□段志辉 □蒋玉宝 □张得玥 □张 斌 □张云飞
中国第一汽车股份有限公司 长春 130011
目前,为了满足欧Ⅵ和欧Ⅴ排放标准,人们对发动机缸盖铸铁材料的力学性能、物理性能和使用性能提出了更高的要求。当前,市场中大排量柴油机的缸盖材料主要有两种:灰铸铁和蠕墨铸铁[1]。蠕墨铸铁拥有更好的力学性能,其抗拉强度、刚度均优于灰铸铁,越来越多的高性能发动机缸盖材料开始采用蠕墨铸铁[2]。采用蠕墨铸铁确实解决了很多灰铸铁缸盖存在的缺陷,如缸盖热疲劳断裂等,然而更换这种刚度较大的缸盖材料,对缸套缸筒的变形影响如何,并没有详细的研究记录。缸筒变形会影响发动机的机油消耗量和下窜气量,降低发动机的使用性能和可靠性。笔者就两种不同材料——HT250和RT450缸盖对缸套缸筒变形的影响进行分析。
缸筒的变形测量采用V200型缸筒变形测量系统,试验装置如图1所示。此系统采用接触式测量方式,精度为±1 μm,可以对变形进行傅立叶解析,根据所求得的傅立叶因数评价变形情况。傅立叶解析的物理概念[3]如图2所示。
以某一柴油机为例,该柴油机为直列六缸,缸径为126.5 mm,冲程为166 mm,缸套形式为目前市场中广泛应用的顶置湿缸套,分别测量安装HT250缸盖和RT450缸盖状态下的缸筒变形,在距缸体顶面6 mm到距缸体顶面180 mm之间选取21个测量截面,结果见表1、表2。
图1 试验装置
图2 傅立叶解析物理概念
表1 安装HT250缸盖测量结果
表2 安装RT450缸盖测量结果
由表1、表2可知,安装RT450缸盖状态下,2号、3号、4号、5号缸筒的二阶傅立叶因数测量结果比HT250缸盖大,且超出评价限值。
为分析安装RT450缸盖状态下缸筒变形大的原因,选取2号缸筒的测量数据进行详细分析。2号缸筒各截面的二阶傅立叶因数见表3,变形直观曲线如图3所示。
表3 2号缸筒二阶傅立叶因数
图3 变形直观曲线
由表3和图3可以看出,变形主要发生在距刚体顶面55 mm以下,向下依次增大。缸套和缸体的装配示意图如图4所示。
图4 缸套和缸体装配示意图
缸套轴向采用顶端台肩定位A,径向采用顶部凸圆定位B和下部定位C[4]。B、C处均为间隙配合,缸盖压紧后,只有缸套顶部受力,且只受轴向力,缸盖底板通过缸垫对缸套顶端施加力F1。缸体缸孔的受力如图5所示,缸孔周围主要受到缸盖螺栓施加的力F3和缸套施加的力F4,这两个力由于不在同一直线上,因此会对缸体顶端产生弯矩M,缸体顶端会弯曲变形,使支撑肩降低[5]。
图5 缸体缸孔受力
如图6所示,由于缸孔周围的刚度不一致,两缸间壁厚较小,刚度较差,施加同样的螺栓力后,两缸间变形较大,支撑肩降低较多,缸套被压紧后会变为如图7所示状态,缸套本身受到一个弯矩,这个弯矩是缸套变形的根本原因[6]。
由图3还可以看出,缸套变形在距缸体顶面145 mm处有一个明显的转折,原因为145 mm处为缸套的过渡区域,缸套底部壁厚变小,由此可以推断壁厚对缸套的缸筒变形有较大影响[7]。
图6 缸体结构
图7 缸套变形示意图
对比表1、表2的测量结果,在只改变缸盖材料的情况下,缸筒变形情况差别很大,由此推断缸盖材料对变形有很大影响。
HT250与RT450的力学性能差异[8]见表4。HT250比RT450硬度小,在缸盖结构设计相同的前提下,HT250缸盖具有较小的刚度,抵抗变形的能力较差。当缸盖被压紧时,会通过缸盖自身的变形来弥补缸体的变形,这样会使缸套顶端的弯曲变形减小,有利于控制缸套缸筒的变形。
表4 缸盖材料力学性能
缸盖材料会影响缸套缸筒的变形,影响因素主要是材料的硬度,在缸盖结构设计相同的前提下,硬度越高,缸筒变形越大,原因为较高的硬度会增大缸套顶端的弯曲[9]。
在发动机设计中,应考虑缸盖材料对缸筒变形的影响,选用蠕墨铸铁这种硬度较大的材料时,建议可以通过以下几点来改善缸筒的变形情况:
(1)采用较小刚度的缸盖结构设计;
(2)增大缸体两缸间的刚度,或减小缸体左右方向上的刚度,减小缸孔两个方向上的刚度差;
(3)增大缸套厚度,考虑到厚度大不利于散热,可以采用局部厚度增大的缸套结构设计[10]。
对于笔者举例的机型,变形在距缸体顶面55 mm处开始超出限值,如果在50~90 mm处增大缸套的厚度,那么可以有效控制缸套的变形。