缸體的案例
達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)?zāi)M分析中的應(yīng)用
2、缸體疲勞試驗(yàn)簡介
缸體疲勞試驗(yàn)是通過向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室注入的液壓油壓力模擬發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力，液壓油壓力同時(shí)作用于缸體（缸套）、工藝缸蓋、工藝活塞上，并通過工藝連桿、曲軸傳遞給主軸承壁和主軸承蓋，如圖1。
圖1.缸體疲勞試驗(yàn)加載方式示意圖
某型發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行缸體疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生缸口開裂現(xiàn)象，采用Abaqus軟件，選取缸體疲勞試驗(yàn)的典型工況進(jìn)行有限元分析，查找問題真因，并提出改進(jìn)建議。
3、有限元模型建立與邊界條件確定
3.1 有限元模型
模擬缸體疲勞試驗(yàn)的有限元模型主要包括缸體、工藝缸蓋、工藝活塞連桿組件、工藝曲軸、主軸承蓋、連接件（螺栓），如圖2。
圖2. 模擬缸體疲勞試驗(yàn)的有限元模型
模型主要采用二階四面體單元與一階六面體單元建立，由于主要考察缸口位置，所以缸口位置網(wǎng)格需要細(xì)化，需要選取尺寸較小，形狀規(guī)則的單元，以保證求解精度。有限元模型的單元類型選取與規(guī)模見表1所示。
表 1. 各零部件單元類型與節(jié)點(diǎn)數(shù)量
3.2 材料非線性
材料非線性是指材料具有非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Abaqus軟件支持用戶使用*PLASTIC選項(xiàng)定義金屬材料的塑性性能。*PLASTIC選項(xiàng)中的數(shù)據(jù)將材料的真實(shí)屈服應(yīng)力定義為真實(shí)塑性應(yīng)變的函數(shù)。同時(shí)Abaqus支持在各材料參數(shù)中使用溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如：彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。為了更準(zhǔn)確的獲得應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在分析時(shí)缸體材料采用彈塑性數(shù)據(jù)，即試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖3. Abaqus界面定義金屬材料塑性數(shù)據(jù)
圖4.
展開 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的快速形狀及拓?fù)鋬?yōu)化
背景
客戶是一家北美領(lǐng)先的汽車制造商
客戶希望能在氣缸蓋和缸體上嘗試做減重修改。該項(xiàng)目的交付期限很短，客戶希望在性能目標(biāo)達(dá)到的前提下，從各個(gè)部件中實(shí)現(xiàn)合理的減重目標(biāo)。此外，客戶希望同時(shí)進(jìn)行形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，以提高材料利用率。同時(shí)，可以針對(duì)缸體上的筋作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成的剛度和彎曲模態(tài)的優(yōu)化方案。
解決方案
由于時(shí)間至關(guān)重要，DEP團(tuán)隊(duì)采用了“極簡設(shè)計(jì)方法”應(yīng)用于該項(xiàng)目。極簡設(shè)計(jì)方法包括將設(shè)計(jì)更改盡可能減少，同時(shí)需要驗(yàn)證工藝制造可行性。
形狀優(yōu)化：
形狀優(yōu)化包括以下步驟：
對(duì)初始輸入模型進(jìn)行NVH，疲勞分析；
利用Meshworks建立參數(shù)化模型，獲取最優(yōu)的重量以及和初始方案一致的性能；
經(jīng)過和制造團(tuán)隊(duì)的討論，得到可行的設(shè)計(jì)修改空間；例如，合理的壁厚，翻邊厚度，筋的厚度，凸臺(tái)高度等；
將參數(shù)化的變量值修改為合理范圍，以達(dá)到所有的目標(biāo)值；
所有的分析如下：
缸體疲勞分析；
缸孔變形分析；
