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1、一汽技术中心 2004年第二届学术年会征集论文论文题目：发动机缸筒变形测试分析作 者：蒋 文 虎科长意见：部长意见2004 年 8 月 25日发动机缸筒变形测试分析摘要：发动机因缸筒变形问题导致发动机可靠性下降，性能指标不能满足设计 要求。为了在发动机正式投产前发现缸筒变形问题并且解决掉，避免大批量投产 后不可更改的现象，在这方面缸筒变形测试分析起着重要的作用。本文分析了缸筒变形湿缸套和干缸套缸筒变形的一般规律，影响缸筒变形的 主要因素和缸筒变形测试分析的评价原则。最后作者以测量过的发动机为例，具 体说明。关键词：缸筒变形 影响因素 傅立叶系数Y 、性、亠1 前言气缸盖螺栓、主轴承螺栓和发动机
2、某些附件螺栓会使发动机缸体受力，导致 发动机缸筒在静载荷作用下产生一定变形。而缸筒变形会影响到机油消耗量、窜 气量、摩擦功、缸筒磨损、尾气排放等。为了满足越来越高的法规要求，低变形 缸筒的开发设计将扮演重要的角色，缸筒变形的测试在发动机开发中又是一个不 可缺少的关键环节。从所得试验数据,可以找出引起变形的主要原因，提出解决 措施，为改进设计奠定基础，避免由于发动机不合格带来的潜在危险。在发动机运转期间，气缸套变形对发动机性能有重要影响。由于活塞环与气 缸套形状适应能力有限，机油消耗量和与之相关的微粒、碳氢化合物的排放增加。 较高的活塞环张力，引起摩擦、磨损增加，并且最终导致机油消耗量的增大，达
3、 不到机油消耗和尾气排放要求。下面将分几点论述。2 引起缸筒变形的因素引起缸筒变形的因素很多，概括起来主要有以下几点。 各种螺栓力矩：缸盖螺栓力矩，主轴承盖螺栓力矩，各种附件螺栓力矩（如水泵螺栓，飞轮壳螺栓等）。 缸盖螺栓位置 在发动机设计时，应尽量使缸筒周围的螺栓距离缸筒中 心相等，并且每个缸的四个主轴承螺栓与相对应的缸盖螺栓在一条中心 线上为最佳，缸盖螺栓孔距离缸筒壁应尽量远。缸套厚度 众所周知缸套越厚，缸筒变形越小，但是缸套太厚，对冷却 和发动机水套等设计都有影响，所以缸套厚度一般都受到限制。 气缸垫面压分布 气缸垫密封圈对缸套的压力与气缸体台肩对缸套的支 撑力尽量作用在一条直线上，否则
4、将产生附加在缸套顶平面一个力矩， 造成缸筒变形。 水套壁厚和水套内加强筋 水套壁的薄厚对缸筒变形影响较大，为了减 小缸筒变形，水套内加筋是一种解决办法，但是加强筋影响水套内冷却 水的速度和方向，必须折衷设计。 螺栓孔下沉量 很多发动机利用缸盖螺栓孔下沉量调节缸筒变形。3 缸筒变形一般规律缸盖螺栓是影响缸筒变形最重要的因素，湿缸套发动机缸筒变形在每个螺栓附近向发动机缸心内凹，干缸套正好相反（见图 1，图 2）。-加缸盖螺栓力矩自由状态螺栓图 1 湿缸套缸筒变形图螺栓自由状态o加缸盖螺栓力矩图 2 干缸套或者无缸筒变形示意图4.缸筒变形评价依据缸筒变形测量输出参数：圆度、平行度、直线度、圆柱度和傅
5、立叶系数。在 缸体自由状态时，主要评价缸套的圆度、圆柱度、直线度和平行度，是否超过设 计允许值。在发动机装配状态下，主要对缸筒变形的傅立叶系数进行评价。 傅立叶解析数学表达式如下。工二AO+Alcosl0 +A2cos20 +A3cos30 +Aicosi0+Blsinl0 +B2sin20 +B3sin30 + +Bisini0其中：Ai、Bi傅立叶系数i 傅立叶阶数i 阶变形量：Umax=2 (Ai2+Bi2) 1/2i 阶变形的角度方向：B max (i) =1/i XarctanBi/Ai傅立叶解析的物理(几何)概念见下图。变形:同心，椭圆形原因热影响，磨损，螺栓力矩等feZr r 1
6、7 人第2阶原因：螺栓影响（最多）原因:综合图 3 傅立叶解析的物理（几何）概念图傅立叶系数评价值见下表。超出相应的最大值，此发动机定义不合格。发动机 状态缸套缸径 范围 （mm）2阶(p m)3阶(p m)4阶(p m)5阶 (p m)6阶 (p m)最大 值平均值最大 值平均值最大 值平均值缸体自 由状态65 947.02.52.01.51.095 12910.03.02.51.51.013015014.03.53.01.51.0发动机 装配状 态65 7412.010.07.05.59.07.04.52.575 8415.012.0&57.010.5&04.52.585 9418.014
