柴油机气缸垫紧固螺栓预紧力的调整

陈友伟

(辽宁铁道职业技术学院，辽宁 锦州 121000)*

0 引言

为提高柴油机气缸的密封性能，较为容易实现的方法是加大气缸盖螺栓的预紧力［1-3］.但加大螺栓预紧力必须要考虑给柴油机气缸盖及气缸垫带来的强度问题［4］.现在企业比较常用的是通过放置压力感应纸来检测气缸垫的表面受力和柴油机密封性能［5］.在按照企业设定的标准螺栓预紧力进行试验后，扫描试验所用压力感应纸上得到的图像，利用计算机对图像进行分析，从而判断柴油机气缸密封性能是否良好.这种方法虽然简单经济，但无法模拟柴油机启动后的实际工作环境，无法检测柴油机气缸垫在不同工况下的变形和受力，无法判断柴油机的密封性能.科研院所近年运用CAD/CAE等现代技术手段和分析方法对柴油机密封性能等问题开展了一定研究［6-8］.本文借助于ANSYS Workbench分析软件，利用模态分析方法开展模拟研究，通过分析柴油机气缸垫的形变和受力，多次调整气缸螺栓预紧力，最终确定最佳的螺栓预紧力以提高柴油机密封性能.

1 物理模型的建立

1.1 建立几何模型

使用SolidWorks软件建立数值研究的几何模型.由于缸体和缸盖对气缸垫的影响无法用约束准确表达，所以在建立几何模型时，建立包括气缸盖、气缸体、气缸垫、螺栓和垫圈的完整模型.建立模型时，如果全面表现气缸体和气缸盖复杂结构表面中的过小倒角，会在后续网格划分时，引起模型网格的畸变，影响计算精度，因而在建模中，省略对过小倒角的刻画.建模后，气缸盖几何模型如图1(a)所示，气缸盖几何模型如图1(b)所示，气缸垫几何模型如图1(c)所示.

图1 几何模型

1.2 设定接触类型和材料属性

对装配体模型的接触对类型和各个零件的材料属性分别进行定义，其中模型接触类型定义如表1所示，零件材料属性如表2所示.

表1 模型的接触类型

表2 模型的材料属性

1.3 划分网格

在对计算模型进行网格划分时，首先选用四面体单元Solid187进行计算区域网格的划分.为保证计算的精度，在局部细节处进行网格的细化.在气缸垫上下板和调整板间、气缸垫与气缸盖、气缸垫与气缸体加上接触控制尺寸，在接触面上产生大小一致的网格，保证接触部分网格质量.划分后，网格单元总数约16万，节点总数约30万，装配体和气缸垫网格如图2所示.

图2 模型网格示意图

1.4 设定边界条件

发动机装配体模态分析的边界条件有位移边界、接触边界和载荷边界.

(1)位移边界位移边界条件主要指装配体的位移约束，在装配体的侧表面上施加水平方向的位移约束，在装配体的底部施加竖直方向的位移约束;

(2)接触边界对于由气缸盖、气缸垫、气缸体组成的结构，在气缸盖螺栓的作用下，装配体接触面上有接触效应.在计算时系统会根据接触面间的接触边界条件自动进行接触力的传递，从而完成接触边界模拟.

(3)载荷边界设定发动机各个接触之间均匀，因而预紧力在接触面上平均分布.在设定紧固螺栓的预紧力边界条件时，将扭矩换算成作用力施加到螺栓上.

紧固螺栓设定为10.9级M10.螺栓的拧紧力矩(67±2)N·m.紧固螺栓预紧力根据以下公式计算:

式中:Ma为紧固螺栓扭矩;K取值为0.19;Fv为紧固螺栓预紧力;d为螺栓的公称直径.计算得紧固螺栓预紧力36.022 kN.

2 模态分析理论

在模态分析中，根据达朗贝尔原理，结构动力学方程为:

上式中［M］为质量矩阵;{ü}为节点加速度向量;［C］为阻尼矩阵;{ù}为节点速度向量;［K］为刚度矩阵;{u}为节点位移向量;{Fp}为节点等效载荷矩阵.

发动机多为金属材料，阻尼很小，对固有频率与振型的影响较小，所以上述方程中［C］值为0，另外由于无外力作用，{Fp}=0.方程简化为:

谐振时，方程为:

上式中ωi为固有圆周频率，φi为振型.

预应力条件下的模态分析，方程的系数发生变化，计算中需先进行线性的静态分析，再进行预应力条件下的模态分析.先对方程［K］{x0}={F}迭代求解，再基于静态分析的应力状态引入应力硬化矩阵［S］.从而将自由模态时的方程更改为预应力条件下模态分析方程:

3 调整计算过程

3.1 调整螺栓预紧力

步骤一:对全部螺栓施加36.022 kN螺栓预紧力.运用ANSYS Workbench软件分析气缸垫的形变和受力情况，通过分析气缸垫位移云图和气缸垫应力云图可知气缸垫两端和螺栓孔附近的应力比较大，且气缸垫左侧部分受力大于右侧部分的受力，这是由气缸体和气缸垫的左右结构差异引起的.

