MAN系列柴油机气缸盖座圈锥面角度检测装置研究

梁颖杰，黄月，郑铮毅，王强，张梦东

中国重汽集团杭州发动机有限公司 浙江杭州 311232

1 序言

发动机缸盖是汽车动力总成中设计最为紧密复杂的箱体零件[1]，主要与缸体以及活塞上表面形成燃烧室，完成柴油燃烧、做功及排气等全部工作，新鲜空气与燃烧后产生的废气通过进气门、排气门与座圈之间的间隙完成进、排动作，气门座圈内表面通常由3个相连接的锥面组成，3个锥面的角度分别为：进口导向座圈锥面 60°，气门密封座圈锥面90°，以及气流内倒角座圈锥面150°[2]。通过控制相邻锥面上某直径截圆之间的间距和锥面沿轴线剖面的角度，可以保证锥面对气体的导流效果[3]，使得进气时油气混合充分以及排气顺畅。MAN系列柴油机进气门锥面角度为120°，通过研发中心的缸盖气道涡流比试验结果可知，缸盖进气进口导向座圈锥面 120°角度以及φ36mm宽度尺寸，对缸盖吸气滚流比的影响最大，因此如何控制进口导向座圈锥面120°角度的稳定，改善缸盖在进气工作时气流的平顺及稳定，保证缸盖进气性能一致性，直接影响柴油机运行初期的压缩比、燃烧状况、扭矩、有效功率及起动性能等一系列技术性能指标[4]。

2 针对减薄座圈缸盖检测存在的问题

MAN系列柴油机缸盖为四气门布置结构，缸盖和气门座圈局部结构及尺寸如图1所示。

图1 缸盖和气门座圈局部结构及尺寸

座圈量规检测尺寸深度3.4mm，直径36mm，该尺寸为气门座圈锥面测量基准截面到缸盖端面的距离。进气门座圈锥面角度120°，宽度3.13mm，该角度为与进气门锥面的配合角度，与其一起形成密封面，其配合的紧密程度是实现发动机做功的关键，非常重要，需重点检测。现阶段正式量产工艺针对锥面角度采用尼泊丁检具在线测量，实现对缸盖高频次快速测量，检测频次为每10件检测1件，可以提高及时发现缺陷产品的可能性。

针对在国六开发试验过程中，出现的进气座圈磨损异常及售后反馈机油耗偏高等问题，设计端对座圈进行了改进，采用减薄座圈结构，进气座圈锥面宽度从3.13mm减小至2.47mm，共减短了0.66mm，锥面角度120°保持不变。更改后因现有尼泊丁检具定位点高于座圈锥面而无法准确定位，无法完成锥面角度的测量，需重新设计角度测量检具，改进后的座圈锥面如图2所示。

图2 改进后的座圈锥面

3 检具设计

检具整体结构设计：根据上述分析，座圈锥面角度测量检具设计的整体结构如图3所示，主要包括百分表、百分表用接头、表架、杠杆以及底座等。其中X轴、Y轴百分表采用百分表用接头分别与其对应的表架通过φ4mm定位销和螺钉固定在测量底座上，X轴方向上通过X轴杠杆，其一端φ2mm圆头部分与座圈锥面紧密贴合，一端与百分表测头贴合。根据尺寸测算可知，锥面120°，宽2.47mm尺寸在X轴方向上极限移动距离约为1.24mm（2.47mm×sin30°），考虑到调整间隙以及安装误差等，实际移动距离＜1mm，因此设计采用杠杆结构，进行1∶3比例放大，确保X轴方向移动测量距离＞2mm，同时测量杠杆摆动必须灵活。Y轴表架采用垂直布置，测量表头实时与座圈在量规尺寸线附近接触，整个测量过程仅存在Y轴方向上下移动。

图3 座圈锥面角度测量检具设计的整体结构

检具整体通过导向杆座与缸盖导管孔形成间隙配合（φ7H7/g7）来完成定位，以实现检具在整个Y轴方向测量过程中上下移动时的稳定性及准确性，同时可通过调整螺钉座、导向销与压缩弹簧的配合来调整和明确测量的起始位置。

4 检具操作方法

（1）校零 拧松百分表用接头，将检具整体插入标准缸盖的导管中，通过拧松/预紧调节螺钉上的螺母，使得X轴杠杆φ2mm圆头部分与座圈锥面最上端接触，Y轴百分表表头与座圈在量规尺寸线附近接触。同时紧固两个百分表用接头，确保X轴百分表压缩2圈以上，Y轴百分表压缩半圈以上，完成检具校零工作。

（2）检测 检具校零工作完成后，将发动机缸盖放在平面上，手持检具，将检具心轴的定位轴放入导管孔中[5]，使X轴、Y轴百分表分别与杠杆和座圈量规尺寸线附近接触，同时调整表盘归零位，在压缩弹簧的压缩作用以及导向销的导向作用下，由上到下移动表架，完成整个锥面的测量动作，记录两表的示数，通过公式arctan[X轴百分表示数/（3×Y轴示数）]计算出杠杆座圈锥面角度是否在工艺要求的119.667°～120°。

5 可重复性与再现性（GR&R）测评

使用该检具，对缸盖座圈锥面角度进行测量，组织A、B、C三名操作人员分别测量10个缸盖，每个缸盖重复测量3次，共计90组数据，测评数据见表1。

表1 可重复性及可再现性数据分析（单位：°）

可重复性及可再现性

式中，R为极差；EV为重复性；为3组数据极差均值的平均；K1为常数，取0.5908；AV为再现性；

根据评测数据分析计算可知：EV＝0.000197，AV＝0.000060，PV＝0.002132，TV＝0.002142，GR&R＝9.61%，测量系统状况良好。

6 结束语

该专用检具具有结构简单紧凑，使用方便可靠等特点，能够快速、准确地测量出缸盖气门座圈锥面角度，提高检测效率和检测精度，同时通过对缸盖座圈锥面角度检具的设计开发研究，也解决了传统角度尺无法对座圈锥面进行测量的问题，弥补了在产品开发试制及小批量阶段，仅能通过三坐标这种检验频次及效率较低的检测方式来检测角度而带来的质量风险，为后续座圈锥面角度测量的方案设计提供了宝贵经验。