一种控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法及发动机与流程

1.本技术涉及汽车发动机技术领域，特别涉及一种控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法及发动机
。


背景技术：

2.目前乘用车在发动机轻量化过程中其上缸体材料多为铝合金材料，而下缸体简化为单个的钢铁材料主轴承座
(
类似于下缸体
)
，或者是以整体式铝合金下缸体框架嵌铸钢铁材料的主轴承座，以承受发动机做功冲程时爆发压力作用于曲轴颈处的作用力
。
该结构优势是在主轴孔最大作用力方向上仍采用了弹性模量和机械性能较高的钢铁材料作为主轴孔座，有效抑制和减少了主轴孔的变形量
。
3.而商用车用发动机由于功率和爆发压力要求较高，其上缸体仍维持铸铁材料，在发动机减重方案中只能采取下缸体轻质化方案
。
4.商用车用发动机在采用铸铁上缸体的前提下，采取铝合金下缸体实现降重目的，其带主轴承座的整体框架式铝合金下缸体主轴孔处存在以下问题点：
5.1)
下缸体采用铝合金材料后其弹性模量仅为
71.5gpa
，约为铸铁材料的
1/3
，在相同爆发压力作用下，其主轴孔在最大作用力方向变形量远大于原铸铁材料变形量，从而引起主轴跳动量超差，引起振动
、
油膜润滑不良，严重时造成主轴瓦局部磨损而拉瓦
。
6.2)
在采用铝合金下缸体后对其主轴承孔变形量无理论计算控制方法，缺乏实际控制工艺措施，因此不能实现批量稳定生产制造
。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供一种控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法及发动机，以解决相关技术中下缸体主轴孔在发动机工作时所产生的爆发压力作用于曲轴时会出现较大弹性变形，这种弹性变形会造成下缸体主轴孔与曲轴颈局部间隙过大，使得下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作的问题
。
8.第一方面，提供了一种控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法，其包括如下步骤：
9.按照拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
，利用连接螺栓拧紧上缸体与下缸体主轴承座，完成下缸体主轴孔粗加工；
10.松开所述连接螺栓，装配好主轴，并按照拧紧扭矩m和第二拧紧转角
β
，利用所述连接螺栓拧紧上缸体与下缸体主轴承座；
11.其中，基于第一拧紧转角
σ
与预变形转角
γ
，获得所述第二拧紧转角
β
。
12.一些实施例中，所述第二拧紧转角
β
为所述第一拧紧转角
σ
与预变形转角
γ
的加和
。
13.一些实施例中，所述方法还包括获取预变形转角
γ
的步骤
。
14.一些实施例中，获取预变形转角
γ
具体包括：
15.基于下缸体主轴孔在曲轴传递的爆发压力方向上的最大变形量
ly、
下缸体主轴孔
的半径r以及下缸体主轴承座高度
hs
，获得下缸体主轴承座连接螺栓夹紧面压下量
lm
；
16.基于
lm、
连接螺栓预紧力
fm
与
lm
之间的映射关系
、fm
与连接螺栓转角之间的映射关系，得到预变形基准转角
δ
；
17.基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
。
18.一些实施例中，基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
，具体包括：
19.对预变形基准转角
δ
向下取整，得到预变形转角
γ
。
20.一些实施例中，基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
，具体包括：
21.将预变形基准转角
δ
减去修正值，得到预变形转角
γ
。
22.一些实施例中，在完成下缸体主轴孔粗加工之后，且在松开所述连接螺栓，装配好主轴之前，所述方法还包括：
23.松开所述连接螺栓，并按照拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
，再次利用所述连接螺栓拧紧上缸体与下缸体主轴承座，完成下缸体主轴孔精加工
。
24.一些实施例中，所述下缸体采用铸铁材料
。
25.一些实施例中，所述下缸体采用铝合金材料
。
26.第二方面，提供了一种发动机，其包括上缸体与下缸体主轴承座，且所述上缸体与下缸体主轴承座通过连接螺栓连接，所述连接螺栓具有拧紧扭矩m和第二拧紧转角
β
，其中，基于第一拧紧转角
σ
与预变形转角
γ
，获得所述第二拧紧转角
β
。
27.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
28.本技术实施例提供了一种控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法及发动机，发动机的缸体由下缸体主轴承座与上缸体通过连接螺栓装配而成，缸体的主轴孔被分成两部分，分别为上缸体主轴孔和下缸体主轴孔，上缸体与下缸体主轴承座安装好之后二者对接形成主轴孔