NVH分析 – 動(dòng)力總成彎曲模態(tài)，偏移，以及附件加速度和噪聲分析。
拓?fù)鋬?yōu)化
用MeshWorks快捷的在缸體上直接增加筋或刪除筋，以及創(chuàng)建包絡(luò)拓?fù)淇臻g
CAD-Morpher
可以依據(jù)網(wǎng)格的變形結(jié)果，將原始CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行100%的變形，這個(gè)結(jié)果是可以直接導(dǎo)出為CAD軟件可識(shí)別的格式，例如parasolid格式。
結(jié)果
重量降低10%，同時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)全部滿足設(shè)計(jì)要求。
展開 東風(fēng)康明斯缸體實(shí)例講解：感應(yīng)電爐熔煉配料、元素影響及碳化硅的使用！
筆者公司通過多年對(duì)鉛的研究得出，當(dāng)以生鐵為主配料時(shí)，鉛的含量上限為0.0008%；生產(chǎn)合成鑄鐵時(shí)，鉛的含量上限0.0015%，否則缸體的軸承座處的石墨就會(huì)變異，從而造成缸體的力學(xué)性能低，從而引起材質(zhì)不合格的廢品。
（2）砷的影響
砷在鑄鐵中是一種微量有害元素。影響鑄鐵的顯微組織，比如：促進(jìn)灰鑄鐵形成D型石墨，使基體變成珠光體，改變灰鑄鐵的白口傾向等，導(dǎo)致鑄鐵力學(xué)性能降低。此外，含砷鑄鐵還容易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、偏析以及夾渣等鑄造缺陷，使鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量控制變得困難。
筆者公司原設(shè)定的砷含量為0.0080%，在采用增碳劑+廢鋼生產(chǎn)合成鑄鐵過程中出現(xiàn)砷含量最高達(dá)到0.0116%的情況，為驗(yàn)證砷含量對(duì)灰鑄鐵缸體缸蓋力學(xué)性能的影響，我們將砷含量超出0.0080%的鑄件進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表1、表2.
東風(fēng)康明斯要求缸體缸蓋的本體性能≥207MPa，試驗(yàn)砷含量在0.0081%-0.0116%之間的鑄件力學(xué)性能和金相組織都完全滿足東風(fēng)康明斯的要求。
同時(shí)，我們對(duì)砷含量在0.012%-0.013%時(shí)澆注的496件缸體鑄件進(jìn)行了氣密性檢測，出現(xiàn)2件滲漏，滲漏率為0.4%，滲漏率未出現(xiàn)異常升高。說明As在這個(gè)范圍內(nèi)，不會(huì)增加鑄件的滲漏廢品。
福州大學(xué)的李樹江通過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)砷含量低于0.0130%時(shí)，灰鑄鐵具有較好的力學(xué)性能和冶金質(zhì)量指標(biāo)。目前，筆者公司將砷的含量控制在0.0130%以下。
（3）鋁的影響
微量元素鋁的含量在一定范圍下并不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生影響，但是當(dāng)鋁的含量超過一定范圍后，就會(huì)產(chǎn)生氫氣孔，使鑄件報(bào)廢。
展開 以東風(fēng)康明斯缸體為案例，實(shí)驗(yàn)分析感應(yīng)電爐熔煉配料、元素影響、及碳化硅的最佳使用！
筆者公司通過多年對(duì)鉛的研究得出，當(dāng)以生鐵為主配料時(shí)，鉛的含量上限為0.0008%；生產(chǎn)合成鑄鐵時(shí)，鉛的含量上限0.0015%，否則缸體的軸承座處的石墨就會(huì)變異，從而造成缸體的力學(xué)性能低，從而引起材質(zhì)不合格的廢品。
（2）砷的影響
砷在鑄鐵中是一種微量有害元素。影響鑄鐵的顯微組織，比如：促進(jìn)灰鑄鐵形成D型石墨，使基體變成珠光體，改變灰鑄鐵的白口傾向等，導(dǎo)致鑄鐵力學(xué)性能降低。此外，含砷鑄鐵還容易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、偏析以及夾渣等鑄造缺陷，使鑄造生產(chǎn)的質(zhì)量控制變得困難。
筆者公司原設(shè)定的砷含量為0.0080%，在采用增碳劑+廢鋼生產(chǎn)合成鑄鐵過程中出現(xiàn)砷含量最高達(dá)到0.0116%的情況，為驗(yàn)證砷含量對(duì)灰鑄鐵缸體缸蓋力學(xué)性能的影響，我們將砷含量超出0.0080%的鑄件進(jìn)行了力學(xué)性能檢測，檢測結(jié)果見表1、表2.
