郑胜敏
发动机气缸套在进行加工及装配之后，都会形成一定程度的变形，引起密封不良(漏气、窜机油)、动力下降等不良的后果。从发动机研发阶段直至生产制造过程，都需稳定控制气缸盖装配前后的气缸套静载受力变形量，这对发动机的整机性能的稳定发挥及提升，具有极其重要的作用。
为研究柴油机在装配过程中，冷态下的气缸套静载受力变形并提出改进办法，本文引用德国某权威机构的标准进行测量分析。
1 试验测量设备
气缸孔的试验测量，主要是采用V—INCOMETER测量系统进行气缸孔的轮廓测量、圆柱度测量、圆度测量、直线度测量等。该测量系统由测量臂组成，测量臂可以固定在气缸套内，也可以从曲轴箱侧插入到气缸内装夹固定。通过INCOMETER系统，控制测量臂起动旋转和轴向运动，并控制其头部的测量传感器进行测量，因此具有很高的精度，系统的再现性小于2μm。测
试系统通过快速傅立叶分析评价谐波阶次，可以通过几种不同的方式，显示测量结果的评价。
下面的公式表示直径相关的阶次谐波Umaxi的数学定义：
式中：
Ai、Bi——傅立叶系数；
i——阶数。
根据公式，低阶的变形表示全部变形，高阶的表示局部的缸孔变形。因此，变形阶次越高，活塞环随气缸套轮廓扭曲越不明显。
2 影响气缸套变形的因素
为研究气缸套变形机理，首先对影响气缸套变形的因素进行分析。在安装过程中，气缸套主要受气缸盖压紧轴向力作用，以及机体对气缸套的支撑和约束作用。气缸套及其相关零件的装配关系如图1所示。气缸套在装配预紧力作用下的变形，不仅与气缸套自身的刚度有关，同时也受与其相关零件的刚度、配合间隙等的影响。在进行气缸套变形分析时，主要考虑如下的影响因素：
（1）机体预紧螺栓的预紧力及其上紧工艺；
（2）机体水套支撑部（上凸缘）的结构及其刚度；
（3）气缸盖螺栓孔的结构及位置布置；
（4）气缸套的结构和刚度。
图1 气缸套装配示意图
通过分析引起气缸套变形的因素，本文通过采用玉柴M系列柴油机进行装配测量，并与德国某权威机构的标准数据进行比较，对缸孔变形进行分析并提出改进办法。
3 气缸盖螺栓上紧工艺的影响
3.1 预紧力上紧方法的影响
生产流水线气缸盖螺栓预紧力的上紧，通常采用上紧设备通过程序控制来进行，因此能较好的保证上紧工艺。谨以该发动机气缸盖螺栓预紧力上紧工艺（上紧方法为转角法）改进前后为例，作如下对比说明（气缸盖螺栓布置如图2）。
图2 气缸盖螺栓布置图
左图为主螺栓布置图；右图为副螺栓布置图
3.1.1改进前预紧力的上紧步骤
（1）各气缸盖螺栓同步上预紧力到30N·m；
（2）各缸气缸盖主螺栓同步上预紧力到发动机缸150N·m，气缸盖副螺栓预紧力同步上紧到100N·m；
（3）各缸同步松开各螺栓，缸盖主螺栓松开到120N·m，缸盖副螺栓松开到80N·m；
（4）各气缸盖螺栓各螺栓同步转90°，再同步转90°。
（5）各气缸盖副螺栓同步转90°。
3.1.2 改进后预紧力的上紧步骤
（1）所有气缸盖主螺栓同步交叉上预紧力到50N·m；
（2）所有气缸盖主螺栓同步交叉上预紧力到100N·m，副螺栓上预紧力到50N·m；
（3）所有气缸盖主螺栓同步交叉上预紧力到150N·m，副螺栓上预紧力到100N·m；
（4）所有气缸盖螺栓同步交叉松开，所有气缸盖主螺栓预紧力松开到100N·m，副螺栓预紧力松开大50N·m，随后所有气缸盖主螺栓重新上预紧力到120N·m，副螺栓重新上预紧力到80N·m；
（5）所有气缸盖主螺栓先同步交叉转90°，再重复同步交叉转90°；
（6）所有气缸盖副螺栓同步交叉转90°。
