半径的曲线图变化都较小，但是截面19的圆度的变化率为13.5%，因而也不能忽视基准轴变化带来的影响。即使截面19处在活塞下止点时的最下端，不会造成活塞和气缸套太大的损害。3结论（1）相比较方法1（理想轴线），利用方法2（拟合轴线）得到的同轴度和圆柱度都有较大的降低，降幅分别是14.4%和9.6%，因此，在以后的计算过程当中不能忽视基准轴线对计算结果造成的影响。（2）不同方法得到的气缸套截面的最小半径除了在截面1变化率较大外（0.016%），其余截面变化都很小，即两条曲线的贴合性较好。而气缸套截面19的圆度变化率为13.5%，因此，不能忽视基准轴变化带来的影响。（3）利用有限元技术，创建精确的机体的有限元模型，可以很好地模拟气缸套的变形情况，但是，分析气缸套评价指标时不能忽视基准的变化带来的数值的变化。参考文献[1]HEZhen-jun,ZHOUJun-dong.Wearinvalidationanalysisandcalculationonamountofabrasionforcammechanismwithflatbottomedtranslationfollower[J].JournalofMachineDesign,2007(12):30-32[2]冯日德.6170柴油机连杆、机体加工中几个难点问题的工艺性研究[D].天津:天津大学,2003.[3]舒歌群,基于HyperWorks的柴油机油底壳有限元建模和结构优化[J].小型内燃机与摩托车,2008（1）：25-27[4]孙少军,张俊红,程晓鸣.基于计算机辅助工程(CAE)技术的凸轮轴应力分析[J].现代车用动力[5]刘月花.柴油机气缸套温度场有限元分析[J].拖拉机与农用运输车,2006(6):75-77.