東風(fēng)康明斯要求缸體缸蓋的本體性能≥207MPa，試驗(yàn)砷含量在0.0081%-0.0116%之間的鑄件力學(xué)性能和金相組織都完全滿足東風(fēng)康明斯的要求。
同時(shí)，我們對(duì)砷含量在0.012%-0.013%時(shí)澆注的496件缸體鑄件進(jìn)行了氣密性檢測，出現(xiàn)2件滲漏，滲漏率為0.4%，滲漏率未出現(xiàn)異常升高。說明As在這個(gè)范圍內(nèi)，不會(huì)增加鑄件的滲漏廢品。
福州大學(xué)的李樹江通過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)砷含量低于0.0130%時(shí)，灰鑄鐵具有較好的力學(xué)性能和冶金質(zhì)量指標(biāo)。目前，筆者公司將砷的含量控制在0.0130%以下。
（3）鋁的影響
微量元素鋁的含量在一定范圍下并不會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄件的質(zhì)量產(chǎn)生影響，但是當(dāng)鋁的含量超過一定范圍后，就會(huì)產(chǎn)生氫氣孔，使鑄件報(bào)廢。
展開 
船用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體鑄件
船用發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，球墨鑄鐵，鑄造工藝有難度
基于模態(tài)提升發(fā)動(dòng)機(jī)NVH優(yōu)化研究
本文闡述了模態(tài)試驗(yàn)的理論，通過缸體模態(tài)的有限元分析和模態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)了缸體模態(tài)頻率較低。通過對(duì)缸體局部模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，提高了模態(tài)頻率，降低了缸體產(chǎn)生振動(dòng)輻射噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，最終降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲及振動(dòng)，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的聲品質(zhì)。
缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)眾多零部件都直接或間接地和缸體連接，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)缸體和其他零部件將產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)或耦合共振，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)雜的噪聲，即缸體強(qiáng)度的高低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NVH及整車NVH的提升將產(chǎn)生重要的影響,所以確定缸體結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，特別是固有頻率和振型對(duì)控制振動(dòng)輻射噪聲具有重要的意義。
結(jié)構(gòu)共振噪聲在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中比較常見，而根據(jù)共振噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，針對(duì)不同的噪聲形式可以采用不同的優(yōu)化方式進(jìn)行。如控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)共振噪聲，可通過優(yōu)化燃燒噪聲或者機(jī)械噪聲的方法進(jìn)行，但是這樣可能會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，所以往往降噪量有限。而采用模態(tài)優(yōu)化增加結(jié)構(gòu)剛度或者改善自身的阻尼特性來降低表面振動(dòng)的方式也可以大幅度降低缸體輻射噪聲。在激振力不變的情況下，增加結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)表面響應(yīng)是控制發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射噪聲的基本途徑。增加結(jié)構(gòu)剛度的主要目的是提高結(jié)構(gòu)的固有頻率，使其達(dá)到結(jié)構(gòu)衰減較大的頻率區(qū)域。
