多種測量狀態(tài)對缸筒變形量影響的研究

李曉磊，王劍鋒，胡志剛，張世偉，張海俠

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

引言

隨著汽車行業(yè)產(chǎn)銷的持續(xù)穩(wěn)定增長，市場上汽車保有量逐漸加大，在消費者日益提高的生活品質(zhì)下，結(jié)合汽車售后三包質(zhì)保期的延長，一系列中國現(xiàn)狀倒逼汽車生產(chǎn)企業(yè)也進行產(chǎn)品質(zhì)量提升。汽車發(fā)動機是為汽車提供動力的裝置，是汽車的心臟，決定著汽車的動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和環(huán)保性。而氣缸體作為汽車發(fā)動機重要的核心零部件，在發(fā)動機運行中要承受各種載荷，例如缸內(nèi)燃燒氣體的壓力載荷、曲柄連桿機構(gòu)的慣性力載荷，還有主要的熱負荷。上述負荷可能使氣缸體等零件損壞或出現(xiàn)過大變形，因此提出獲得穩(wěn)定的機體零件性能要求是保證發(fā)動機良好運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。氣缸體缸筒的尺寸參數(shù)作為發(fā)動機燃燒系統(tǒng)中一個極其重要的機械參數(shù)，它對發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性及活塞漏氣量等質(zhì)量指標有著顯著的影響。缸筒的尺寸參數(shù)包括哪些要素呢？缸筒圓度誤差是指同一截面上的不均勻性，用同一截面上不同方向測得的最大直徑和最小直徑差值之半作為圓度誤差。圓柱度誤差是指沿氣缸軸線的軸向截面上磨損的不均勻性，用被測量氣缸表面任意方向所測得的最大直徑與最小直徑差值之半作為圓柱度誤差。氣缸筒圓度誤差過大，缸筒失圓，活塞環(huán)與缸筒的貼合狀態(tài)變差，在活塞的往復(fù)運動過程中會導致漏氣量增加、機油消耗量增加，燃燒時混合氣體泄漏加大，使發(fā)動機動力性與經(jīng)濟性變差。氣缸筒圓柱度誤差過大，活塞連桿的運動阻力增加，缸筒在潤滑不良的情況下磨損量加劇，最終損壞發(fā)動機。為了更好地控制缸筒變形對發(fā)動機的不良影響，所以需要研究影響缸筒變形參數(shù)的因素和評價測量方法對真實尺寸的反應(yīng)程度。

本文通過實物測量與對比，對以下內(nèi)容進行研究：

（1）測量方法對缸體測量結(jié)果的影響；

（2）缸筒圓度隨缸體硬度、裝配狀態(tài)的變化規(guī)律；

（3）缸筒圓柱度隨缸體硬度、裝配狀態(tài)的變化規(guī)律。

1 試驗樣本與測量設(shè)備

本次試驗以我司一款增壓型汽油發(fā)動機用缸體為測量單元。此款發(fā)動機為我司增壓型式采用廢氣渦輪增壓器，發(fā)動機排量為1.5L，缸體采用球墨鑄鐵材料，排列型式為直列四缸、四沖程，閉式水套獨立式粉末冶金軸承蓋，缸體主要參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機缸體主要參數(shù)

本測量設(shè)備狀態(tài)如圖1所示，采用TSK東京精密圓度儀設(shè)備 RONDCOM75GB，將缸體水平固定在測量平臺上，調(diào)節(jié)平臺保證測量缸筒處于豎直狀態(tài)，測頭直徑為3mm，分別選取垂直于缸筒軸線的不同截面在圓周方向掃點進行數(shù)據(jù)采集，精度能達到一周7200個點；或者沿著缸筒軸線方向采集測量數(shù)據(jù)，直線方向精度能達到0.02mm一個點。

設(shè)備通過信號線路與一臺終端電腦連接，通過測量軟件編輯測量程序，設(shè)備采集數(shù)據(jù)后發(fā)送到電腦，通過后臺軟件計算出測量項目的結(jié)果。

注意：測量前要先將缸體放置室溫下至少24小時，排除溫度對測量精度的影響，尤其是冬季。

圖1 缸筒變形測量狀態(tài)

2 兩種測量方法對缸筒測量結(jié)果的影響

發(fā)動機缸體的缸筒變形評價指標有很多，主要包括缸筒相對于曲軸主軸孔的垂直度要求、缸筒中截面處的硬度指標、缸筒的圓度要求、缸筒的圓柱度要求、缸筒珩磨參數(shù)。評價發(fā)動機缸筒參數(shù)的方法有兩種，而本處統(tǒng)計分析先研究測量方式對測量結(jié)果的影響。

2.1 母線法測量缸筒參數(shù)

測量缸筒圓柱度是可以采用母線法進行評價分析，即母線法為通過采集平行于缸筒軸線的多條輪廓線，然后通過計算機擬合分析，得出測量缸筒的圓柱度數(shù)值。本次采用母線法對缸筒測量結(jié)果見表2。

表2 母線法的測量數(shù)據(jù)

2.2 中心法測量缸筒參數(shù)

測量缸筒圓柱度是可以采用中心法進行評價分析，即中心法為通過采集垂直于缸筒軸線的多截面輪廓線，然后通過計算機擬合分析，得出測量缸筒的圓柱度數(shù)值。本次采用中心法對缸筒測量結(jié)果見表3。

表3 中心法的測量數(shù)據(jù)

