CN112696258A - 一种排气歧管热变形设计的控制方法 - Google Patents

一种排气歧管热变形设计的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种排气歧管热变形设计控制方法，包括：步骤S1:根据测试统计得到发动机缸体和排气歧管工作温度范围；步骤S2:以发动机缸体中心为参考原点，分别计算排气歧管和发动机缸体热变形量；步骤S3:计算相对热变形量；步骤S4:优化排气歧管结构和安装孔位置，大幅减小排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量；步骤S5:以排气歧管安装孔相对热变形量为控制边界，计算排气歧管和缸体的强度性能，并重复步骤S1到步骤S5，直到排气歧管及缸体应力满足材料许用应力。其优点表现在：可以正确匹配发动机排气歧管和发动机缸体热变形设计，降低排气歧管与缸体因热变形不协调而引起螺栓或螺栓孔剪切破坏，或者排气歧管失效。

Description

一种排气歧管热变形设计的控制方法
技术领域
本发明涉及发动机排气装置技术领域，具体地说，是一种排气歧管热变形设计控制方法。
背景技术
排气歧管是一种发动机排气装置，用于引导发动机排气气流的结构。其用于将废气从发动机内部向外引导，将废气被入到用于再循环的涡轮增压器中，或者经由排气系统排放到车辆外部。
在上述中的前者情况下，涡轮增压器利用引入的废气进行压缩并供给，用以提升发动机的输出功率和加速性能并改善燃油效率。
根据相关技术，排气歧管通过螺栓与发动机缸体进行连接。在这种情况下，发动机缸体因为内部冷却循环的作用，发动机缸体工作温度通常稳定在120℃左右，而排气歧管因承受发动机高达1000℃排气气流的作用，而长期处于高温热膨胀状态。由于排气歧管和发动机缸体的温差大，材料热膨胀系数差异等因素，排气歧管与缸体的热变形量不一致，常常引起排气歧管固定螺栓剪切破坏，或者导致安装螺栓孔开裂等问题。
具体地，如图1所示，发动机铝合金缸体1工作温度120℃左右，排气歧管2内壁工作温度980℃左右。如图2所示，排气歧管3在安装孔2位置，通过安装螺栓与发动机缸体1连接。安装孔2位置因排气歧管与缸体热变形不协调而承受剪切载荷，出现安装螺栓孔11位置失效或者排气歧管3受挤压而出现破坏。
为解决排气歧管反复受热膨胀导致排气歧管失效这个问题，可以使用更强的结构以增强排气歧管抗热膨胀破坏能力，但排气歧管过于强壮，排气歧管的热变形将导致发动机缸体安装孔失效。
中国专利文献CN201820360721.7，申请日20180316，公开了一种耐高温的排气歧管；包括底座，所述底座的上方固定焊接有排气主管，所述排气主管的里面固定安装有挡板，所述挡板将排气主管分为第一排气管道、第二排气管道，所述排气主管的上方固定安装有第一排气歧管、第二排气歧管、第三排气歧管和第四排气歧管，所述第一排气歧管与所述第四排气歧管呈对称平行分布，所述第二排气歧管、与所述第三排气歧管呈对称平行，所述第一排气歧管和第二排气歧管的一端与所述排气主管的第一排气管道连接，所述第三排气歧管和第四排气歧管的一端与所述排气主管的第二排气管道连接。
上述专利文献的一种耐高温的排气歧管，排气道均匀，流出走向流畅、耐排气温度高、结构简单，外观大方平整等特点。但是关于一种解决排气歧管安装孔和排气歧管抗热变形的强度问题的技术方案则未见相应的公开。
综上所述，亟需一种解决排气歧管安装孔和排气歧管抗热变形的强度问题的排气歧管热变形设计控制方法。而关于这种排气歧管热变形设计控制方法目前还未见报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种解决排气歧管安装孔和排气歧管抗热变形的强度问题的排气歧管热变形设计控制方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种排气歧管热变形设计控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
步骤S1:根据测试统计得到发动机缸体和排气歧管工作温度范围；
步骤S2:以发动机缸体中心为参考原点，分别计算排气歧管和发动机缸体热变形量；
步骤S3:计算排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量；