本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為案例通過仿真分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方式確定了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)共振噪聲，最終通過模態(tài)提升的方式提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH性能。
缸體模態(tài)有限元分析
發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)缸體是主要的受力件，氣體在燃燒室燃燒所產(chǎn)生的氣體壓力，通過活塞連桿傳遞到曲軸，通過缸體傳出。因此發(fā)動(dòng)機(jī)缸體必須要求有足夠的剛度和強(qiáng)度，才能承受如此大的機(jī)械負(fù)荷并保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。一般在設(shè)計(jì)缸體時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。
模態(tài)分析的目的是識(shí)別出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型以及阻尼比。
展開 實(shí)例講解：如何解決缸體力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)、滲漏、夾渣等缺陷？
我廠主要生產(chǎn)汽油機(jī)和柴油機(jī)缸體，一直采用硅鈣孕育劑進(jìn)行孕育，經(jīng)常出現(xiàn)力學(xué)性能達(dá)不到要求的現(xiàn)象，并且所生產(chǎn)的缸體在機(jī)加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)滲漏、夾渣等缺陷。經(jīng)分析，產(chǎn)生這些缺陷的主要原因是組織粗大，在熱節(jié)部位產(chǎn)生縮松;另外，由于硅鈣孕育劑成渣傾向大，處理需用的加人量大，造成渣量較大而易產(chǎn)生鑄件夾渣凹。為解決這一問題，在熔煉上進(jìn)行了多方面試驗(yàn)，特別是對(duì)孕育劑進(jìn)行了多品種的試驗(yàn)，最后選用鍶硅孕育劑取得了很好的效果。
1、試驗(yàn)條件
采用容量為6t的變頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，造型方式為濕型砂氣沖造型生產(chǎn)線，連續(xù)生產(chǎn)。鐵液出爐溫度為1 480~1 500 C，鐵液包容量為1 000 kg;孕育方式采用包內(nèi)沖人法，孕育劑加入量為0.30%~0.45%，試樣在中間包次澆注完鑄件后澆注。
所用爐料為:廢鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，生鐵為河南球墨生鐵和本溪球墨生鐵，回爐料為同類產(chǎn)品回爐料,孕育劑為鍶硅孕育劑和硅鈣孕育劑，其他合金材料還有FeSi、FeMn等。鍶硅孕育劑的主要成分見表1。
爐前檢測采用澆濕型三角試樣檢查白口深度，用激冷型檢查鐵液凝固時(shí)頂部發(fā)生的行為作快速判斷。采用濕法分析鐵液成分，10 t萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)檢測抗拉強(qiáng)度，布氏硬度計(jì)檢測硬度，金相顯微鏡檢查金相組織。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1爐料配比
根據(jù)我廠的實(shí)際條件，我們對(duì)不同的爐料配比進(jìn)行了試驗(yàn)，具體的爐料配比見表2。并且在同一種爐料配比方案中同時(shí)采用硅鈣孕育劑和鍶硅孕育劑兩種孕育劑進(jìn)行孕育處理。
2.2 試生產(chǎn)抽查結(jié)果
2.2.1
力學(xué)性能和金相組織采用不同的爐料配比方案一和方案二，用硅鈣孕育劑和鍶硅孕育劑分別進(jìn)行孕育處理，其力學(xué)性能和金相組織呈現(xiàn)出不同的結(jié)果，表3為兩種孕育劑孕育處理后的化學(xué)成分，表4為兩種孕育劑孕育處理后的力學(xué)性能和金相組織。
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1、試驗(yàn)條件
采用容量為6t的變頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，造型方式為濕型砂氣沖造型生產(chǎn)線，連續(xù)生產(chǎn)。鐵液出爐溫度為1 480~1 500 C，鐵液包容量為1 000 kg;孕育方式采用包內(nèi)沖人法，孕育劑加入量為0.30%~0.45%，試樣在中間包次澆注完鑄件后澆注。
所用爐料為:廢鋼為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，生鐵為河南球墨生鐵和本溪球墨生鐵，回爐料為同類產(chǎn)品回爐料,孕育劑為鍶硅孕育劑和硅鈣孕育劑，其他合金材料還有FeSi、FeMn等。鍶硅孕育劑的主要成分見表1。
