现代优化气缸变形的新方法_M_Berg

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（ ） ｂ 图 ２ 发动机开发过程示意图
３ 发动机开发过程中的气缸变形优化 如今 ， 在整个 发 动 机 开 发 过 程 中 从 进 一 步 的 细 有限元计 算 、 优化和发动机试验中 部结构设计方案 、 的测量直至量产认可和监测气 缸 变 形 都 起 着 重 要 的
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４］ ， 并且 ， 在发动机开 发 中 并 非 总 是 产 生 复 杂 的 作用 ［
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（ ） ｅ 图 ４ 气缸变形的优化过程
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所有的变化 都 可 通 过 修 改 骨 架 中 的 参 数 来 控 制 ， 并 且无需监管就能连续完成这些方案中的计算 。 采用这种方式就能为特 定 的 边 界 条 件 产 生 包 含 有许多计算 几 何 参 数 的 参 数 特 性 场 ， 这些结果数据 就能输入 Ｉ 并紧接着快速地 ＡＶ Ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｒ分析程 序 ， ｙ 从而就能评估对气缸 进行处理和 层 次 清 晰 的 比 较 ， 变形的影响并进行优化 。 另一个 优 点 是 这 种 方 法 也 能 用 于 已 量 产 的 零 这种方法因数据细化程度而增加 件 。 到目前为 止 ， 的费用并不 明 显 ， 这样就便于对气缸体曲轴箱进行 几个方案变 化 的 比 较 ， 但只有具有很大潜力的方案 结构才采用 这 种 方 法 进 行 细 化 分 析 。 然 后 ， 从简化 计算中得 到 的 最 好 方 案 就 能 转 入 合 乎 要 求 的 Ｃ Ａ Ｄ 模型中 ， 并借助于复杂的有限元计算进行验证 。 ６ 实际运行条件下气缸变形的复杂计算 在进行复杂计算时 ， 除了 细 化的 几何 参数 之 外， 还要比上述 方 法 更 为 精 确 地 考 虑 其 他 输 入 参 数 ， 例 材 料 特 性、 气缸盖密封垫 如气缸盖紧固螺栓预紧力 、 范围内的性能 、 与时间有关 的 温 度 场 、 装配工艺和发 动机的 “ 老化 ” 程度等 。 为了考 虑 燃 烧 室 侧 的 吸 热 和 冷却液侧的 热 传 导 ， 如今大多进行昂贵的计算流体 模拟 。 图 ５ 示 出 了 负 荷 历 程 对 气 缸 盖 动力学 （ Ｃ Ｆ Ｄ） 预紧力的影响 。 根据气缸盖 紧 固 力 测 量 的 统 计 学 评 同样还 估所获得的 经 验 可 考 虑 减 小 气 缸 盖 紧 固 力 ， 以及假定的材料收缩性和蠕 能采用材料 特 性 数 据 ， 变特性来模 拟 发 动 机 上 气 缸 盖 螺 栓 的 残 余 紧 固 力 。 图 ５ 表明 气 缸 变 形 计 算 不 仅 可 用 于 额 定 功 率 工 况 点， 而且也能用于其他的 运 行 工 况 点 。 因 此 ， 在随后 的窜气和机 油 耗 计 算 中 ， 不仅能考虑到真实的燃烧 压力和温度 ， 而且也能考虑到随运行工况点变化的 气缸变形 。 但这些影响因素往往被忽略 。 拟和分析 ， 随着要求的 不 断 提 高 和 计 算 可 能 性 的 改 善 ， 气 缸变形也能 在 热 机 运 行 状 态 下 进 行 计 算 ， 由此就产 生了验证这些计算结果的必要性 。 