步骤S4:优化排气歧管结构和安装孔位置，大幅减小排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量；
步骤S5:以排气歧管安装孔相对热变形量为控制边界，计算排气歧管和缸体的强度性能，并重复步骤S1到步骤S5，直到排气歧管及缸体应力满足材料许用应力。
作为一种优选的技术方案，步骤S1中，发动机缸体和排气歧管工作温度范围均包括平均工作温度和非工作温度；且定义排气歧管平均工作和非工作温度分别为TP1和TP0，发动机缸体平均工作和非工作温度分别为TG1和TG0。
作为一种优选的技术方案，步骤S2中，排气歧管的热变形量为：ΔP11＝κPLP11(TP1-TP0)；κP为排气歧管热膨胀系数，LP11为排气歧管上的安装孔到参考原点的Y向距离。
作为一种优选的技术方案，步骤S2中，发动机缸体的热变形量为：ΔG11＝κGLG11(TG1-TG0)；κG为缸体的热膨胀系数，LG11为缸体的安装孔到参考原点的Y向距离。
作为一种优选的技术方案，步骤S3中，相对热变形量为：Δ11＝ΔP11-ΔG11。
作为一种优选的技术方案，步骤S4中，通过优化排气歧管开缺口的形式，弱化排气歧管局部刚度。
作为一种优选的技术方案，步骤S1中的排气歧管采用的是整体铸造成型的。
本发明优点在于：
1、本发明的一种排气歧管热变形设计控制方法；该方法可以正确匹配发动机排气歧管和发动机缸体热变形设计，降低排气歧管与缸体因热变形不协调而引起螺栓或螺栓孔剪切破坏，或者排气歧管失效。
2、步骤S1中根据测试统计得到发动机缸体和排气歧管工作温度范围，其中在试验测试时，可选择测量发动机工作状态排气歧管和发动机缸体的主要观测点进行采集。
3、步骤S2中，以发动机缸体中心为参考原点，分别计算排气歧管和发动机缸体热变形量。该设计的效果是：明确了发动机排气歧管与发动机缸体螺栓连接失效是由二者热变形不协调的剪切载荷所致，从而更佳的有效防止螺栓失效。
4、步骤S3:中，通过计算排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量，该设计的效果是：分别确定发动机缸体和排气歧管工作受热载荷的热变形量，并进一步确定发动机缸体和排气歧管对应安装孔位置的热变形差异性。
5、步骤S4中，优化排气歧管结构和安装孔位置，大幅减小排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量。该设计的效果是：通过调整发动机排气歧管安装孔位置和排气歧管结构的形式，从本质上协调排气歧管和缸体安装孔的热变形量。
6、步骤S5中，以排气歧管安装孔相对热变形量为控制边界，计算排气歧管和缸体的强度性能。该设计的效果是：确保排气歧管和缸体热变形载荷在零件许用工作应力以内。
附图说明
附图1是现有技术中缸体和排气歧管连接的结构示意图。。
附图2是本发明的排气歧管连接的平面示意图
附图3是本发明的一种排气歧管热变形设计控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
1.缸体 2.安装孔
11.螺栓孔 3.排气歧管
请参照图3，图3是本发明的一种排气歧管3热变形设计控制方法的流程示意图。一种排气歧管3热变形设计控制方法；
步骤S1，通过测试工作统计得到排气歧管3平均工作和非工作温度分别为TP1和TP0，发动机缸体1平均工作和非工作温度分别为TG1和TG0。
步骤S2，以缸体1几何中心为参考原点，分别计算排气歧管3和缸体1各螺栓连接孔中心的热膨胀量。以排气歧管3的螺栓孔(其中螺栓孔是安装孔2的一种具体结构形式)为例，ΔP11＝κPLP11(TP1-TP0)，κP为排气歧管3热膨胀系数，LP11为排气歧管3螺栓孔11到参考原点的Y向距离。同理，缸体1上螺栓孔11位置的热膨胀量为ΔG11＝κGLG11(TG1-TG0)，κG为缸体1的热膨胀系数，LG11为缸体1螺栓孔11到参考原点的Y向距离。
步骤S3，计算排气歧管3和缸体1对应安装孔2位置的热膨胀量差值，以11号安装孔2为例：Δ11＝ΔP11-ΔG11。
步骤S4，优化排气歧管3结构和安装孔2位置，大幅减小排气歧管3与缸体1安装孔2位置的相对热变形量；
步骤S5，分别用排气歧管3和缸体1安装孔2热膨胀量差值为边界输入，分别计算排气歧管3和缸体1安装孔2位置的应力强度，并判断是否满足相应零部件的许用工作应力要求。通过调整安装孔2位置和调节排气歧管3结构形状和开缺口的形式，弱化排气歧管3局部刚度，并重复步骤S1到步骤S5的步骤，直到热变形载荷满足缸体1和排气歧管3许用工作应力要求。