爐前檢測采用澆濕型三角試樣檢查白口深度，用激冷型檢查鐵液凝固時(shí)頂部發(fā)生的行為作快速判斷。采用濕法分析鐵液成分，10 t萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)檢測抗拉強(qiáng)度，布氏硬度計(jì)檢測硬度，金相顯微鏡檢查金相組織。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1爐料配比
根據(jù)我廠的實(shí)際條件，我們對(duì)不同的爐料配比進(jìn)行了試驗(yàn)，具體的爐料配比見表2。并且在同一種爐料配比方案中同時(shí)采用硅鈣孕育劑和鍶硅孕育劑兩種孕育劑進(jìn)行孕育處理。
2.2 試生產(chǎn)抽查結(jié)果
2.2.1
力學(xué)性能和金相組織采用不同的爐料配比方案一和方案二，用硅鈣孕育劑和鍶硅孕育劑分別進(jìn)行孕育處理，其力學(xué)性能和金相組織呈現(xiàn)出不同的結(jié)果，表3為兩種孕育劑孕育處理后的化學(xué)成分，表4為兩種孕育劑孕育處理后的力學(xué)性能和金相組織。
展開 基于多體動(dòng)力學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲預(yù)測與輕量化
4 輕量化發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲分析優(yōu)化
4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體減重后的噪聲分析
為滿足提高汽車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的要求，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)本體耐久性和可靠性的前提下，對(duì)厚重的缸體部件進(jìn)行均勻減薄，對(duì)不影響功能的部分區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改以達(dá)到減重的目。減重前后的缸體結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖10和圖11 所示，減重后缸體比原缸體減輕了4.44 kg 左右，對(duì)于40 kg 左右的缸體，相當(dāng)于減輕了10%的質(zhì)量。
圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)氣側(cè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比
圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體排氣側(cè)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對(duì)比
缸體減重后需要考慮對(duì)噪聲的影響。對(duì)減重后的缸體進(jìn)行1 m 噪聲分析，得到原缸體與減重缸體的總聲壓級(jí)對(duì)比圖，如圖12 所示。
圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體減重前后總聲壓級(jí)對(duì)比
從圖12 可以看出，減重后的缸體在5 500 r/min下的總聲壓級(jí)差為7.5 dB，6 000 r/min 下的總聲壓級(jí)差為6.4 dB，其他轉(zhuǎn)速下的總聲壓級(jí)差在3 dB 左右。在采用相同的測量方法及測點(diǎn)位置時(shí)，3 dB 表示減重后發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲功率約為原發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲功率的2 倍，人耳能很容易地感覺到差別。對(duì)于減重后的缸體進(jìn)行仿真分析后，發(fā)現(xiàn)減重后的噪聲性能很差，需要后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化，盡可能滿足客戶對(duì)舒適性的需求。
4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體優(yōu)化后的噪聲分析
提升發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲性能的方式有3 種：1）從降低發(fā)動(dòng)機(jī)源頭的激勵(lì)入手；2）改變發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)傳遞路徑；3）增加發(fā)動(dòng)機(jī)的剛度與阻尼結(jié)構(gòu)，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)輻射的表面激勵(lì)響應(yīng)。由于設(shè)計(jì)部門是從減重缸體開始，既要保證不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲性能，又要達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)減重的效果。
