為解決摩擦功、油耗等問題，在混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，高剛度低變形機(jī)體的研究一直是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中控制缸孔變形對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)油耗具有特別重要的工程意義。本文通過仿真與試驗(yàn)的全面精細(xì)化對(duì)標(biāo)，研究改善缸孔變形的方法，基于缸孔變形仿真結(jié)果完成機(jī)體優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降低摩擦功和節(jié)省油耗的目標(biāo)。

 

2. 整機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算

2.1 熱傳導(dǎo)計(jì)算

將 CFD 計(jì)算出的氣體熱膜溫度及傳熱系數(shù)作為邊界條件通過 Abaqus 軟件中的surface 方法插值到 FEA 熱傳導(dǎo)計(jì)算模型中，設(shè)置各部件之間的連接關(guān)系及其導(dǎo)熱參數(shù)。 傳熱計(jì)算公式為：

 

 

 

 

 

FEA 熱傳導(dǎo)計(jì)算的工況按照發(fā)動(dòng)機(jī) WOT 運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，熱傳導(dǎo)計(jì)算和變形計(jì)算

模型如圖 1 所示。

 

 

圖 1. 整機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算模型圖.

 

2.2 溫度場(chǎng)結(jié)果

圖 2 為 Reted power 工況下的機(jī)體和缸套溫度場(chǎng)結(jié)果，最高溫度點(diǎn)位于兩缸缸間位置。

 

 

圖 2. 機(jī)體與缸套溫度場(chǎng)分布.

 

2.3 仿真與試驗(yàn)溫度場(chǎng)結(jié)果對(duì)比

如圖 3 所示，仿真分析得到與實(shí)際測(cè)試相近的機(jī)體溫度場(chǎng)結(jié)果，為后續(xù)流固耦合計(jì)算

提供較為精確的邊界條件。

 

 

圖 3 機(jī)體最高溫度測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

 

3. 缸孔變形計(jì)算

以熱傳導(dǎo)所得到的溫度場(chǎng)結(jié)果為邊界條件，插值應(yīng)力計(jì)算模型中，疊加該模型中所受

到的機(jī)械載荷，進(jìn)行流固耦合計(jì)算，其基本方程為：

 

 

 

3.1 計(jì)算模型

與溫度場(chǎng)計(jì)算模型相同，缸孔變形計(jì)算模型包括缸蓋、氣門座圈、氣門導(dǎo)管、汽缸墊片、機(jī)體以及螺栓。

 

3.2 計(jì)算結(jié)果

如圖 4 所示，分別得到裝配和工作兩個(gè)工況下的缸孔變形結(jié)果。裝配工況結(jié)果，從變形趨勢(shì)來看，由于缸口承擔(dān)了大部分的螺栓裝配力，缸套部分下沉；而螺栓則把機(jī)體外圍部分向上提拉，同時(shí)通過水套底部把螺栓力傳遞到缸孔內(nèi)側(cè)。另外，螺栓的螺紋處受力主要集中在前幾個(gè)螺牙，盡量把螺栓沉孔底部高度與水套底部高度隔離，可以有效降低缸孔的變形。

 

工作工況結(jié)果，除了裝配力，還受機(jī)體溫度的極值和溫度分布的影響，對(duì)于混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，建議缸間設(shè)計(jì)鉆孔，以減小機(jī)體的最高溫度，同時(shí)優(yōu)化鉆孔高度，盡可能保證機(jī)體上下的溫度均勻分布，這樣可以得到理想的缸孔變形結(jié)果，實(shí)現(xiàn)降低摩擦功和減小油耗的目標(biāo)。

 

 

圖 4. 裝配工況和工作工況的變形結(jié)果放大圖

 

3.3 變形結(jié)果后處理

缸孔變形后的截面幾何形狀表達(dá)式可以通過快速傅里葉變換，分解為簡(jiǎn)單的各階幾何形狀的疊加，提取出裝配工況和工作工況下對(duì)應(yīng)的缸孔變形值，對(duì)變形進(jìn)行評(píng)估。缸孔變形后截面內(nèi)壁半徑變化可以表述成下列傅里葉級(jí)數(shù)的形式。

 

 

 

4. 設(shè)計(jì)優(yōu)化

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放要求日趨嚴(yán)格，機(jī)體缸孔變形的設(shè)計(jì)限值也不斷下降，對(duì)于具體各階次變形來說，2 階和 3 階變形通?？梢酝ㄟ^活塞環(huán)自身來彌補(bǔ)，因此重點(diǎn)考核落在缸孔的 4 階變形值。

 

某混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)初期，計(jì)算并分解得到的缸孔各階次變形如圖 5 所示， 工作狀態(tài)4 階缸孔變形值在 guideline 范圍內(nèi)，但希望通過設(shè)計(jì)優(yōu)化降低該數(shù)值。

 

 

圖 5. 設(shè)計(jì)初期發(fā)動(dòng)機(jī)的工作工況缸孔變形

 

針對(duì)裝配工況下螺栓力分配、缸孔變形趨勢(shì)以及工作工況下溫度場(chǎng)分布，通過調(diào)節(jié)水套深度、缸蓋螺栓沉孔、缸間鉆孔高度、外圍加強(qiáng)筋分布等一系列措施，設(shè)計(jì)最終版的缸孔變形大大改善，下降幅度超過 50%，具體數(shù)值見圖 6。

 

 

圖 6. 最終設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作工況缸孔變形

 

5. 仿真試驗(yàn)對(duì)比

設(shè)計(jì)優(yōu)化以及缸蓋機(jī)體樣件完成之后，對(duì)缸孔變形進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，以 4 階變形值為例，分別取兩個(gè)不同螺栓夾持力對(duì)應(yīng)的裝配工況變形值進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)據(jù)如圖 7：

 

 

圖 7. 缸孔變形值的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

 

仿真與測(cè)試的數(shù)值對(duì)比可以看出，除了 2 階，其它階次兩者的數(shù)值比較一致，特別是4 階和 6 階變形值，仿真與測(cè)試有非常好的一致性。

 

6. 小結(jié)

本文采用 Abaqus 有限元軟件，對(duì)某款車用混動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔變形進(jìn)行分析研究，在設(shè)計(jì)開發(fā)初期對(duì)缸孔變形進(jìn)行分析校核并為方案優(yōu)化提供了有效指導(dǎo)；結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的置信度，凸顯了 CAE 可有效縮短開發(fā)周期的優(yōu)勢(shì)，充分體現(xiàn)了快速響應(yīng)設(shè)計(jì)的理念。

 

資料來源：達(dá)索官方