该实施例需要说明的是：
步骤S1中根据测试统计得到发动机缸体1和排气歧管3工作温度范围，其中在试验测试时，可选择测量发动机工作状态排气歧管3和发动机缸体1的主要观测点进行采集。
步骤S2中，以发动机缸体1中心为参考原点，分别计算排气歧管3和发动机缸体1热变形量。该设计的效果是：明确了发动机排气歧管3与发动机缸体1螺栓连接失效是由二者热变形不协调的剪切载荷所致，从而更佳的有效防止螺栓失效。
步骤S3:中，通过计算排气歧管3与缸体1安装孔2位置的相对热变形量，该设计的效果是：分别确定发动机缸体1和排气歧管3工作受热载荷的热变形量，并进一步确定发动机缸体1和排气歧管3对应安装孔2位置的热变形差异性。
步骤S4中，优化排气歧管3结构和安装孔2位置，大幅减小排气歧管3与缸体1安装孔2位置的相对热变形量。该设计的效果是：通过调整发动机排气歧管3安装孔2位置和排气歧管3结构的形式，从本质上协调排气歧管3和缸体1安装孔2的热变形量。
步骤S5中，以排气歧管3安装孔2相对热变形量为控制边界，计算排气歧管3和缸体1的强度性能。该设计的效果是：确保排气歧管3和缸体1热变形载荷在零件许用工作应力以内。
步骤S1中的排气歧管3采用的是整体铸造成型的。不影响产品成型工艺和生产制造效率。而传统产品不能一次铸造成型，增加排气歧管3产品制造工艺工序和制造成本，降低制造效率。
排气歧管3和缸体1热变形载荷在零件许用工作应力以内，排气歧管3不用增加支管结构来降低变形阻力，不影响产品装配空间布局，不增加产品成本。而传统产品中，通过增加支管降低排气歧管3热变形阻力，将导致排气歧管3结构复杂，结构占用空间大，不利于产品设计开发。
本发明的一种排气歧管3热变形设计控制方法；该方法可以正确匹配发动机排气歧管3和发动机缸体1热变形设计，降低排气歧管3与缸体1因热变形不协调而引起螺栓、或者螺栓孔11剪切破坏，或者降低排气歧管失效。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种排气歧管热变形设计控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：
步骤S1:根据测试统计得到发动机缸体和排气歧管工作温度范围；
步骤S2:以发动机缸体中心为参考原点，分别计算排气歧管和发动机缸体热变形量；
步骤S3:计算排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量；
步骤S4:优化排气歧管结构和安装孔位置，大幅减小排气歧管与缸体安装孔位置的相对热变形量；
步骤S5:以排气歧管安装孔相对热变形量为控制边界，计算排气歧管和缸体的强度性能，并重复步骤S1到步骤S5，直到排气歧管及缸体应力满足材料许用应力。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S1中，发动机缸体和排气歧管工作温度范围均包括平均工作温度和非工作温度；且定义排气歧管平均工作和非工作温度分别为TP1和TP0，发动机缸体平均工作和非工作温度分别为TG1和TG0。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中，排气歧管的热变形量为：ΔP11＝κPLP11(TP1-TP0)；κP为排气歧管热膨胀系数，LP11为排气歧管上的安装孔到参考原点的Y向距离。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，步骤S2中，发动机缸体的热变形量为：ΔG11＝κGLG11(TG1-TG0)；κG为缸体的热膨胀系数，LG11为缸体的安装孔到参考原点的Y向距离。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤S3中，相对热变形量为：Δ11＝ΔP11-ΔG11。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S4中，通过优化排气歧管开缺口的形式，弱化排气歧管局部刚度。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤S1中的排气歧管采用的是整体铸造成型的。
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