因此，文章從優(yōu)化缸體結(jié)構(gòu)的方向入手，通過提升發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的剛度來優(yōu)化噪聲。
展開 ADSTEFAN成功應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金壓鑄缸體模具設(shè)計(jì)
寧波市北侖輝旺鑄模實(shí)業(yè)有限公司在V6汽車發(fā)動(dòng)機(jī)鋁合金壓鑄缸體模具設(shè)計(jì)中一次試模成功，打破了國外對(duì)于這一領(lǐng)域的技術(shù)壟斷,給我國壓鑄界帶來了振奮，猶如一束溫暖的陽光，給處于寒冬中的同行企業(yè)帶來了發(fā)展的希望。
寧波市北侖輝旺鑄模實(shí)業(yè)有限公司地處東海之濱寧波市北侖區(qū)大矸鎮(zhèn)，是中國壓鑄模骨干企業(yè)聯(lián)合體成員單位，亦是“模具之鄉(xiāng)”重點(diǎn)骨干私營企業(yè)之一。 在2003年就引進(jìn)了日本的模流分析軟件ADSTEFAN， 長期以來在設(shè)計(jì)模具時(shí)都是先把設(shè)計(jì)方案確定后，用ADSTEFAN軟件對(duì)方案進(jìn)行模擬分析論證，然后與用戶一起商討，充分做好前期論證工作，在有充分把握的前提下進(jìn)行制模，所以輝旺公司設(shè)計(jì)的大部分模具試模都是一次成功。
展開 內(nèi)燃機(jī)主軸承座的強(qiáng)度分析
2.應(yīng)力結(jié)果
如圖14～圖16所示，為螺栓預(yù)緊力等于45.5KN時(shí)框架和缸體的應(yīng)力（Von Mises stress）分布。
圖14 框架和缸體的整體應(yīng)力分布
圖15 框架局部應(yīng)力分布
圖16 框架局部應(yīng)力分布
如圖17～圖19所示，為螺栓預(yù)緊力等于43KN時(shí)框架和缸體的應(yīng)力（Von Mises stress）分布。
圖17 框架和缸體的整體應(yīng)力分布
圖18 框架局部應(yīng)力分布
圖19 框架局部應(yīng)力分布
如上文中圖14～圖19所示，在框架與缸體之間以及螺栓與框架缸體接觸面上壓應(yīng)力很大，這是由于計(jì)算是按照材料的彈性假設(shè)進(jìn)行的，沒有考慮材料的塑性變形，因此應(yīng)力值很大，但不會(huì)引起失效。
如圖15、圖18和圖16、圖19所示，A處和B處應(yīng)力值大于250MPa，超過了材料的強(qiáng)度極限，因此建議加大這兩處的R值，以降低應(yīng)力集中。在框架和缸體的其余部位，應(yīng)力值都小于材料的強(qiáng)度極限250MPa，因此在此工況下強(qiáng)度滿足要求。
如圖20～圖22所示，為軸瓦過盈量等于66μm框架和缸體的應(yīng)力（Von Mises stress）分布。
圖20 框架和缸體的整體應(yīng)力分布
圖21 框架和缸體局部應(yīng)力分布
圖22 框架和缸體局部應(yīng)力分布
如圖21所示，過盈量為66μm時(shí)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在缸體部分的油道孔處，應(yīng)力值為165MPa，小于材料強(qiáng)度極限250MPa，滿足要求。但是，還是建議此處的尖邊增加倒圓，以降低應(yīng)力集中。
如圖23～圖25所示，為爆壓等于70bar時(shí)框架和缸體的應(yīng)力（Von Mises stress）分布。
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【加工制造】圖文并茂——發(fā)動(dòng)機(jī)的加工工藝與產(chǎn)線運(yùn)作實(shí)例
缸蓋加工各工序液壓夾具實(shí)例：
▲OP10
▲OP20
▲OP30-40
缸體加工各工序液壓夾具實(shí)例：
發(fā)動(dòng)機(jī)缸體自動(dòng)上下料產(chǎn)線實(shí)例
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體都比較重，在加工時(shí)把它們搬運(yùn)到加工中心工作臺(tái)的工裝上及把加工完的缸體搬運(yùn)下來是個(gè)很繁瑣的工作。國內(nèi)外都采用機(jī)器人來完成缸體的自動(dòng)上下料。
本例中：要求用一臺(tái)機(jī)器人同時(shí)給四臺(tái)加工中心進(jìn)行上料和下料工作。從加工中心門開后14秒之內(nèi)要取下工作臺(tái)工裝上的缸體及換上要加工的缸體。水平軸的運(yùn)行速度是2米/秒，而上下軸的運(yùn)行速度要達(dá)到1米/秒。
▲發(fā)動(dòng)機(jī)上缸體上下料機(jī)器人整體效果圖
上下兩圖分別是工作現(xiàn)場的機(jī)器人和要抓取的零件照片。其中水平運(yùn)動(dòng)軸的整體長度達(dá)到50米，通過采用滾輪直線導(dǎo)軌帶齒條，伺服電機(jī)配減速機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，齒輪齒條傳動(dòng)。由于殼體的重量大體積大，不宜采用單上下運(yùn)動(dòng)軸雙手爪結(jié)構(gòu)。為了保證14秒的卸裝節(jié)拍要求，采用雙Z軸及雙手爪方式，它們一起隨X軸做水平運(yùn)動(dòng)，還可以單獨(dú)做垂直運(yùn)動(dòng)。
