徐卫国， 龙旦风， 梁福祥

(一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂， 江苏 无锡　214026)



中重型柴油机扩缸前后缸套变形的数值分析

徐卫国， 龙旦风， 梁福祥

(一汽解放汽车有限公司无锡柴油机厂， 江苏 无锡214026)

降低缸套壁厚可以在保持发动机紧凑性的同时提高排量，而缸套变形是限制许用厚度的主要瓶颈，针对这一问题，选择缸套壁厚和材料作为变量，缸套变形圆柱度和傅里叶展开系数作为评判指标，研究了薄壁湿式气缸套的可行性。通过对某型柴油机进行有限元分析，发现缸套壁厚从8.25 mm降低到6.25 mm后缸套变形明显变大，而改用钢质材料后缸套变形与原机相当，证明了通过降低缸套壁厚同时采用弹性模量更高的材料是一种可行的扩缸方法。

气缸套； 薄壁； 变形； 圆柱度； 仿真

降低湿式缸套壁厚可以提高发动机排量，但同时会引起缸套失圆、变形增大。过大的缸套变形可能引起机油消耗和窜气量增大、排放恶化、摩擦损耗增加、活塞敲缸、缸套穴蚀甚至拉缸等严重后果。影响缸套变形的因素包含缸套材料、结构和尺寸以及缸盖螺栓预紧力、温度分布、燃气压力、水套密封环等，只有理清这些因素的影响规律和程度，才能在降低缸套壁厚的同时通过合理的材料选用及结构设计确保缸套变形不超限值。

近年来，随着CAE技术日益成熟，缸套变形研究进展迅速。马庆镇等[1]通过机体组合件的有限元分析发现缸盖螺栓沉孔深度对缸套变形影响显著。王虎等[2]通过分析发现不均匀的温度场对缸套变形的影响不容忽略，螺栓预紧力对各缸都有显著影响，而燃气压力和活塞侧推力只对局部区域影响较大。李迎等[3]对比了38CrMoAl钢和高硅铝合金缸套，发现材料差异对变形分布规律没有影响，但是变形量明显不同。徐志远等[4-5]、向熔等[6]研究表明，缸盖螺栓沉孔越靠近缸套轴肩定位凸台则缸套径向变形越大，缸盖螺栓啮合长度影响很小，增加缸套壁厚可以减小变形以及不均匀性。毕玉华等[7]研究表明，螺栓预紧力作用下缸套的上部截面变形最大，呈现收缩变形，中下部截面呈扩张变形。吴波等[8-9]则分析了各种因素对不同阶次变形的影响规律。郑伟茂[10]分析表明缸套上部变形对缸套凸肩下锥角的变化敏感，中部变形对壁厚敏感，下部变形对燃气爆发压力及活塞侧推力敏感。李民等[11]分析发现缸套定位环带与缸体配合公差对缸套变形有显著影响。兰利平等[12]的研究结果证明改变螺栓位置可以改善缸套变形。兰银在等[13]发现改变缸盖螺栓与气缸中心距离对缸套变形的影响很小。这些研究都为了解缸套变形规律、优化减少缸套变形提供了依据。

在减小缸套壁厚的扩缸设计过程中，为了防止缸套变形增大，改用刚度更高的材质是首选方案，可避免缸体和模具的大范围改动。因此本研究选定缸套壁厚和材料作为考察因素，探讨薄壁湿式气缸套的可行性，为发动机动力性充分挖潜的工程实践提供理论支撑。