2.3 母線法與中心法對比分析

為了選擇一種測量方式合理評價缸筒參數(shù)，將兩種測量結(jié)果進行對比，分析測量方式對缸筒參數(shù)的影響。通過同一缸體測量，采用母線法測量的每一缸圓柱度均小于采用中心法測量的結(jié)果，差值范圍20～30%，對比分析結(jié)果見圖2；中心法采用截面測量，更加貼近實際使用要求，且為了加嚴管控，本文后續(xù)均采用中心法的測量結(jié)果進行評價。

圖2 兩種測量方法對比結(jié)果

3 缸筒圓度隨缸體硬度、裝配狀態(tài)的變化規(guī)律

3.1 缸體硬度對缸筒圓度的影響

本次測量研究：相同的發(fā)動機狀態(tài)，缸筒圓度隨缸體硬度的變化規(guī)律。首先測量缸筒的圓度，然后進行硬度打點，統(tǒng)計數(shù)據(jù)觀察硬度和圓度的變化情況，硬度見表4。

發(fā)動機缸體硬度從頂面開始每隔一定距離進行硬度測量，缸體硬度穩(wěn)定在170HB以上，通過多次測量圓度取平均值，得出以下結(jié)論：通過對比，缸筒圓度隨缸體硬度的上升而變小，詳細試驗結(jié)果見圖3。

表4 不同硬度的測量數(shù)據(jù)

圖3 缸筒圓度隨硬度的變化規(guī)律

3.2 缸體裝配狀態(tài)對缸筒圓度的影響

本次測量研究：采用同一缸體，缸筒圓度隨發(fā)動機裝配狀態(tài)的變化規(guī)律。首先測量缸體自由狀態(tài)下的圓度，改變整機裝配狀態(tài)，觀察缸筒圓度變化情況，測量數(shù)據(jù)見表5。

表5 不同整機狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)

采用同一缸體，保證自由狀態(tài)下缸筒參數(shù)不變，通過模擬發(fā)動機裝配狀態(tài)，多次測量圓度取平均值，得出以下結(jié)論：同一缸體，缸筒圓度隨合裝缸蓋、裝配前后懸置、變速器殼體而成距離頂面越近圓度越大的趨勢，詳細試驗結(jié)果見圖4。

圖4 缸體裝配狀態(tài)對缸筒圓度的變化規(guī)律

4 缸筒圓柱度隨缸體硬度、裝配狀態(tài)的影響

4.1 缸體硬度對缸筒圓柱度的影響

本次測量研究：相同的發(fā)動機狀態(tài)，缸筒圓柱度隨缸體硬度的變化規(guī)律。首先測量缸筒的圓柱度，然后進行硬度打點，統(tǒng)計數(shù)據(jù)觀察硬度和圓柱度的變化情況，測量數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同硬度的測量數(shù)據(jù)

發(fā)動機缸體硬度從頂面開始每隔一定距離進行硬度測量，缸體硬度穩(wěn)定在170HB以上，通過多次測量圓柱度取平均值，得出以下結(jié)論：通過對比，缸筒圓柱度隨缸體硬度的上升而變小，詳細試驗結(jié)果見圖5。

圖5 缸筒圓柱度隨硬度的變化規(guī)律

4.2 缸體裝配狀態(tài)對缸筒圓柱度的影響

本次測量研究：相同的發(fā)動機狀態(tài)，缸筒圓柱度隨缸體裝配狀態(tài)的變化規(guī)律。首先測量缸體自由狀態(tài)下的圓柱度，改變整機裝配狀態(tài)，觀察缸筒圓柱度變化情況，測量數(shù)據(jù)見表7。

表7 不同整機狀態(tài)的測量數(shù)據(jù)

采用同一缸體，保證自由狀態(tài)下缸筒參數(shù)不變，通過模擬發(fā)動機裝配狀態(tài)，多次測量圓柱度取平均值，得出以下結(jié)論：同一缸體，缸筒圓柱度隨合裝缸蓋、裝配前后懸置、變速器殼體而變大，詳細試驗結(jié)果見圖6。

圖6 缸體裝配狀態(tài)對缸筒圓柱度的影響

4.3 擰緊方式對缸筒圓柱度的影響

本次測量研究：不同的擰緊方式，對缸筒變形的影響。首先裝配使用設(shè)備自動擰緊，測量缸筒圓柱度數(shù)據(jù)，然后使用手工擰緊，測量缸筒圓柱度數(shù)據(jù)，觀察擰緊方式對缸筒的變化情況，測量數(shù)據(jù)見表8。

表8 不同擰緊方式的測量數(shù)據(jù)

通過測量不同擰緊方式下的缸筒參數(shù)，得出以下結(jié)論：相同缸體狀態(tài)，設(shè)備自動擰緊和手工擰緊對缸筒變形量的影響差異不大，詳細試驗結(jié)果見圖7。

圖7 擰緊方式對缸筒圓柱度的影響

5 結(jié)束語

（1）缸體硬度對缸筒圓度、圓柱度有很大影響，隨著硬度的提高，缸體抵抗變形的能力得到提升，缸筒圓度、圓柱度更接近理想狀態(tài)。

（2）隨著裝配零件增多，缸筒的圓度、圓柱度比自由狀態(tài)進一步惡化，且距離缸體頂面越近圓度越明顯變大的趨勢。

（3）同一缸體相同裝配狀態(tài)，設(shè)備自動擰緊和人工手動擰緊對缸筒變形量的影響差異不大。