展開 技術(shù)研究 | 汽車前端框架高溫鎖扣區(qū)域強(qiáng)度試驗(yàn)方法開發(fā)
圖1（A）多功能剛度平臺(tái)設(shè)備整體外觀圖；
（B）多功能剛度平臺(tái)原底座上增加一套固定下端拉伸夾具的底板后的整體外觀圖；
（C）上端作動(dòng)缸體連接拉伸試驗(yàn)上夾具，下端底板固定拉伸試驗(yàn)下夾具；
（D）多功能剛度平臺(tái)測試測試伸樣條示意圖
2. 前端框架整體搭建方式的差異性
分別進(jìn)行了高溫鎖扣區(qū)域的鎖扣強(qiáng)度測試，具體的搭建和測試結(jié)果如下：從圖2（A）和圖2（B）的結(jié)果可以看出，當(dāng)作動(dòng)缸體和安全鎖扣所在的切線方向的夾角為12°時(shí)，其前端框架高溫鎖扣區(qū)域的極限強(qiáng)度為2983 N，相比較當(dāng)作動(dòng)缸和安全鎖扣的切線方向平行時(shí)的極限強(qiáng)度2800 N要更高一些，這主要的原因是由于當(dāng)存在角度為12°時(shí)，并且假定前端框架高溫鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度為Fmax，則當(dāng)作動(dòng)缸的方向的力值≥Fmax/Cos12°時(shí)，前端框架的安全鎖扣將會(huì)被拔出。
圖2（A）前端框架固定示意圖，模擬引擎蓋（藍(lán)色工裝）扣在前端框架安全鎖扣上，坐動(dòng)缸體和引擎蓋采用鋼絲繩連接的方式，作動(dòng)缸體施加力的方向和安全鎖扣所在的平面方向的夾角為12°，下方的曲線圖A是按照此種搭建方式測得的高溫鎖扣區(qū)域的力隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖；
（B）模擬引擎蓋扣在前端框架安全鎖扣上，坐動(dòng)缸體和引擎蓋采用鋼絲繩連接的方式，作動(dòng)缸體施加力的方向和安全鎖扣所在的平面方向的夾角為0°，下方的曲線B是按照此種搭建方式測得的高溫鎖扣區(qū)域的力隨著時(shí)間的變化關(guān)系圖
而當(dāng)作動(dòng)缸和安全鎖扣所在的切線方向平行時(shí)，當(dāng)則當(dāng)作動(dòng)缸的方向的力值≥Fmax時(shí)，前端框架的安全鎖扣將會(huì)被拔出。因而采用A種方式得到的前端框架的鎖扣區(qū)域的強(qiáng)度將會(huì)更大一些。
當(dāng)作動(dòng)缸和安全鎖扣的切線方向平行時(shí)，如圖3（A）所示采用的鋼絲繩連接作動(dòng)缸體和模擬引擎蓋，如圖（B）所示的是環(huán)套環(huán)的連接方式連接的作動(dòng)缸體和模擬引擎蓋。
展開 鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)和鋁制發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
那這個(gè)風(fēng)扇就把大量的空氣給扇到氣缸里，噴油系統(tǒng)再噴多一點(diǎn)的油，相當(dāng)于在一個(gè)小排量的缸體里實(shí)現(xiàn)了大排量發(fā)動(dòng)機(jī)的做功力量，因此發(fā)動(dòng)機(jī)自然就更加有力了。
但要知道，畢竟不是大排量發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸里給混合氣爆炸做功的空間就那么一點(diǎn)，爆炸力大了那么多，對(duì)整個(gè)氣缸的承受力就有更高的要求了，這就是為什么不用鋁合金缸體的原因。
相對(duì)于全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)，鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體熱負(fù)荷能力更強(qiáng)，更加有利于提升發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。如1.5L排量的鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)，在渦輪增壓的作用下，其實(shí)是可以達(dá)到2.0L排量的動(dòng)力要求；而全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)，那就達(dá)不到這樣的要求了。目前，僅有少數(shù)的高檔車才會(huì)使用全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)。
