兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸氣缸活塞配缸間隙優(yōu)化研究

董立騰

東莞厚街科勁機(jī)電設(shè)備有限公司 廣東 東莞 523000

活塞和氣缸之間的配缸間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率排放等性能影響很大,而兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)配缸間隙更是敏感。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工程師在設(shè)計(jì)活塞或氣缸時(shí),通常是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)這一配合間隙,只知其然而不知其所以然。本文試圖通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析配合間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不同性能的影響趨勢(shì)從而指導(dǎo)工程師合理選擇配缸間隙。從而提出分析此類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)方法。

背景

兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于摩托車(chē),舷外機(jī),農(nóng)業(yè)抽水機(jī),打藥機(jī),園林工具中的打草機(jī),吹風(fēng)機(jī),剪枝機(jī),油鋸等等。其中單杠小排量的兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)(通常50cc以下))更是由于其體積小,單位排量功率高等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用于手提式園林工具中。目前在鋰電池工具大發(fā)展的當(dāng)下,其市場(chǎng)占有率雖有所下降但在低端在家用領(lǐng)域由于其成本始終比鋰電成本低使用更方便以及美國(guó)客戶(hù)的使用習(xí)慣等因素其產(chǎn)品還是有著旺盛的生命力,在高端更是由于其功率高,使用更方便而幾乎不受影響。因而探討兩沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化依然十分必要。

在手提式園林工具中,相對(duì)于打草機(jī)和剪枝機(jī)等,油鋸以及吹風(fēng)機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率更敏感,功率的5%到10%的變動(dòng)對(duì)客戶(hù)的實(shí)際使用體驗(yàn)的影響很大。在提高產(chǎn)品功率的多項(xiàng)研究中我們注意到活塞和氣缸的配缸間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率有明顯的影響,優(yōu)化該設(shè)計(jì)可以明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的功率以及排放,燃油利用率等各項(xiàng)指標(biāo)。

配缸間隙的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

動(dòng)機(jī)活塞與氣缸必須有一定的配缸間隙,首先是由于活塞與氣缸是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的摩擦副之一,如缸套與活塞及環(huán)組間的摩擦力小,發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦功耗也小,反之,將造成相當(dāng)大的功耗;而且活塞與氣缸的摩擦表面保持一定的間隙,是考慮活塞裙部的熱變形、彈性變形及氣缸壁與活塞裙部接觸之間的載荷和速度等的影響,以保證活塞裙部有足夠的潤(rùn)滑油膜,否則,將導(dǎo)致缸套一活塞環(huán)組的急劇磨損。如果配缸間隙太大,會(huì)引起“敲缸”密封不良(漏氣、竄油)、動(dòng)力下降;太小,則會(huì)使活塞裙部沒(méi)有膨脹的余地,接觸壓力超過(guò)活塞和氣缸之間的油膜所能承受的擠壓強(qiáng)度(一般4.9MPa-9.8MPa)潤(rùn)滑油膜將被破壞,引起粘著磨損(拉缸)故障。不同材料的活塞其配缸間隙亦不相同。由于不同的機(jī)型熱分布不同,缸套和活塞的材料結(jié)構(gòu)都不盡相同,因而至今活塞和氣缸之間的配缸間隙并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),只有各發(fā)動(dòng)機(jī)廠根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而給的一些經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于風(fēng)冷式兩沖程手持式小排量發(fā)動(dòng)機(jī),氣缸一般采用鋁合金,內(nèi)壁鍍鉻或者陶瓷,活塞一般是鋁合金。此類(lèi)產(chǎn)品根據(jù)行業(yè)通用經(jīng)驗(yàn)通常給0.04～0.06mm配缸間隙。在實(shí)際制造中,氣缸電鍍后通過(guò)珩磨工序可以保證0.03mm的公差,活塞的精加工可以給到0.015mm的公差,總的配合間隙的公差就能達(dá)到0.045mm左右,因而通常極限配合間隙往往就在0.027～0.073mm左右。這個(gè)公差范圍在很長(zhǎng)時(shí)間里應(yīng)用結(jié)果也不差,但是不是最優(yōu)的呢?有沒(méi)有改善的余地呢?對(duì)此我們進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)

