發動機氣門座圈密封帶關鍵尺寸檢測方案

董曉婷,陳安明,徐成義,彭業密

1內燃機可靠性國家重點實驗室;2濰柴動力股份有限公司

1 引言

發動機氣門座圈與進排氣門是保證發動機動力以及經濟性、可靠性的重要零部件之一,是缸內高溫高壓氣體的重要密封邊界。在高溫條件下氣門座圈承受進排氣門落座時慣性力引起的沖擊性交變載荷及缸內燃燒所產生的氣體沖擊載荷[1,2]。

2 現狀分析

圖1為典型的氣門座圈與氣門配合。圖2為某機型的缸蓋局部尺寸,可以看出,氣門座圈密封錐面的角度45°10′和φ39mm處密封帶深度3±0.1mm,是影響座圈與氣門配合的關鍵尺寸。

圖1 氣門座圈與氣門配合

圖2 缸蓋局部尺寸

因氣門座圈與氣門配合的特殊設計要求,密封帶通常較窄,多數為1.5～3mm,這給測量方案制定帶來了困難,一方面密封帶深度尺寸為特定直徑處的距離尺寸,屬于虛擬尺寸無法直接測量;另一方面,過窄的密封帶寬度往往造成測量誤差過大,無法準確指導大批量生產。目前各大發動機制造企業和量檢具公司在此領域進行了大量探索實踐。

2.1 綜合檢具

如圖3所示的組合檢具中,檢測頭直徑為量規尺寸,并且能隨著氣門座圈深度尺寸變化而自由伸縮,帶動百分表讀數變化,通過對比標準錐面深度樣塊,即可判定氣門座圈密封帶深度是否合格。

圖3 座圈深度綜合檢具

該檢具檢測比較直觀且效率較高,但存在以下不足:

①不能檢測密封帶角度,通常氣門密封錐面角度比氣門座圈密封錐面錐角大0.5°～1°,此時氣門與氣門座圈是線接觸。對于初始配合,線接觸的密封性要比面接觸的密封性好,而且角度差的存在也可以加速氣門與氣門座圈的磨合,并有效清除兩者之間的積垢或積碳[3]。因此,氣門座圈角度的控制尤為重要,當前主流的氣門座圈成型锪刀磨損后往往導致密封角度變化,最終影響發動機性能。

②該組合檢具和標準塊為專用,氣門座圈密封帶尺寸變化后檢具不再適用。

③該組合檢具和標準塊制作成本偏高,尤其是檢測頭和標準塊需要精密加工,費用較高。

④檢測頭部位需要保持尖角狀態,對磨損極限要求較高,一旦磨損變為微觀曲線后,量規尺寸將發生變化,密封帶深度尺寸不再準確,需要定期檢測補償。

2.2 三坐標檢測

通過兩個截面取點測量評價進行三坐標檢測,但由于密封帶過窄,測量誤差容易放大,對三坐標操作人員的技能水平要求較高。目前帶掃描功能的三坐標測量機能一定程度彌補人為因素對測量系統的影響,測量系統重復性和再現性得到提升,但檢測效率低始終是三坐標測量的短板。

3 檢測方案

氣門座圈密封帶可以視為母線等于密封帶寬度、錐角為密封帶錐角α的圓錐體,密封帶深度為圓錐體上特定直徑φd處距離端面的高度h?；趫A錐體的特殊幾何特性,引入鋼球作為檢測方案的組成部分,通過求解球體與圓錐體相切后的位置關系,構建氣門座圈關鍵尺寸檢測的數學模型,如圖4所示。

圖4 缸蓋氣門座圈簡化數學模型

選取直徑SφD的鋼球,使其與氣門座圈密封帶相切(可使用作圖法實現),根據三角函數關系可得

(1)

式中,α和h為未知量;d為已知量;H和D均可直接測量。

引入雙球法,即選取直徑接近并均能與密封帶相切的鋼球,直徑分別為SφD1和SφD2,對應的鋼球凸出高度分別為H1和H2,代入上述公式得

(2)

求解得出錐角α和密封帶深度h為

(3)

國家標準GB/T 308.1《滾動軸承球第1部分:鋼球》提供了全系列標準化的鋼球,公稱直徑范圍為0.3～104.775mm,同時,軸承用鋼球的系列優良特性為本檢測方案的應用提供了良好前提:①以行業普遍應用的G10等級鋼球為例,球形誤差為0.25μm,遠高于常規量檢具精度,使得測量系統誤差更小;②Ra0.02μm表面粗糙度以及HRC58以上的高硬度,使鋼球具有良好的耐磨性和精度保持能力;③國家標準提供了152種標準尺寸的鋼球,根據應用經驗,幾乎所有案例都能從中找到兩個合適尺寸的鋼球,無需定制,極大降低了檢測費用。

4 應用實例

圖5 鋼球法檢測缸蓋密封帶關鍵尺寸

根據產線過程能力分析要求,抽取30件數據對座圈深度h進行Cpk分析,其表達式為

(4)

式中,UCL和LCL對應計算出的控制上下限。

樣本數據如表1所示,根據式(4),基于分析軟件計算得出Cpk=1.33,過程能力符合要求,如圖6所示。

表1 座圈深度檢測數值

圖6 缸蓋氣門座圈深度過程能力分析

5 結語

本文基于幾何學原理闡述了發動機缸蓋氣門座圈密封帶錐角及深度關鍵尺寸檢測的原理,通過實際應用證明,該檢測方案原理正確,較傳統檢測方法更靈活可靠,提高了檢測效率,有利于發動機零件一致性控制。目前該方案已經批量投入使用,效果良好,同時對機械行業帶內錐面的精密零件控制也有一定的參考價值。