1　有限元模型

1.1模型构成与材料属性

选取某6缸中重型柴油机作为研究对象，用Pro-E建立缸体、缸盖、缸套、缸垫、主轴承盖、缸盖螺栓的三维实体模型。其中螺纹模型作简化处理，缸垫模型仅包括压波，其余零件均为真实形状。由于6缸整体计算量太大，切除第2～4缸，保留3缸进行有限元分析。计算选用Abaqus软件，模型网格采用四面体自由划分方法(见图1)，其中缸垫包含GK3D12MN单元4 058个、GK3D12M单元1 344个，其余零件共包含C3D10M单元约130万个。材料参数见表1，缸垫不同部位的压缩回弹曲线测试结果见图2。为了体现各缸套凸出量不相等的情况，令中间第5缸的缸垫厚度比另外两缸缸垫厚度大50 μm，分析时重点考察中间缸的缸套变形情况。

图1　装配体有限元模型爆炸视图

表1　模型的材料参数

图2　 缸垫压缩回弹曲线

1.2相互作用与边界条件

零件之间的相互作用定义见表2。在装配状态下缸垫与缸体和缸盖都处于无分离的压紧状态，采用绑定方式即可。缸套与缸体之间的接触区域中，缸套定位的配合面按照设计参数和公差取最小的间隙值0.023 mm，摩擦因数取0.2。在一般应用中螺纹配合常采用绑定方式进行模拟，但试验表明这种方法会造成螺栓载荷过于集中在螺纹孔沿附近，因此这里采用接触方法，Abaqus会根据螺纹牙型角自动调整接触方向从而达到类似螺纹的紧固效果。缸盖螺栓装配前需要涂抹润滑脂以防咬死现象，所以螺纹部位摩擦因数取0.1。

表2　零件之间的相互作用定义

实际装配工艺的缸套变形测量工序紧跟在缸盖螺栓拧紧之后，得到的结果是冷态下的变形，主要由缸盖螺栓力引起。和装配工艺对应，仿真的第一个分析步把135 kN的螺栓预紧力加载到螺栓杆身的一个内截面上，预紧力引起的变形使内截面处产生一定的渗透重叠量。在后续的分析步中锁定这个重叠长度，并依次对各缸施加燃气燃烧压力。施加燃烧压力时，假设活塞处于上止点位置。第一道气环高度以上的缸套和缸盖相应区域施加22 MPa气体压力，第一道和第二道气环之间的缸套施加4.4 MPa气体压力，第二道气环和油环之间的缸套施加2.2 MPa气体压力。此外在主轴承盖内柱面施加向下的压力，使模型的竖直方向受力平衡。此外，缸体裙部下表面约束三个角以限制缸体的整体运动。

1.3计算方案与评估指标

此型柴油机现用的缸套为合金铸铁材料，内径为110 mm，壁厚为8.25 mm(见表3)。为了探究壁厚和材料的影响，采用3个分析方案：原机方案、降低壁厚方案以及降低壁厚并采用钢材质的方案。后两个方案的缸套几何尺寸相同，都是在原机方案基础上令缸套内径增大5 mm，此外为了防止整体刚度过度下降，缸套外径适当增大，同时水封圈凹槽从机体转移至缸套。

表3　计算方案

1.4评判标准

缸套变形的评判指标有很多，经过对比和筛选，最后确定采用两个主要的指标,即圆柱度和傅里叶展开系数。缸套内表面变形后，在其不同高度选取多个截面构成一系列不规则的圆，每个不规则圆都有一个形心，这些形心点用线性回归方法拟合出一条直线作为当量轴线，把上述各变形截面沿着当量轴线方向投影到同一个垂直于当量轴线的基准平面上，所有投影点的最小外切圆与最大内切圆的半径之差就是圆柱度。圆柱度是一个综合指标，数值越小则越接近理想圆柱形。傅里叶展开可以把缸套水平截面的变形分解为不同的谐次，每一种谐次都对应一种变形形状，缸套变形就是这些形状的叠加。傅里叶系数代表对应谐次变形的径向变化大小，因此通过各谐次系数就可以确定主要的变形形状。