7、.010.0&512.09.04.52.595 10920.017.011.09.514.012.06.05.011012924.020.010.0&512.010.06.05.013015028.023.09.0&010.07.06.05.05CA6DE3 缸筒变形测试分析5.1试验内容：一汽集团公司大连柴油机厂试制CA6DE3型柴油机缸体一台，石 川金属缸垫，气缸套两种：安庆帝伯格兹活塞环有限公司制造的气缸套6个； 扬州五亭桥缸套有限公司制造的气缸套6个。5.2 试验步骤： 1）缸体自由状态；2）安装主轴承盖状态；3）安装缸盖状态。5.3 试验结果安庆缸套：三种状态26缸缸筒圆柱度（卩m）
8、见下表（1缸因在装机前已经变形，所以本试验中没有测量。）缸套状态2缸3缸4缸5缸6缸自由状态8.213.89.817.611.2加主轴承盖螺栓力矩8.614.48.517.611.0加缸盖螺栓力矩19.220.915.323.521.0加缸盖螺栓力矩时各缸傅立叶系数见下图2缸3缸4缸 一5缸亠6缸一标准值346789傅立叶阶数10025图 4 安庆缸套装配状态下各缸傅立叶系数扬州缸套：三种状态16缸缸筒圆柱度（卩m）见下表缸套状态1缸2缸3缸4缸5缸6缸自由状态17.716.316.016.523.227.5加主轴承盖螺栓力矩19.016.615.817.023.128.7加缸盖螺栓力矩27.
9、021.720.120.121.732.1扬州缸套缸体自由状态下傅立叶系数见图 5。876543213456782 0.19傅立叶价数10图 5 扬州缸套自由状态下各缸傅立叶系数加缸盖力矩时各缸傅立叶系数见图 6。数系叶立傅1缸2缸3缸4缸5缸6缸1614105.4 试验结果分析及结论5.4.1 安庆缸套在自由状态下和装配状态下缸筒变形很小，没有超出允许值。5.4.2 扬州缸套在自由状态下和装配状态下 9 阶变形都比较严重，几乎都超过了 允许值，分析认为是加工质量问题，径向图见图 7（以 3 缸为例）。188图 7 扬州缸套自由状态和装配状态缸筒变形图（左：自由，右：装配）5.4.3 主轴承盖
10、螺栓力矩对缸筒变形几乎没有影响。6CA498 缸筒变形测试分析6.1 试验内容一汽集团公司大连柴油机厂生产的 CA498 型柴油机缸体一台（铸造号0308262）。石棉缸垫。试验现场见图 8。图 8 CA498 缸筒变形测量现场（发动机前安装水泵，后面安装飞轮壳）5.2 试验步骤：1）缸体自由状态；2 ）安装缸盖状态；3 ）安装缸盖、飞轮壳和水泵。5.3 试验结果5.3.1三种状态14缸缸筒圆柱度（“m ）见下表缸套状态1缸2缸3缸4缸图纸要求自由状态17.015.116.919.010.0加缸盖螺栓状态30.527.228.322.1安装缸盖、飞轮壳和水泵37.527.029.522.25.
11、3.1 安装缸盖螺栓和安装飞轮壳和水泵两种状态傅立叶系数见图 9、图10。252015105025201510505.45.4.图 9 加缸盖力矩状态下的各缸傅立叶系数f标准值_B_ 1缸*2缸3缸4缸1234567 图 10 加缸盖力矩、水泵、飞轮壳状态下各缸傅立叶系数 试验结果分析及结论1由5.3可以看到，在自由状态下，各缸的圆柱度均超出了允许值10p m, 所以应该改进缸套的加工质量。5.4.2 由图10 可以看出，安装水泵和飞轮壳后，1 缸傅立叶 2 阶、3 阶都超过了 允许值。可以断定是由于水泵力矩造成缸筒变形。|DnQriWi1600*7 5Qmrn3QtXl mm5000 mmm
12、mgo oo mm11BD0nW图 11 发动机自由状态和安装水泵两种状态1 缸缸筒变形立体图图 12 发动机自由状态和安装水泵两种状态1 缸缸筒变形立体图展开图图 13 发动机自由状态和安装水泵两种状态1 缸缸筒变形径向分析认为引起 1 缸缸筒变形是因为水泵螺栓所致，安装水泵主要由两个双头螺柱（见图14）把水泵、齿轮室隔板和缸体连接在一起，螺栓力矩4959Nm。螺栓扭紧力矩为4959Nm5.4.3建议水泵螺栓与齿轮室隔板螺栓在不减小刚度的情况下不共用，这样可以减小对缸体壁的拉力，或者加大发动机缸体前端面的厚度，以增加发动机缸体 的刚度，增加抗拉能力。参考文献1 万欣 内燃机设计2 曾金玲 用模拟缸盖时发动机缸筒变形的仿真分析3 王鲁生 缸筒变形分析作者：蒋文虎一汽技术中心发动机部热力分析室联系电话：（0431）5905107
