用于模拟珩磨中的仿真缸盖设计

(长城汽车股份有限公司，河北省汽车工程技术研究中心，保定 071000)

0 引言

为降低发动机机油耗和活塞漏气量，提升发动机性能，需要降低缸孔圆柱度。笔者通过生产使用经验梳理了仿真缸盖的设计要点，并应用CAE仿真分析方法对比不同刚性、不同高度、不同结构、不同材料的仿真缸盖对复装产品缸盖的还原效果，为生产使用提供了理论依据。

1 仿真缸盖与产品缸盖区别

1.1 产品气缸盖

产品缸盖是发动机的关键零件之一，主要用于封闭气缸体上部，与活塞构成燃烧室，并作为发动机配气机构中凸轮轴、气门和进、排气管的支撑。其承受紧固缸体螺栓及其他发动机附件的安装预紧力，承受发动机工作时的高温高压燃气所施加的机械负荷和热负荷。为此，其内部需要设置燃烧所需的进、排气道和降低燃烧后零件升温所需的冷却水套及润滑配气机构部分零件的润滑油油道，因此产品气缸盖结构复杂。某产品缸盖如图1所示。

1.2 仿真缸盖

仿真缸盖是缸体加工过程中合装缸盖螺栓的载体，属于生产过程中的一种工装。其需要设置缸孔加工避让孔，让加工刀具从其顶面进入加工缸孔；同时需要考虑其使用的方便性，如周转、搬运、更换、定位及可追溯。某仿真缸盖如图2所示。

图1 产品缸盖

图2 仿真缸盖

2 仿真缸盖设计要点

2.1 设置缸孔精镗或珩磨避让孔

缸孔精镗或珩磨的避让孔孔径应介于缸孔倒角大径和气缸盖垫片上缸孔密封筋最小直径之间。避让孔孔径设计过大，将造成气缸盖垫片缸孔密封筋不能全部覆盖，造成密封筋在螺栓拧紧后不能完全使缸孔均匀变形，缸孔模拟珩磨不能达到预期效果。

2.2 采用可更换式螺栓座面垫片

仿真缸盖长期使用后，螺栓接触面磨损，螺栓拧紧时易产生虚假力矩，影响拧紧效果。更换仿真缸盖本体成本高，将螺栓接触面设计为组合装配形式，采用可更换式螺栓座面垫片来规避此问题，如图3所示。

考虑长期使用，更换式螺栓接触面垫片一般选择耐磨性材料，硬度较仿真缸盖螺栓高。垫片上的螺栓孔需要采用R圆弧倒角。若采用尖角过渡，螺栓拧紧后，螺栓法兰面可能会被锐角划伤，产生飞边或毛刺，易掉落入发动机油腔，造成关键运动件摩擦。

2.3 缸盖定位销固定形式设计

由于仿真缸盖重复使用，长期使用后定位销存在一定程度的磨损，需要定期更换。为此，参考夹具设计将仿真缸盖上的定位销设计成可更换式结构，如图4所示。图4中的方式1是将定位销的一侧面设计为斜平面，用螺钉压紧斜平面进行紧固；方式2是将定位销设计为内螺纹结构，用螺栓紧固。

图3 可更换式螺栓座面垫片

图4 定位销安装形式

2.4 追溯防错设计

批量生产中气缸盖垫片、仿真缸盖和缸盖螺栓(或工艺螺栓)均有使用次数要求，需要记录。记录工作量大且复杂，人工实现困难，要求实现自动记录功能，采用二维码或FRID芯片方式进行追溯。将气缸盖垫片、螺栓集成到仿真缸盖上，在仿真缸盖上设置二维码标牌或安装芯片。在装配仿真缸盖前设置读取装置，进行读取，利用工控网络实现信息的识别、存储、查询和追溯功能。

2.5 多产品兼容及轻量化设计

仿真缸盖要求使用寿命长、耐磨损、不变形，故其材料一般选型高硬度模具钢，需经热处理后使用。

装配仿真缸盖时若采用产品螺栓拧紧，同系列不同机型螺栓长度不一致，为实现多机型仿真缸盖通用性最大化，将仿真缸盖设计成3层组合式结构，采用螺栓连接。顶层和底层采用模具钢，不同机型通用，中间层采用其他材料，其厚度尺寸根据不同机型进行设计。

为减轻抽检过程中搬运强度，顶层和底层的厚度在满足刚性的前提下尽可能薄，中间层材料采用铝材质。

2.6 其他设计要求

根据需要，在仿真缸盖上设计固定更换式螺栓座面垫片的螺栓孔、传输仿真缸盖用的流转导向孔及机器人自动拆卸固定孔。

3 仿真缸盖结构形式

鉴于产品缸盖与仿真缸盖的使用差异，从仿真缸盖的结构、材质、刚性、高度等方面，针对某EB机型4缸铸铝发动机缸体，通过CAE模拟装配分析，对比缸孔不同截面变形，确定最优实施方案。合装缸盖后缸孔不同深度的截面变化均不一致，为实现量化对比，取涵盖缸孔全长(130 mm)内活塞运动的关键位置进行对比评价，确定最终评价位置(各截面距缸体顶面距离)为：10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、110 mm。