2　结果与讨论

2.1分析模型验证

为了验证模型和分析的有效性，首先把原机方案的分析结果与装配过程的缸套变形测量结果进行对比。由于有限元仿真采用的是理想的几何形状，而缸套加工难免有误差，为了便于对比，首先测量自由状态的缸套变形，然后按照装配要求把缸套塞入缸体内，合上缸垫缸盖并拧紧缸盖螺栓，再次测量缸套变形。装配状态的测量结果与自由状态的测量结果之差就是装配引起的缸套变形。试验测量和有限元分析结果对比见表4，计算得到的变形圆柱度总体偏小，误差在可接受范围之内，证明采用的有限元模型和分析方法是有效的。

表4　原机方案装配引起的缸套变形

2.2方案对比分析

仿真得到的缸套位移见图3，从左到右依次为第1,5和6缸，变形放大了300倍显示。总体上各方案的缸套变形形状基本一致，3个缸套中中间第5缸的变形最严重，原因是在分析设置中令中间缸的缸垫厚度大于另外两缸，在方案对比时应主要考察中间缸的变形情况。在一个缸套中主要变形位于上沿，其中相邻两缸之间部位的变形尤其严重，原因是此处的缸体支撑非常薄弱，而且缸垫内含一层补强板，向下的压力更大。

图3　缸套位移云图

在上止点位置的气环和油环对应高度各取水平截面，缸套其余部位再大致均匀地取10个水平截面，共形成14个截面。图4示出第5缸缸套的各水平截面轮廓，变形放大1 500倍。图中极坐标180°指向发动机前端，0°指向发动机后端，270°指向进气侧，90°指向排气侧。虚线是理想的基圆，实线是各截面变形后的轮廓。图中显示水平截面大体上呈现哑铃状变形，在发动机前后方向压缩，进排气方向拉长；另外4个截面在发动机前端方向拉长。为了进一步了解不同高度的变形，对缸套分别做0°～ 180°以及90°～270°纵向截面，得到的轮廓见图5，图中变形放大1 500倍。3种方案的纵向截面轮廓形状也基本相似，0°和180°方向半径变小，其中上沿附近变化较大，缸套下部变化较明显；在90°和270°方向，上沿附近半径变小，而其他大部分地方则半径变大。

图4　第5缸缸套水平截面变形

图5　第5缸缸套纵向截面变形

把第5缸各高度的变形进行傅里叶分解，结果见图6。零阶傅里叶分量对应缸套半径均匀增大，一阶分量对应整体平移，这两种变形通常不需要关注，二阶以上变形则会引起可靠性问题。从图中可以看出，3种方案都以二阶变形为主，即类似于哑铃状的变形。图中二阶变形的虚线普遍高于实线，虚线对应缸套下部，说明二阶变形主要出现在缸套下部，而且高度越小则二阶变形越大。此外，比较明显的还有四阶变形，即类似于四瓣花状的变形。图中四阶变形实线高于虚线，说明主要出现于缸套上部。对比发现3种方案的最大二阶分量分别为29.9 μm，32.6 μm，29.5 μm，最大四阶分量为5.76 μm，7.44 μm，6.35 μm。

圆柱度是一个最有代表性的综合指标。各缸套的圆柱度结果见图7，第1，5，6缸在各方案中依次从左至右排列。3种方案都是中间缸的圆柱度最大，依此可以得出方案2最差，方案3与方案1基本相等的结论。说明直接降低缸套壁厚导致变形明显增加，而把原来的合金铸铁材质更换为具有更大弹性模量的钢材质后，变形量得到明显的改善，基本与原机方案持平。上述研究结果表明，有限度地降低柴油机缸套壁厚的同时更换材料以防变形增大的方法具有可行性。