采用 Ｉ ＡＶ 公 司 开 发 并 已 在 汽 油 机 和 柴 油 机 上 检验过的测 量 方 法 ， 能够以高的精度采集着火运行 内燃机上的气缸变形 。 此时 ， 气缸套的轮廓直 接 从 活 塞 出 发 进 行 测 量 ， 其中涉及到 １ 种 集 成 传 感 器 载 体 的 专 用 测 量 活 塞 ， 用于测量的 ８ 个 涡 流 传 感 器 彼 此 间 隔 ４ 均匀地布 ５ ° 置在传感器 载 体 的 圆 周 上 ， 而传感器载体位于第２ ） 。 道活塞环的高度 （ 图６ 在发动机运 行 期 间 ， 传感器载体能够由集成在 以及１套专门开发的调节和 测量活塞上的 电 动 机 ， 定位机构旋 转 ， 因此由不同的传感器可直接采集到 气缸工作表面上均匀分布的测 量 部 位 的 气 缸 变 形 结 果 。 这种结构型式使得各个 传 感 器 能 彼 此 相 对 决 定 各自的误差 ， 并在计值时考虑进去 。 通过发 动 机 运 行 期 间 活 塞 的 行 程 运 动 ， 就能 测量出气缸套上对于活塞环具有重要意义部位的 变形。通过１套摇臂机构就能由连接电缆将测量 数据从往 复 运 动 的 活 塞 上 传 递 到 固 定 的 曲 轴 箱 上。再将这种测量 技 术 集 成 到 发 动 机 上 时， 应注 意尽可能使气缸体曲轴箱和其他所有的重要构件 以免 使 气 缸 变 形 。 测 量 数 据 采 用 专 门 的 保持不变，
（ ） ｆ 图 １ 借助傅里叶分析法进行变形等级分析
初步骤之中 。 不 仅 零 件 本 身 ， 而且有限元模型也要 通过后续的测量不断地进行优化 。
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４ 优化气缸变形的结构措施 在开发阶段就必须考虑 到 对 气 缸 变 形 的 形 式 和 大小具有决 定 性 影 响 的 结 构 参 数 ， 由于产生这种影 ， 响的可能性 众 多 （ 图 ３） 所以这是１个非常复杂的 任务 。 发动机 气 缸 变 形 的 主 要 特 性 取 决 于 材 料 的 选 气缸体曲 轴 箱 的 铸 造 方 法 及 其 所 决 定 的 基 本 结 择、 就 构方案 。 例如 出 于 经 济 性 考 虑 选 择 了 压 铸 工 艺 ， 被局限于顶 面 开 放 式 气 缸 体 曲 轴 箱 的 结 构 型 式 ， 从 而气缸上部就会产生相对较大的变形 。 气缸体曲轴箱的结构型 式 、 曲轴箱 裙部 造型， 以 及与此相关 的 主 轴 承 座 设 计 （ 单个主轴承盖或梯型 主轴承座框 架 ） 对气缸体曲轴箱的整体刚度具有重 在开发初期就要对这些方面作出决 大影响 。 通常 ， 定， 并且鉴于时间计划以及 制 造 和 装 配 工 艺 ， 在开发 过程后期这些方面就几乎无法再改变了 。 之后 ， 主要是 对 缸 孔 间 鼻 梁 和 冷 却 水 套 的 几 何 尺寸或者气缸盖紧固螺栓的长 度 和 连 接 部 位 进 行 优 此外还可 以 通 过 添 加 加 强 筋 或 修 改 壁 厚 进 行 试 化， 验来减小变 形 的 范 围 ， 同时应考虑到承载的最大范 围并非一定就是形状偏差最大的部位 。 ５ 优化气缸变形的快速计算工具 如今 ， 优化 气 缸 变 形 需 要 进 行 计 算 。 如 果 在 项 那么在必 目进展的过 程 中 进 行 气 缸 变 形 优 化 的 话 ， 需附加修改磨削加工的情况下 就 有 可 能 产 生 工 作 范 围和成本的 变 化 ， 这些都可能影响到工艺设施的等 级和投产的期限 。 而通过早 期 几 何 形 状 和 尺 寸 的 评 估就能更好 地 挖 掘 所 存 在 的 潜 力 ， 并将开发过程安 排得更有利于 节 省 时 间 和 成 本 。 