3.1 结构影响

产品缸盖内部有冷却液腔和油道，各部位刚性分布有差异。为使仿真缸盖刚性分布与产品缸盖刚性分布尽可能保持一致，进行计算机辅助工程(CAE)分析。CAE分析边界：(1)用产品缸盖加工出具有缸孔避让孔的仿真缸盖(仿真缸盖1)；(2)用铝块直接加工出具有缸孔避让孔和缸盖紧固螺栓通孔的仿真缸盖(仿真缸盖2),如图5所示。2种仿真缸盖的高度均为64 mm。模拟计算结果显示，仿真缸盖1对缸体缸孔变形的影响与仿真缸盖2的比较接近；但2种仿真缸盖与产品缸盖对缸孔变形的影响差异大，如图7所示。原因是2种仿真缸盖加工出缸孔避让孔，使整体刚性变弱，且结构无法进行优化，造成模拟珩磨不能100%还原缸体装配产品缸盖状态下的变形。

3.2 材质影响

仿真缸盖2多次使用后易变形，耐磨损性能差，批量生产使用时更换周期短、采购成本高，故需要选择高刚性、耐磨损的模具钢。保持仿真缸盖2的高度(64 mm)不变，将其设计成分层结构的仿真缸盖(仿真缸盖3)，顶层和底层为模具钢，中间采用铝材料，其厚度在保证缸盖刚性的前提下尽可能加厚，如图6所示。经CAE对比分析，装配缸体后的仿真缸盖3缸孔与仿真缸盖2对缸孔变形的影响趋势一致，最大差异<0.5 μm，如图7所示。在保证仿真缸盖刚性情况下，进一步提升刚性对缸孔变形无明显改善。

图5 仿真缸盖结构

图6 模具钢分层仿真缸盖

3.3 高度影响

不同机型发动机共线生产，如使用相同仿真缸盖，就会造成珩磨行程变化而需要改造珩磨设备。为避免现场设备改造投入成本过高，采用降低仿真缸盖高度+工艺螺栓。为验证仿真缸盖高度对缸孔变形的影响，将仿真缸盖3的高度降低至40 mm，记为仿真缸盖4。经CAE仿真分析，仿真缸盖4与仿真缸盖2和仿真缸盖3对缸孔变形的影响趋势一致，如图7所示，最大变形差异<1 μm。由图7可见，在保证仿真缸盖刚性情况下，减少仿真缸盖高度对缸孔变形影响很小，可忽略不计。

图7 各仿真缸盖对缸孔变形影响情况

采用常规珩磨工艺和模拟珩磨工艺，在EB四缸机型上分别各加工2个缸体并测量验证。加工完成后分别装配产品缸盖，利用圆柱度仪检测缸孔圆柱度，测量数据如表1所示。

通过分析试验数据，得出以下结论：

1)采用常规工艺珩磨(不装配仿真缸盖)，珩磨后各缸孔圆柱度均能满足产品图纸要求，但装配产品缸盖后各缸圆柱度均严重超出产品图纸要求。

2)采用模拟珩磨新技术，各缸孔圆柱度较常规工艺珩磨装配产品缸盖后小约10 μm，缸孔变形量得到了明显改善,有效地减小了缸孔与活塞环间的配合间隙。

3)在保证仿真缸盖刚性条件下，减小仿真缸盖高度对采用模拟珩磨工艺后的缸孔圆柱度复原效果影响很小。

表1 不同仿真缸盖及不同珩磨工艺下缸孔圆柱度测量结果 μm

4 结论

1)气缸盖螺栓拧紧后缸孔各截面在各方向上产生不规则的变形，模拟珩磨工艺能有效地减少缸孔受螺栓预紧力的影响。由于仿真缸盖结构需要有缸孔避让孔，其刚性比产品缸盖低，造成缸孔变形不能100%还原。在保证仿真缸盖刚性前提下，优化结构、更改材质、减小高度等对缸孔变形改善效果提升不明显。

2)缸体装配产品缸盖后的缸孔变形作为最终评价依据。通过局部优化产品缸盖结构来提高模拟珩磨还原效果，有待继续研究验证。不同机型的产品缸盖结构不同，仿真缸盖设计完成后需进行CAE仿真计算和生产验证，以确定最终方案。

3)因缸体结构不同、刚性差异，采用模拟珩工艺可能会影响曲轴孔的同轴度。在制定模拟珩磨工艺时，应充分考虑仿真缸盖安装工序，并结合自身产品验证确定仿真缸盖的安装工位。