图6　第5缸缸套不同高度失圆变形的傅里叶系数

图7　缸套变形圆柱度

3　结束语

建立了某型6缸直列式柴油机缸体缸盖的连体有限元模型，采用3种不同的缸套方案进行仿真，即原机方案、降低壁厚方案以及降低壁厚并采用钢材质的方案。后两种方案的缸套壁厚从原机的8.25 mm降低为6.25 mm，缸径从原机的110 mm增大为115 mm，排量增大9.3%。通过缸套变形的水平截面、竖直截面、傅里叶分解以及圆柱度的对比分析，表明3种方案的缸套变形形状基本相同，缸套下部以二阶变形即哑铃状变形为主，缸套上部以四阶变形即四瓣花状变形为主，综合评判结果是扩缸后缸套变形变差，改为钢质材料后缸套变形与原方案相当。如果柴油机在初始设计时偏保守，则可以通过降低缸套壁厚来增大发动机排量，同时采用弹性模量更高的材料以防缸套变形增大。

[1]马庆镇，Shu Li Jiang，郭晨海，等. 基于有限元方法的YZ4DE柴油机气缸套变形分析研究[J].内燃机工程， 2008,29(4):59-62.

[2]王虎，孙军，赵小勇，等. 柴油机缸套失圆影响因素的仿真研究[J].内燃机学报，2011(4):370-377.

[3]李迎，孟杨，陈红岩. 不同材料的发动机缸套热状态及变形仿真[J].小型内燃机与摩托车，2011(5):31-34.

[4]徐远志. 机械负荷对柴油机缸套变形的影响研究[D].昆明：昆明理工大学,2013.

[5]徐远志，温志高，毕玉华，等. 缸套厚度对柴油机缸套变形的影响研究[J].内燃机与配件，2016(1):1-6.

[6]向熔，毕玉华，雷基林，等. 增压中冷柴油机缸套预紧变形影响因素研究[J].机械强度，2015(4):682-688.

[7]毕玉华，申立中，雷基林，等. 缸套预紧变形及结构影响因素研究[J].内燃机工程，2013(5):62-68.

[8]吴波，徐广辉，胡定云，等. 内燃机湿式气缸套装配变形影响因素分析[J].小型内燃机与摩托车，2013(2):21-24.

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[10]郑伟茂. 湿式缸套变形的影响因素研究[D].太原：中北大学,2014.

[11]李民，贾钟书，石魁，等. 缸套与机体配合公差对缸套失圆的影响[J].河南科技大学学报(自然科学版)，2015(3):18-22.

[12] 兰利平，向建华，何联格. 预紧状态下柴油机气缸套变形特性[J]. 内燃机学报，2015(6):555-561.

[13]兰银在，陈泽忠，彭海雄，等. 基于正交试验设计的气缸套变形研究[J].拖拉机与农用运输车，2016(1):45-48.

[编辑: 李建新]

Numerical Analysis of Liner Deformation of Medium and Heavy Duty Diesel Engine before and after Cylinder Enlargement

XU Weiguo, LONG Danfeng, LIANG Fuxiang

(FAW Jiefang Automotive Co., Ltd., Wuxi Diesel Engine Works, Wuxi214026, China)

The radial reduction of cylinder liner wall would increase engine swept volume without the change of engine size, but was difficult to carry out due to the restricted allowance thickness by liner deformation. For the bottleneck, the feasibility of wet thin-wall cylinder liner was researched by defining the liner wall thickness and material as the variables and choosing cylindricity and Fourier expansion coefficient as the evaluation indexes. According to the finite element analysis of a diesel engine, the liner deformation became serious when the wall thickness decreased from 8.25 mm to 6.25 mm, but improved and compared to the original liner when the steel wall was applied. It was proved that the radial reduction of liner wall and the application of higher elastic material was a feasible way to enlarge cylinder bore.

cylinder liner; thin wall; deformation; cylindricity; simulation

2016-08-16;

2016-10-13

徐卫国(1967—)，男，高级工程师，从事柴油机研发工作；xwg@wxdew.com。

龙旦风((1985—)，男，工程师，博士，研究方向包括结构强度、振动与噪声；longdanfeng@tsinghua.org.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.05.003

TK413.2

B

1001-2222(2016)05-0011-06