为 此 ， Ｉ ＡＶ 公 司 开 发了 １ 种快 速 又 简 易 的 计 算 工 具 ， 并已用于结构开 发阶段 。 这种简易计算方法 的 目 的 是 分 析 众 多 的 方 案和选择有针对性的参数组合 。 这项计算工具最重要的 优 点 在 于 在 １ 个 简 化 模 型中能快速 地 进 行 变 化 和 评 估 其 效 果 ， 因为整个过 程能在 １ 个 软 件 中 模 拟 。 直 接 与 复 杂 计 算 方 法 相 比， 在结构足够细化的情况 下 其 计 算 结 果 足 够 精 确 ， 并且在早期就能为决定结构方 案 提 供 １ 个 可 承 载 负 必须注意 到 ， 随着模型细化程度的 荷的基础 。 但是 ， 提高 ， 就越是更接近真实零 件 的 性 能 ， 当然计算时间 也会自动随之增加 。 图 ４ 清楚地 表 明 了 气 缸 变 形 模 拟 计 算 的 过 程 。 将优化气缸体曲轴箱所需的基 本 参 数 输 入 计 算 机 辅 助计算 （ 控 制 部 分， 即 所 谓 的 骨 架 。１ 个 在 合 Ｃ Ａ Ｄ） 适的过程限度范围内采用所有 参 数 工 作 的 组 合 件 就 自动生成 １ 个 基 本 模 型 ， 它由带有主轴承盖和紧固 以及带有气缸盖密封垫和紧 螺栓的气缸 体 曲 轴 箱 ， 固螺栓的气缸盖组成 。 由此 所 产 生 的 数 据 组 就 形 成 了用于有限元分析的基本方案 。 在经过首次计算后 ，
DOI:10.16776/ki.1000-3797.2016.04.014
１ 尽可能减小运行状态中的气缸变形 当今 ， 对Ｃ 推动 Ｏ ２ 和废气排放 的 要 求 越 来 越 高 ， 了发动机 技 术 的 发 展 。 为 此 采 取 如 发 动 机 小 型 化 、 高增压和减 轻 发 动 机 质 量 等 措 施 ， 使得所有的发动 机构件的负 荷 不 断 增 大 。 在 这 些 边 界 条 件 下 ， 发动 机的摩擦系统成为 关 注 的 重 点 ， 其 中 活 塞 －气 缸 系 统 它对机油耗和窜气具有最大 是最重要的 摩 擦 系 统 ， 的影响 ， 所产 生 的 摩 擦 损 失 占 据 发 动 机 机 械 损 失 的 最大 份 额 约 ３ 并且对燃油耗和废气排放产生决 ０％ ， 定性的影响 。 除去其他因 素 ， 气缸相对于理想形状的偏差对 活塞 －气缸系 统 的 功 能 具 有 重 大 的 影 响 。 减 小 气 缸 变形是 １ 种 有 效 的 优 化 方 式 ， 可以说在所有的目标 参数中 ， 减小气缸变形则是唯一对参数有利的影响 。 除了要求发 动 机 装 配 无 问 题 之 外 ， 特别是在实 际运行条 件 下 的 气 缸 变 形 对 于 活 塞 －气 缸 系 统 的 性 能具有重要 的 意 义 ， 而气缸变形尤其受到气缸体曲 以及发动机运行期间气 轴箱与气缸 盖 的 紧 固 连 接 ， 缸体曲轴箱的热负荷和动态负荷的影响 。 由于现今技术倾向于使用珩磨中心架 ， 在珩磨过 程期间已将气缸的这种压紧状态调整好 ， 因而珩磨后 的气缸体曲轴箱在冷机 时 由 气 缸 盖 压 紧 的 静 止 状 态 下或者在热机运行状态 下 气 缸 仍 较 好 地 保 持 几 乎 没 但是使用珩磨中心架大大提高了制造 有变形的状态 ， 费用 ， 因此在大批量生产的情况下中心架珩磨工艺往 往受到限制 。 另 一 种 创 新 的 替 代 方 案 是 采 用 昂 贵 的 成形珩磨工艺 ， 在珩磨过程中通过控制复杂的珩磨刀 具， 形成有针 对 性 的 气 缸 形 状 偏 差 ， 相当于运行状态 以补偿运行状态下产生的变形 。 下气缸的相反变形 ， 因此 ， 开发的 目 标 仍 是 优 化 气 缸 体 曲 轴 箱 及 其