面向轻量化设计的缸体疲劳试验方法研究

陈学罡 吴鹏 夏广明 130011) (中国第一汽车股份有限公司新能源开发院,长春 3摘要:介绍了缸体疲劳试验的种加载方式并阐述其特点。以两种机型缸体为例,通过CAE模拟分析和疲劳试验对其中两种加载方式进行了对比和结果验证,明确了单缸和双缸加载试验结果的一致性,为后续缸体疲劳试验加载方式的切换积累了有效数据并奠定理论基础,提升了缸体疲劳试验能力,为缸体的轻量化设计提供了试验结果支撑。关键词:缸体疲劳试验 发动机U464.131 A中图分类号: 文献标识码:

Automobile Technology & Material - - Workshop Solution -

1979—),作者简介:陈学罡( 男,高级工程师,本科,研究方向为发动机零部件可靠性试验。

1 前言

汽车的可靠性研究是指对发动机、车身、汽车电子系统和传动系统的可靠性进行研究,其中又以发动机研究为核心。而缸体是发动机的核心部件,在发动机开发过程中及现生产中必须对其进行疲劳性能验证,以确定缸体设计、生产工艺和材料的合理性[1]。

缸体作为汽车的大型零件,有较大的轻量化空间,缸体的轻量化工作除了进行充分的理论模拟分析外,还需要可靠性试验进行验证和对模拟分析结果的校准,所以需要缸体疲劳试验的能力达到将缸体进行有效破坏的程度,给出试验数据,支撑轻量化设计。

对于缸体疲劳试验来说,国内外不同研究机构采用的试验方式不一致,国内外的缸体疲劳试3验主流有全缸加载、双缸加载和单缸加载 种加载3 3方式,这种加载方式各有利弊,本文就这 种加 载方式的特点进行简单介绍,并针对双缸和单缸加载进行了理论和试验结果对比。

2 缸体疲劳试验方法

对缸体疲劳试验而言,国内外主要有全缸小3活塞方式、双缸大活塞方式、单缸大活塞方式 种加载方式。

2.1 全缸小活塞方法

全称为全缸半轴小活塞方法,即对试验的缸体所有缸按点火顺序进行半轴和小活塞的夹具式

4 4 1-3-2-4加载,以 缸机为例,对缸体的 个缸进行的点火顺序加载,夹具采用模拟曲轴中间处断开

1),的半轴和与活塞面积相同的模拟活塞(图 此种加载方式的特点是更接近真实工况,完全按照点火顺序对缸体进行考核,不但考核了主轴承壁的承载性能和缸体本体及缸盖螺栓的可靠性,而且考核了缸套的耐压性能,试验考核全面。但此种

4-6方法对试验设备要求较高,要求设备至少具备个加载通道,具有较大的油源和流量并必须具备较大的动态工作压力,所以设备价格昂贵。而在

现代发动机缸径不变而爆发压力不断提升的今天,对设备动态压力的要求越来越高,更高压力的设备制造已经进入瓶颈,此种方式已经越来越难以将大型缸体进行有效破坏,现主要用于试验需求压力较小的汽油机。

2.2 双缸大活塞方法

针对缸体爆发压力的不断提升,一些研究机构/开始采用双缸大活塞方式,全称为双缸半轴通轴大活塞方式,即对试验缸体选取相对危险并相邻的两个缸进行半轴和大活塞的夹具式加载,将加载空间上移,从而将受压的模拟活塞面积放大,以减轻对2)设备试验压力的需求(图 。此种方式放弃了对缸3套耐压性能的考核,重点考核相邻两缸的 个主轴承壁,尤其是中间主轴承壁的承载性能。

2.3 单缸大活塞方法

针对缸体爆发压力的不断提升,其它一些研究机构开始采用单缸大活塞方式,全称为单缸半/轴通轴大活塞方法,即对试验缸体选取相对危险的一个缸进行半轴和大活塞的夹具式加载。此种方法与双缸加载的不同在于,能够使受压的模拟活塞面积更大,进一步降低对设备试验压力的需2 3)求,但只考核一个缸的 个主轴承壁(图 。

2.3 3种加载方法综述

从试验角度来说,全缸半轴小活塞方法最接4近真实工况,试验时可按照发动机点火顺序(如缸机按1-3-2-4,6缸机按1-5-3-6-2-4)依次进行加载,实际加载力F=P×S( P为加载的液压压力, S为活塞面积)。近年来随着各机型缸体爆发压力的不断增大,在缸径(即S)无明显增加的情况下,缸体疲劳试验对F的要求也越来越高,而缸体疲劳试验设备的能力P是有限度的,因此国内外技术人员都采用增大S(即外置大活塞)的方式提高加载力F来满足试验需求,有双缸半轴大活塞方式和单缸通轴大活塞方式两种大活塞方法。