。
通常情况下，发动机下缸体主轴孔变形受材料
、
结构外形及连接螺栓和拧紧工艺影响，在选定的材料和外形结构条件下，螺栓拧紧工艺成为最大影响因素
。
当按照连接螺栓正常的拧紧扭矩和拧紧转角下，即拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
，下缸体主轴孔在发动机工作时所产生的爆发压力作用于曲轴时会出现较大弹性变形，这种弹性变形会造成下缸体主轴孔与曲轴颈局部间隙过大，使得下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作
。
29.因此，为抵消下缸体主轴孔在爆发压力工况下的部分变形量，本技术在装配时对其采取反向预变形工艺，也即在拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
的基础上，基于预变形转角
γ
进行过拧，直至连接螺栓拧到第二拧紧转角
β
，使得下缸体主轴孔事先有一个反向的变形趋势，这样即使在发动机工作时所产生的爆发压力作用于曲轴时，下缸体主轴孔发生正向的变形会与这种反向的变形趋势进行抵消，实现下缸体主轴孔在爆发压力工况下保持近似正圆孔径，从而防止下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作
。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他
的附图
。
31.图1为本技术实施例提供的主轴孔孔径变形量拟合曲线与主轴孔基圆示意图；
32.图2为本技术实施例提供的主轴孔孔径变形量映射转换示意图
。
具体实施方式
33.为使本技术实施例的目的
、
技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例
。
基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围
。
34.本技术实施例提供了一种控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法，其包括如下步骤：
35.101
：按照拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
，利用连接螺栓拧紧上缸体与下缸体主轴承座，完成下缸体主轴孔粗加工；
36.102
：松开所述连接螺栓，装配好主轴，并按照拧紧扭矩m和第二拧紧转角
β
，利用所述连接螺栓拧紧上缸体与下缸体主轴承座；其中，基于第一拧紧转角
σ
与预变形转角
γ
，获得所述第二拧紧转角
β
。
37.本技术的原理如下：
38.发动机的缸体由下缸体主轴承座与上缸体通过连接螺栓装配而成，缸体的主轴孔被分成两部分，分别为位于上缸体上的上缸体主轴孔和位于下缸体主轴承座上的下缸体主轴孔，上缸体与下缸体主轴承座安装好之后二者对接形成主轴孔
。
通常情况下，发动机下缸体主轴孔变形受材料
、
结构外形及连接螺栓和拧紧工艺影响，在选定的材料和外形结构条件下，螺栓拧紧工艺成为最大影响因素
。
当按照连接螺栓正常的拧紧扭矩和拧紧转角下，即拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
，下缸体主轴孔在发动机工作时所产生的爆发压力作用于曲轴时会出现较大弹性变形，这种弹性变形会造成下缸体主轴孔与曲轴颈局部间隙过大，使得下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作
。
39.因此，为抵消下缸体主轴孔在爆发压力工况下的部分变形量，本技术在装配时对其采取反向预变形工艺，也即在拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
的基础上，基于预变形转角
γ
进行过拧，直至连接螺栓拧到第二拧紧转角
β
，使得下缸体主轴孔事先有一个反向的变形趋势，这样即使在发动机工作时所产生的爆发压力作用于曲轴时，下缸体主轴孔发生正向的变形会与这种反向的变形趋势进行抵消，实现下缸体主轴孔在爆发压力工况下保持近似正圆孔径，从而防止下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作
。
40.具体地，所述第二拧紧转角
β
为所述第一拧紧转角
σ
与预变形转角
γ
的加和
。
41.需要说明的是，预变形转角
γ
的施拧方向是与第一拧紧转角
σ
的施拧方向是相同的
。
42.在曲轴传递的爆发压力作用下，下缸体主轴孔在爆发压力方向上会往外扩，实际上，即使上缸体采用铸铁材料，上缸体主轴孔也会出现一定程度的变形，也是在爆发压力方向上会往外扩
(
需要说明的是，通常忽略上缸体主轴孔的这种变形，是因为上缸体主轴孔的这种变形在允许范围内
)
，同时，在垂直于爆发压力方向上，上缸体主轴孔和下缸体主轴孔
会向内收缩，最终这种变形使得缸体的主轴孔由圆形逐渐变成趋近于椭圆形