通過(guò)特意跟蹤測(cè)量幾十部樣機(jī)的氣缸內(nèi)徑和活塞大徑,配對(duì)得到各狀態(tài)樣機(jī),對(duì)這些樣機(jī)磨合后在測(cè)功機(jī)上測(cè)功,調(diào)整化油器在lamda=0.9以剔除燃油比影響,數(shù)據(jù)和關(guān)系如圖1所示:,然后又特意按生產(chǎn)方法做一批樣機(jī),不特意控制燃油比lamda,直接磨合后測(cè)試功率,結(jié)果如圖2所示。

圖1

結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知發(fā)動(dòng)機(jī)功率與配缸間隙有密切的相關(guān)性,最優(yōu)值大概在0.4～0.45左右,小于0.35或者大于0.5,功率都會(huì)下降。由推理可知太小由于摩擦增加潤(rùn)滑不夠功率變小,而太大由于竄氣增加密封不嚴(yán)功率也會(huì)下降。也就是說(shuō)最優(yōu)配缸間隙就在摩擦功率損失和竄氣功率損失之間取平衡最小值。

優(yōu)化辦法-分組

在不增加現(xiàn)有工藝難度的基礎(chǔ)上,要想提高功率水平以及功率的一致性,有一個(gè)通用的辦法就是分組。在當(dāng)前工藝水平以及測(cè)量水平下,活塞在產(chǎn)線會(huì)用百分表全檢外徑,在0.015mm范圍內(nèi)最多分兩組,經(jīng)濟(jì)性考慮就只能分兩組0.08mm一組。而氣缸在產(chǎn)線是用氣動(dòng)量?jī)x快速全檢,可以分兩組也可以分三組。在0.03mm范圍內(nèi)如果分三組就是每0.01mm一組,如果兩組就是每0.015一組。針對(duì)家用園林工具分兩組是比較簡(jiǎn)單有效的方法。分組后的數(shù)據(jù)見(jiàn)下表,間隙范圍減小37%,而對(duì)應(yīng)到圖2的數(shù)據(jù)功率卻能提升6%左右

圖2

分組的利弊分析

分組帶來(lái)的問(wèn)題主要是增加了管理的難度,主機(jī)廠需要設(shè)置不同的零件編號(hào)來(lái)分別配對(duì)下訂單管理庫(kù)存,零件廠增加了挑選分組,做記號(hào)的麻煩。最關(guān)鍵的是總會(huì)有時(shí)某一組多有時(shí)某一組少,所以必須要準(zhǔn)備額外庫(kù)存。分組越多,管理成本越大。在增加的管理成本與可能的性能質(zhì)量收益之間取舍有時(shí)候不是很容易的事情。特別是對(duì)DIY級(jí)別的家用工具。

圖3

還有一種分組配對(duì)在生產(chǎn)線常用的是現(xiàn)場(chǎng)配對(duì),這樣不增加供應(yīng)鏈的管理成本,但是需要現(xiàn)場(chǎng)空間和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員設(shè)備,如果能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量自動(dòng)配對(duì)效率也挺高。但是氣缸和活塞的尺寸大,占用空間也太大,不配對(duì)零件處理也挺麻煩。

針對(duì)此,筆者提出一種折中的辦法,供應(yīng)商在全檢尺寸的時(shí)候順手根據(jù)測(cè)量值給出分組記號(hào),不需要額外包裝不需要特意管控,在產(chǎn)線根據(jù)氣缸和活塞的記號(hào)現(xiàn)場(chǎng)人工配對(duì),每個(gè)班次的氣缸和活塞盡量配對(duì)。這樣綜合成本最頂,占用空間不大,對(duì)性能提升卻很大。

效果驗(yàn)證

我們?cè)诋a(chǎn)線實(shí)施以上說(shuō)的配對(duì)方案后跟蹤一個(gè)月每日功率抽檢數(shù)據(jù),對(duì)比之前六個(gè)月的數(shù)據(jù)如圖4所示。平均功率比前6個(gè)月提高7.5%.效果明顯。

圖4

結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和活塞的最優(yōu)配缸間隙,提出通過(guò)分組優(yōu)化的方案并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)方案真實(shí)有效。