1双缸半轴大活塞方法为中间主轴承壁在 个1加载循环中,共承受两侧施加的力各 次,而两侧1的主轴承壁只受力 次。此种加载方式的试验实1际上考核的只是中间的 个主轴承壁,此主轴承壁的受力情况与全缸半轴小活塞方式类似。单缸通1轴大活塞方式则只对 个缸进行加载,两个主轴承1壁在每个加载循环中只受力 次,明显不同于全缸半轴小活塞和双缸半轴大活塞的加载方式。

国内外很多厂家都采用双缸半轴大活塞方法。但随着更高爆发压力机型的不断开发,相邻两缸大活塞面积有限,双缸半轴大活塞方式已经越来越难以满足试验需求,单缸通轴大活塞方式的优势逐渐突出。因此,有必要对这两种试验方式进行对比和验证,并给出结论,从而为缸体设计轻量化提供数据支持。

3 有限元计算分析

以某缸体为例,对双缸和单缸的四种方法进

行分析,包括双缸半轴加载、双缸通轴加载、单缸

4)半轴加载、单缸通轴加载(图 。

4针对 种加载方式,通过有限元计算完成以下评估内容:

a. 4种加载方式下气缸体和主轴承盖的应力分布。

b.对比A与B,C与D,A与C,A与D4种情况的应力分布。

c.模拟液压油压强逐渐增加情况下的气缸体应力分布。

3.1 所用材料

1表 为所用材料参数。 8 9表 为主轴承盖应力计算结果,表 为液压递增情10况下主轴承盖底部圆角应力分布。表 为缸体高11周疲劳分析结果,表 为主轴承盖高周疲劳分析结12果,表 为螺栓最后一道螺纹高周疲劳分析结果。

3.4 计算结果分析

双缸半轴与双缸通轴加载相比,缸体各关注8%位置应力大致提升 。

2 47%, 4 18%,主轴承盖位置 提高 位置 提高 位5 35%置 提高 。单缸半轴与单缸通轴相比,缸体位2 8%,置 应力减小 其它位置相当。

主轴承盖位置2提高19%,位置5提高8%,其它位置相当。单缸半轴与双缸半轴加载相比,缸1 2 14% 3 28%体位置 、位置 应力提高 。位置 提高 。主轴承盖各位置应力相当。

1单缸通轴与双缸半轴加载相比,缸体位置 应19%, 2 25%, 3 24%力提高 位置 提高 位置 提高 。主2 17%, 5 8%轴承盖位置 应力降低 位置 降低 。

主轴承盖底部圆角应力与液压基本呈线性1MPA,变化规律,即液压每增加 应力相应增加5.4 MPA。

综合结论:从疲劳强度考虑,双缸缸体安全系数高于单缸缸体安全系数。通轴主轴承盖疲劳安全系数高于半轴主轴承盖疲劳安全系数。

4 疲劳试验及对比验证 4.1 疲劳试验

对此缸体进行单缸和双缸对比试验,共得到17个有效数据,结果如下,

38.95 MPA,单缸全轴试验:疲劳强度约 水孔区5 6);域断裂(图 、图

39 MPA,双缸半轴试验:疲劳强度约 水孔区域7 8)断裂(图 、图 。

两种试验方式得到疲劳强度相当,断裂位置一致。

4.2 对比验证

2为验证以上试验结果,我们选取第 种缸体进7行试验,共得到 个有效数据,结果如下,

单缸全轴试验:疲劳强度约29 MPA,主轴承壁断裂(图9)。

28 MPA,双缸半轴试验:疲劳强度约 主轴承壁10)断裂(图 。

两种试验方式得到疲劳强度相当,断裂位置一2致,并且第 种缸体疲劳源位置为螺栓孔最后一道CAE 11 12)螺纹附近,与 分析结果完全吻合(图 、图 。

4.3 试验结果分析

对于以上两种机型缸体,单缸试验和双缸试验验断裂位置、形式基本一致;

2 CAE对于第 种缸体, 分析结果在试验中得到验证;

综合结论:通过两种机型缸体的单缸、双缸疲CAE CAE劳试验对比和 分析, 分析结果得到了部分验证,实际的疲劳试验结果一致。

5 结束语

随着汽车发动机缸体爆发压力的不断提升,对缸体疲劳试验的考核能力要求也越来越高,需要不断探索创新方法来满足试验要求,而缸体疲劳试验不仅考核了缸体可靠性,同时也考核了相关零件的疲劳性能,在汽车零部件开发过程中的作用至关重要,同时根据缸体损坏的方式和位置等可以判断受力薄弱部位,为缸体改进设计提供有力支撑。

随着汽车轻量化工作的不断深入,缸体等大型零件的减重和考核越来越受到关注,缸体疲劳试验能力的提升为设计人员轻量化提供试验数据支撑,是实现汽车缸体轻量化的重要基础工作之一。

参考文献:

[1] , . [J].陈学罡 等 缸体疲劳试验机及试验方法的研究 汽车, 2017,(6):23-26.工艺与材料

c) C ( 单缸、半轴加载方法 图4 单缸、双缸加载方法分析

b) B ( 双缸、通轴加载方法

a) A ( 双缸、半轴加载方法

d) D ( 单缸、通轴加载方法

爆发位置位置

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