柴油机缸套缸筒变形分析

□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

1 研究背景

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。

2 装配状态下缸筒变形测量

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。

3 变形原因分析

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

4 总结

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。