另外，全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)容易與水產(chǎn)生化學(xué)作用，其耐腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上鑄鐵缸體，而鋁缸體的強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鑄鐵缸體。因此，基本上所有的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)都是鑄鐵缸體。值得一提的是，鑄鐵缸體還具有鋁體發(fā)動(dòng)機(jī)所不具備的改裝強(qiáng)度。
相比之下，全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)勢就在于：同等排量下，全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)的重量要比鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量輕20kg左右。還有具有全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)，可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，且有利于延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。
目前，幾乎所有的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞都是采用鋁合金，要是氣缸壁材料也都是全鋁的，那鋁與鋁之間的摩擦系數(shù)要大很多，從而會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。這就是為什么全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體內(nèi)為什么總嵌有鑄鐵缸套的原因。
其實(shí)，綜上所述，全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)具有易加工、質(zhì)量輕、散熱性好等特點(diǎn)。而鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢則體現(xiàn)在耐高壓、耐高溫、耐腐蝕、抗變形以及成本低等。
展開 專訪廣州捷和：2.25米大尺寸、10激光器SLA 3D打印機(jī)Qubea SLA2250 發(fā)布
但采用金屬缸體難以避免缸體變形的問題，這個(gè)很可能會(huì)影響材料的成型精度，使打印件表面發(fā)生變形，因而會(huì)在每一次激光調(diào)整的時(shí)候會(huì)或多或少地產(chǎn)生問題，此外，大型金屬缸體的使用壽命會(huì)因應(yīng)這些問題縮短，甚至?xí)?dǎo)致其他更嚴(yán)重的問題產(chǎn)生。”
△柔性缸體
鑒于上述金屬缸體的缺點(diǎn)，捷和Qubea SLA2250設(shè)備，創(chuàng)新性地采用了軟體缸體設(shè)計(jì)?！败涹w缸體的伸縮性會(huì)更好，而且從該設(shè)備整體設(shè)計(jì)上來講，這個(gè)軟體缸體無需承受樹脂材料的重力，所以打印過程中液面的穩(wěn)定性會(huì)高很多。此外，該型號(hào)缸體樹脂裝載量最高可達(dá)2.5噸，是一款非常適合大尺寸、大批量生產(chǎn)的設(shè)備。” 李一奇先生補(bǔ)充道。
大幅度提升平效，可為客戶縮減租房成本
據(jù)李一奇先生介紹，這款帶有10個(gè)激光器的SLA2250 3D打印設(shè)備目前已經(jīng)對(duì)外展開銷售。盡管這款型號(hào)面向于量產(chǎn)，但是它的精度依然維持在一個(gè)很高的水準(zhǔn)。為配合量產(chǎn)需求，該設(shè)備的外形采用了對(duì)門雙開門的設(shè)計(jì)，以滿足企業(yè)員工在設(shè)備的兩邊通道同時(shí)作業(yè)的需求，該設(shè)計(jì)大幅提高了運(yùn)作效率。這個(gè)就是捷和SLA2250高平效的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。
李一奇先生還告訴南極熊：“同等條件下，10臺(tái)SLA600型號(hào)的設(shè)備占地面積約需100平米，而這款SLA2250 打印設(shè)備僅需20平米就足夠了。”
高平效的設(shè)計(jì)主要考慮到如今深圳、東莞等地區(qū)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，當(dāng)?shù)貜S房租金的不斷上漲，企業(yè)生產(chǎn)成本不斷攀升。因此，使用這款高平效的3D打印設(shè)備就會(huì)占據(jù)相當(dāng)大的優(yōu)勢，起碼可為企業(yè)節(jié)省不少的租金成本。
李一奇先生還指出：“這個(gè)設(shè)備配置的10個(gè)激光器是我司專門定制的，就為了具備在線檢測功能，能對(duì)造成損壞設(shè)備的因素或者已經(jīng)出現(xiàn)故障的部分進(jìn)行提前預(yù)測和警報(bào)通知?！?/span>
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