发动机气门座圈密封带关键尺寸检测方案

2023-10-24董晓婷陈安明徐成义彭业密

工具技术 2023年9期

关键词：座圈检具缸盖

董晓婷,陈安明,徐成义,彭业密

1内燃机可靠性国家重点实验室;2潍柴动力股份有限公司

1 引言

发动机气门座圈与进排气门是保证发动机动力以及经济性、可靠性的重要零部件之一,是缸内高温高压气体的重要密封边界。在高温条件下气门座圈承受进排气门落座时惯性力引起的冲击性交变载荷及缸内燃烧所产生的气体冲击载荷[1,2]。

2 现状分析

图1为典型的气门座圈与气门配合。图2为某机型的缸盖局部尺寸,可以看出,气门座圈密封锥面的角度45°10′和φ39mm处密封带深度3±0.1mm,是影响座圈与气门配合的关键尺寸。

图1 气门座圈与气门配合

图2 缸盖局部尺寸

因气门座圈与气门配合的特殊设计要求,密封带通常较窄,多数为1.5～3mm,这给测量方案制定带来了困难,一方面密封带深度尺寸为特定直径处的距离尺寸,属于虚拟尺寸无法直接测量;另一方面,过窄的密封带宽度往往造成测量误差过大,无法准确指导大批量生产。目前各大发动机制造企业和量检具公司在此领域进行了大量探索实践。

2.1 综合检具

如图3所示的组合检具中,检测头直径为量规尺寸,并且能随着气门座圈深度尺寸变化而自由伸缩,带动百分表读数变化,通过对比标准锥面深度样块,即可判定气门座圈密封带深度是否合格。

图3 座圈深度综合检具

该检具检测比较直观且效率较高,但存在以下不足:

①不能检测密封带角度,通常气门密封锥面角度比气门座圈密封锥面锥角大0.5°～1°,此时气门与气门座圈是线接触。对于初始配合,线接触的密封性要比面接触的密封性好,而且角度差的存在也可以加速气门与气门座圈的磨合,并有效清除两者之间的积垢或积碳[3]。因此,气门座圈角度的控制尤为重要,当前主流的气门座圈成型锪刀磨损后往往导致密封角度变化,最终影响发动机性能。

②该组合检具和标准块为专用,气门座圈密封带尺寸变化后检具不再适用。

③该组合检具和标准块制作成本偏高,尤其是检测头和标准块需要精密加工,费用较高。

④检测头部位需要保持尖角状态,对磨损极限要求较高,一旦磨损变为微观曲线后,量规尺寸将发生变化,密封带深度尺寸不再准确,需要定期检测补偿。

2.2 三坐标检测

通过两个截面取点测量评价进行三坐标检测,但由于密封带过窄,测量误差容易放大,对三坐标操作人员的技能水平要求较高。目前带扫描功能的三坐标测量机能一定程度弥补人为因素对测量系统的影响,测量系统重复性和再现性得到提升,但检测效率低始终是三坐标测量的短板。

3 检测方案

气门座圈密封带可以视为母线等于密封带宽度、锥角为密封带锥角α的圆锥体,密封带深度为圆锥体上特定直径φd处距离端面的高度h。基于圆锥体的特殊几何特性,引入钢球作为检测方案的组成部分,通过求解球体与圆锥体相切后的位置关系,构建气门座圈关键尺寸检测的数学模型,如图4所示。

图4 缸盖气门座圈简化数学模型

选取直径SφD的钢球,使其与气门座圈密封带相切(可使用作图法实现),根据三角函数关系可得

(1)

式中,α和h为未知量;d为已知量;H和D均可直接测量。

引入双球法,即选取直径接近并均能与密封带相切的钢球,直径分别为SφD1和SφD2,对应的钢球凸出高度分别为H1和H2,代入上述公式得

(2)

求解得出锥角α和密封带深度h为

(3)

国家标准GB/T 308.1《滚动轴承球第1部分:钢球》提供了全系列标准化的钢球,公称直径范围为0.3～104.775mm,同时,轴承用钢球的系列优良特性为本检测方案的应用提供了良好前提:①以行业普遍应用的G10等级钢球为例,球形误差为0.25μm,远高于常规量检具精度,使得测量系统误差更小;②Ra0.02μm表面粗糙度以及HRC58以上的高硬度,使钢球具有良好的耐磨性和精度保持能力;③国家标准提供了152种标准尺寸的钢球,根据应用经验,几乎所有案例都能从中找到两个合适尺寸的钢球,无需定制,极大降低了检测费用。