。
43.申请人通过测量缸体的主轴孔在爆发压力作用下的孔径变化，并进行曲线拟合，可以得到一个椭圆形，这也证明了上述结论
。
具体地，参见图1所示，以上缸体
、
下缸体主轴承座布置方向为y方向，
x
方向垂直于y方向，曲轴传递的爆发压力方向沿y方向，很显然，主轴孔孔径变形量拟合曲线a趋近于一个椭圆形曲线
。
将该椭圆曲线与主轴孔基圆b对比，申请人意外地发现，在第一象限角度
45
°
处变形量几乎为0，因此在材料弹性变形范围内：主轴孔y向最大变形量
ly
和
x
向最大变形量
lx
满足拟合曲线与基圆差值的某种函数关系，这样才能在此消彼长的变形过程中形成椭圆形，因此对于主轴孔变形量可以只控制单向变形量，即只控制
ly
或者只控制
lx
，通常影响主轴跳动最大变形一般出现在与爆发压力同向的方向上，因此优先选择控制y向变形，即控制
ly
值
。
44.此外，由于发动机的缸体由下缸体主轴承座与上缸体通过连接螺栓装配而成，连接螺栓轴向与上缸体
、
下缸体主轴承座布置方向同向，这一方向也与爆发压力同向，利用连接螺栓的施拧工艺可以实现下缸体主轴孔的反向预变形，因此，也进一步地驱使申请人优先选择控制下缸体主轴孔在曲轴传递的爆发压力方向上的变形，即控制图1中y方向上的
ly
值
。
45.基于上述发现，为了获得预变形转角
γ
，本技术提供的所述方法还包括获取预变形转角
γ
的步骤
。
46.上述获取预变形转角
γ
的原理为：在弹性变形范围内，将下缸体主轴孔的预变形量通过相似三角形原理映射转换为下缸体主轴承座连接螺栓夹紧面压下量，进而转换成连接螺栓扭矩的预变形转角
γ
。
47.具体地，参见图2所示的主轴孔孔径变形量映射转换示意图，获取预变形转角
γ
包括如下步骤：
48.201
：基于下缸体主轴孔在曲轴传递的爆发压力方向上的最大变形量
ly、
下缸体主轴孔的半径r以及下缸体主轴承座高度
hs
，获得下缸体主轴承座连接螺栓夹紧面压下量
lm。
其中，图2中的椭圆曲线c为经过反向预变形后的主轴孔趋势线
。
49.步骤
201
中，可以对发动机工况
cae
分析，从而得出下缸体主轴孔相对于主轴孔基圆b在y向上的最大变形量
ly
值，比如，以爆发压力下铸铁材料下缸体主轴孔孔径为基圆
(
默认变形量微小忽略不计
)。
50.利用几何相似三角形映射法，将
ly
值转换到下缸体主轴承座连接螺栓夹紧面压下量
lm。
51.其转换映射关系为：
lm
＝
k1
×
k2
×
ly
，其中
k2
＝
hs/r
，
k1
为修正系数，其取值范围为
0.85
～
1.2
；r为主轴孔基圆b的半径，
hs
为下缸体主轴承座高度
。
52.202
：基于
lm、
连接螺栓预紧力
fm
与
lm
之间的映射关系
、fm
与连接螺栓转角之间的映射关系，得到预变形基准转角
δ
。
53.连接螺栓预紧力
fm
与
lm
之间的映射关系
、fm
与连接螺栓转角之间的映射关系都为已知量
。
54.其中，可以通过查找扭矩转角法拧紧计算公式，获取连接螺栓预紧力
fm
与
lm
之间的映射关系
。
55.通过查找扭矩转角法拧紧计算公式，获取
fm
与连接螺栓转角之间的映射关系
。
56.具体地，由
lm
＝
fm/cp
得
fm
＝
lm
×
cp
，其中
cp
为下缸体的刚度；
57.由
δ
＝
360
°×
(fm/p)
×
(1/cs+1/cp)
，计算
δ
；
cs
为连接螺栓的刚度；
p
为连接螺栓的螺距
。
58.203
：基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
。
59.在步骤
203
中，基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
，可以直接使用预变形基准转角
δ
，也即将预变形基准转角
δ
作为预变形转角
γ
。
60.当然了，有时候为了留一些余量，防止拧得太过，同时，计算的时候可能会出现小数位数值，在施拧时并不容易进行小数位量化，故通常会进行取整，也即基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
，具体包括：对预变形基准转角
δ
向下取整，得到预变形转角
γ
。
61.比如，作为示例，当实际计算出的预变形基准转角
δ
为
30.3
°
，则经过向下取整，以
30
°
作为预变形基准转角
δ
。
62.当然了，还可以是设计一个修正值，将预变形基准转角
δ
与修正值进行数学运算，得到预变形转角
γ
。
而修正值的大小可以根据经验或者实际需要确定
。
63.比如将预变形基准转角
δ
与修正值相减，得到预变形转角
γ
。
64.作为示例，预变形基准转角
δ
为
30
°
，修正值为2°
，则预变形转角
γ
取值为
28
°
。
65.故步骤
203
基于预变形基准转角
δ
，得到预变形转角
γ
，可以根据实际情况选择不同的处理方案
。
66.需要说的是，在完成下缸体主轴孔粗加工之后，且在松开所述连接螺栓，装配好主轴之前，所述方法还包括：松开所述连接螺栓，并按照拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