步骤二:柴油机气缸螺栓为M10螺栓，M10螺栓能够承受最大为38.7 kN的螺栓预紧力、最大扭矩为72 N·m.将柴油机气缸垫两端的四个螺栓的螺栓预紧力从33 kN逐渐增加到38.7 kN，中间六根螺栓的预紧力不变.通过对调整过程模拟计算结果的分析可知:当气缸螺栓预紧力增大到某一值后，气缸垫位移和应力值不再发生变化，从而将气缸垫右上和右下的两个螺栓预紧力均调整为34 kN，左上螺栓预紧力调整为36 kN，左下螺栓预紧力调整为35 kN.

步骤三:对气缸垫两侧中间的四个螺栓进行预紧力调整，将柴油机气缸垫中间四个螺栓的螺栓预紧力从33 kN逐渐增加到38.7 kN，气缸垫右上和右下的两个螺栓预紧力均调整为34 kN，左上螺栓预紧力调整为36 kN，左下螺栓预紧力调整为35 kN.气缸垫正中间两个螺栓按给定的36.022 kN施加螺栓预紧力.分析计算结果，当气缸螺栓预紧力增大到某一值后，气缸垫位移和应力不再发生变化，从而将气缸垫两侧中间四个螺栓的螺栓预紧力均调整为35 kN.右上和右下的两个螺栓预紧力均调整为34 kN，左上螺栓预紧力调整为36 kN，左下螺栓预紧力调整为35 kN.

步骤四:对气缸垫正中间的两个螺栓进行预紧力调整，将柴油机气缸垫正中间两个螺栓的螺栓预紧力从33 kN逐渐增加到38.7 kN，气缸垫两侧中间四个螺栓的螺栓预紧力均调整为35 kN.右上和右下的两个螺栓预紧力均调整为34 kN，左上螺栓预紧力调整为36 kN，左下螺栓预紧力调整为35 kN.通过分析计算，当调整螺栓预紧力到一定数值时，气缸垫应力和位移稳定，根据计算结果将气缸垫正中间两个螺栓的螺栓预紧力均调整为33 kN.

步骤五:通过上面四个步骤的分析，对柴油机气缸垫进行全面调整，经过调整后气缸螺栓预紧力如表3所示.四次调整后气缸垫的位移和应力情况如图3所示.

表3 调整前后螺栓预紧力比较 kN

图3 四次调整后气缸垫的位移及应力云图

3.2 螺栓预紧力瞬态测试

通过多次调整，最后确定柴油机气缸螺栓预紧力值，使气缸垫的受力均匀.使用求得的预紧力，对柴油机进行一次瞬态力分析，测试最终确定的螺栓预紧力的能否达到气缸密封性能和气缸强度的要求.瞬态分析中各缸输入燃烧压力如图4所示.

图4 各气缸输入燃烧压力曲线

瞬态分析后的发动机气缸垫应力云图、形变云图、接触应力云图如图5所示.分析计算结果可知，改变了预紧力后，气缸垫受力更为均匀.调整后，缸垫内圈的应力值为200～300 MPa，外圈应力值400～500 MPa，接触应力约几十兆帕，该压力可隔断燃烧室和水腔压力，同时也减少了结构中畸点的出现，对结构起到了保护的作用，避免局部结构受力过大而毁坏.

图5 气缸垫云图分析

4 结论

借助CAE现代分析方法和手段，通过分析应力、应变和位移云图，观察在施加不同的螺栓预紧力时气缸垫的变化情况.多次调整螺栓预紧力，通过观察气缸盖受力找出使云图变化的临界值或使气缸垫受力均匀的螺栓预紧力值，确定各螺栓的螺栓预紧力.最后对整个柴油机进行瞬态分析，通过施加气缸爆发压力，检测气缸垫的受力和变形，依此进行分析和判断施加的螺栓预紧力在柴油机工作中所产生的对气缸垫的压紧力能否满足柴油机的油压、水压等工作要求.最终确定了柴油机气缸各螺栓的预紧力.

［1］宋小文，卢斌，等.发动机气缸体螺纹联接强度有限元分析［J］.工程设计学报，2005，12(4):227-231.

［2］史彦敏，李卫民.汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析［J］.工程图学学报，2009，30(2):24-27.

［3］李会勋，胡迎春，张建中.利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究［J］.山东科技大学学报(自然科学版)，2006，25(1):57-59.

［4］段秋霞.发动机缸盖螺栓拧紧方法分析［J］.天津职业院校联合学报，2012，14(5):70-75.

［5］翟承伟.大型柴油机气缸系统流场/热-机耦合场非线性三维有限元分析［D］.上海:同济大学，2007.

［6］李迎，俞小莉，陈红岩，等.发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真［J］.内燃机学报，2007，25(3):252-257.

［7］杨军，吕露，王凯，常成.基于ANSYS的装配体的模态分析［J］.汽车实用技术，2011(5):24-26.

［8］陆金华.计算模态分析在发动机设计中的应用［J］.装备制造技术，2012，(4):25-27，38.