通过如上两种上预紧力的工艺，进行测量比较结果如图3所示。其中各曲线表示含义如表1所示（下同）。
表1 曲线表示含义表
1缸 | 2缸 | 3缸 | 4缸 | 5缸 | 6缸 | 德国某机构标准 |
图3 预紧力上紧工艺改进前后比较曲线图
根据试验测量，预紧力上紧工艺改进后，各阶的变形量都在标准曲线内。由此可见，预紧力上紧工艺，对气缸套变形具有重要的影响。
3.2 主螺栓预紧力大小的影响
在气缸盖螺栓上紧工艺这个课题上，缸盖主螺栓预紧力对气缸孔变形具有着十分显著的影响。缸盖主螺栓是保证发动机缸盖密封的重要零件，预紧力越大，缸盖与机体贴合得越紧密，
即缸盖与缸体贴合面单位面积的压应力就会增大，密封性能提高。但是在气缸套刚性不变的情况下，随着单位面积压应力的增大，势必达到气缸套的屈服极限，而引起缸套变形。另外，气缸盖螺栓的拉伸变形，也会引起机体的变形，从而影响气缸套变形。
如图4（a）（b）（c）（d）所示，预紧力的大小对气缸套的变形具有重要的影响。
图4 预紧力对气缸套变形傅立叶曲线图
图4所示的傅立叶曲线图，为使用V—INCOMETER测量系统所测得的缸孔变形规律。图4（a）所谓的自由状态，即气缸套已经装配上机体、没有装配气缸盖所测得的数据。图中显示气缸套在各傅立叶阶次的变形都非常小，而且在标准值的范围内。由此说明，该柴油机的气缸套设计厚度满足要求，加工质量控制较稳定。由图4（b）至图4（d）所示的3条测量曲线图，即装配气缸盖并加载不同的预紧力，所测得的气缸套变形曲线图。随着预紧力的增大，4阶变形具有显著变化，即气缸套局部出现较大的变形，达到350N·m，有数个缸的气缸套已经超出标准曲线的范围。
由此可见，缸盖主螺栓预紧力，对气缸套的变形有着十分显著的影响。因此，在满足气缸爆压工作的前提下，可通过增加气缸盖主螺栓的数量，并保证螺栓孔位置的合理性布置，从而适当降低各主螺栓受到的气缸爆压应力，达到适当降低各气缸盖主螺栓的力矩的目的。
4 机体水套支撑部位刚性的影响
机体装配缸盖后，特别是机体水套支撑气缸套的部位（如图1的“A”部位），该部位如果强度不够，将会因缸盖的压应力而变形，导致气缸套的变形。我们对该点进行了CAE受力分析，也证明该点是应力集中的点。而从分析中显示，如果在水套上气缸套下侧，增大该应力集中点的R圆角，以达到增加该部位强度的目的，而且CAE分析显示，应力得到相应的减小。机体通过改进后，进行测量试验，得到气缸套傅立叶曲线图如图5所示。
图5曲线图显示，通过优化机体水套支撑气缸套部位的结构，使该部位的强度增加，对减少气缸套装配变形具有显著的效果。
图5 机体水套改进前后傅立叶曲线对比
5 螺栓孔结构的影响
大量的事实证明，气缸套的最大变形，大多体现在气缸套的上端部1~3截面，说明气缸盖螺栓孔结构的设计不合理，即螺栓孔沉孔深度不足，螺栓轴向力主要作用处在气缸套上部位置，使气缸套上部受力过大引起变形。因此，在保证水套合理布置的前提下，适当加大螺栓孔沉孔深度，能达到减少气缸套上端部变形的目的。基于此原理，辅之以CAE分析计算，在
原来的基础上，沉孔加深了20mm，并相应增加螺栓和螺纹的长度，分析显示取得良好的效果。如图6所示，为该柴油机螺栓孔结构设计改进前后，对气缸套变形的傅立叶曲线。根据测量线图所示，通过改进气缸盖螺栓结构，不仅能改善4阶变形，还能优化2阶变形。因此，优化气缸盖螺栓孔的结构，对减小气缸孔变形具有不可忽视的影响。
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