，再次利用所述连接螺栓拧紧上缸体与下缸体主轴承座，完成下缸体主轴孔精加工
。
67.本技术在步骤
101
与步骤
102
之间增加一步精加工，也即复拧紧操作，其好处是可以消除粗加工过程中产生的形状误差
。
68.需要说明的是，本技术实施例提供的控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法，也即通过采取反向预变形工艺，使得主轴孔事先有一个反向的变形趋势，从而防止下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作，其不仅适用于采用铝合金材料制造的下缸体，对于其他材料制造的下缸体也都适用，只要这种下缸体主轴孔存在因爆发压力而出现变形，并且需要消除这种变形的情况，即使是铸铁材料制造的下缸体也适用
。
69.本技术实施例还提供了一种发动机，其包括上缸体与下缸体主轴承座，且所述上缸体与下缸体主轴承座通过连接螺栓连接，所述连接螺栓具有拧紧扭矩m和第二拧紧转角
β
，其中，基于第一拧紧转角
σ
与预变形转角
γ
，获得所述第二拧紧转角
β
。
70.具体地，上述发动机，可以通过上述实施例提供的控制发动机下缸体主轴孔预变形的方法对连接螺栓进行施拧
。
71.本技术实施例提供的发动机在装配时对其采取反向预变形工艺，也即在拧紧扭矩m和第一拧紧转角
σ
的基础上，基于预变形转角
γ
进行过拧，直至连接螺栓拧到第二拧紧转角
β
，使得主轴孔事先有一个反向的变形趋势，这样即使在发动机工作时所产生的爆发压力作用于曲轴时，下缸体主轴孔发生正向的变形会与这种反向的变形趋势进行抵消，实现下缸体主轴孔在爆发压力工况下保持近似正圆孔径，从而防止下缸体主轴孔颈跳动超差，引起振动噪声
、
严重拉瓦等损伤，影响发动机正常工作
。
72.实施例
73.经过对发动机铝合金下缸体主轴承座在爆发压力工况条件下
cae
分析，获得其y向与铸铁下缸体主轴孔的变形量最大差值
ly
约为
0.19mm。
74.通过本技术的变形量控制映射方法将主轴孔变形量映射获得下缸体主轴承座连接螺栓夹紧面压下量
lm
＝
0.9
×
100/48
×
0.19≈0.356mm
，其中基圆半径r＝
48mm
，下缸体主轴承座高为
100mm
，修正系数取
0.9
；
75.将
lm
＝
0.356mm
代入螺栓转角与预紧力及压下量公式计算出预变形基准转角
δ
≈31.4
°
，取整得到预变形转角
γ
＝
30
°
。
76.则铝合金下缸体主轴孔预变形控制工艺过程为：
77.在铝合金下缸体主轴孔粗加工时，将铝合金下缸体主轴承座与铸铁上缸体利用连接螺栓连接，连接螺栓的拧紧扭矩为
75n.m
，拧紧转角为
115
°
；然后进行主轴孔粗加工；
78.接着进行铝合金下缸体主轴孔精加工：完全松开铝合金下缸体主轴承座与铸铁上缸体的连接螺栓，等待
5-10s
后将铝合金下缸体主轴承座与铸铁上缸体利用连接螺栓连接，仍采用拧紧扭矩
75n.m
和拧紧转角
115
°
的拧紧工艺二次拧紧，然后进行主轴孔精加工，此时主轴孔孔径近似为基圆；
79.在发动机整机装配时：松开完成精加工后的缸体总成
(
上缸体
、
下缸体主轴承座合件
)
的连接螺栓，装配好轴瓦
、
主轴等零部件后，将铝合金下缸体主轴承座与铸铁上缸体利用连接螺栓连接，连接螺栓的拧紧扭矩为
75n.m
，拧紧转角为
115
°
+30
°
＝
145
°
，从而实现可控的主轴孔预变形，其孔径近似为椭圆形
。
80.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位
、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制
。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通
。
对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义
。
81.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序
。
而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程
、
方法
、
物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程
、
方法
、
物品或者设备所固有的要素
。
在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程
、
方法
、
物品或者设备中还存在另外的相同要素
。
82.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术
。
对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现
。
因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围
。