04-机体与汽缸盖设计

目录一、概述二、内燃机概念设计三、曲柄连杆机构设计四、配气机构设计五、机体与气缸盖设计六、润滑系统及冷却系统设计机体与气缸盖设计内燃机主要固定件分为气缸盖、气缸体、上曲轴箱和下曲轴箱四段。大多数气缸盖为独立部件。气缸体与上曲轴箱合成一体,一般称为机体或气缸体一曲轴箱。下曲轴箱是一个简单的贮油箱,称为油底壳。第一节机体设计一、机体的工作条件与设计要求内燃机的机体构成机器的骨架，机体内外安装着内燃机所有主要零部件和附件。在机体设计中，必须对重要表面的尺寸、几何形状、相互位置等提出严格的公差要求。机体在内燃机运转时承受很复杂的负荷:各缸内气体对气缸盖底面和气缸表面的均布气压力；经活塞作用于各气缸壁的侧向力；经曲轴加在各主轴承上的力，支架对内燃机的支承反力和反力矩；各气缸盖螺栓、主轴承螺栓使被紧固部分受力。以上各种力和力矩使机体各部分受到交变的拉压弯扭，产生复杂的应力状态。机体的结构设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不能发生裂纹和损坏，也不能出现过大的变形。尤其是机体与气缸盖的结合处、气缸筒或气缸套、主轴承座等处。若刚度不足就会产生气缸密封失效、摩擦副磨损加剧、机体纵向振动加剧、机件产生附加应力等严重后果。机体的质量要占内燃机总质量的1/4左右，而制造成本约占总成本的1/10,机体的设计要特别注意减轻其质量和改善铸造和加工工艺性，挖掘降低成本的一切潜力。(1)一般式气缸体油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。机体结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便，但刚度和强度一般。(2)龙门式气缸体油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心，强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但加工困难。(3)隧道式气缸体曲轴主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。结构紧凑、刚度和强度好，加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。二、机体的结构型式三、机体基本尺寸的确定内燃机机体在曲轴箱部分的基本尺寸决定于连杆曲轴组件旋转运动的需要，使它们能在机体内自由运动，另一方面又要使机体外形尽可能紧凑。为了确保机体与运动件在任何情况下不相碰，曲轴箱内壁与连杆运动轨迹间的最小距离应为5～10mm(根据经验）。机体中一般都安装着凸轮轴，它的位置应尽量靠近曲轴轴线，使正时齿轮机构紧凑。但凸轮轴应在连杆运动轨迹外包络线P以外，以免两种相碰。为了减小配气机构运动件的质量及挺杆的长度，凸轮轴的位置还应当尽可能地使气阀机构传动件的质量减轻，为此，凸轮轴位置常布置在气缸套下支承面附近。1多缸内燃机的机体纵向的主要尺寸是气缸轴线距离(简称气缸轴距)L。它的大小主要决定于气缸的布置。常用气缸轴距与气缸直径之比L/D作为发动机紧凑性的评价指标．发动机采用湿缸套时，因为要安排缸套上下端的支承、定位、密封结构，L/D值将增大到1.2～1.25。采用全支承曲轴的四冲程、六缸发动机，中央主轴承可能受到较大离心力的作用，因而主轴颈较长，使气缸轴距必须相应放大。此外，气缸的布置也会影响气缸轴距。对于气缸双列布置的内燃机，气缸轴距要受曲轴轴向尺寸的很大影响。缸心距L气缸轴距或缸心距)L----多缸内燃机机体在纵向的主要尺寸是气缸轴线间的距离，并用比值L/D表征结构紧凑性。气缸直列布置的内燃机,L主要决定于气缸的布置。汽车用液冷四冲程汽油机,为使结构简单,通常直接在机体中加工出气缸孔(图11-24)。根据铸造的可能性,缸间水套最小厚度为4mm,气缸壁的最小厚度为5mm。这样,气缸轴距L=D+14mm,当D=80mm时，L/D=1.17(图11-29a)。为进一步缩小L,有些机型把厚度5mm的气缸在缸间局部减薄至4mm(图11-29b),有些机型采用变厚度气缸,即在纵向厚4mm,在横向厚6mm(图11-29c)。这种在缸间局部减薄的气缸,对气缸总的刚度影响不大。极限情况是取消缸间水套,可得最小气缸轴距Lmin≈D+8mm,对应一般汽油机(L/D)min=1.1(图11-29d)。内燃机采用湿缸套时（图11-26）,因为要安排气缸套上下端的支承、定位、密封结构,另外机体在相邻两缸之间应有隔板以弥补此时刚度的不足,缸距要加大。一般L=D+(25-35)mm,当D=120mm时,对应L/D=1.2-1.3。风冷内燃机为了在气缸四周安排散热片,L/D还要更大些。四、机体结构细节设计内燃机机体是一个复杂的空间结构，必须细致地进行结构细节设计，常用三维有限元结构分析和试验应力分析技术。一个重要的设计原则是主要载荷尽可能直线传递,避免产生附加的弯曲和扭转。图11-27表示的铝合金机体因材料本身比较弱,在气缸盖螺栓和主轴承螺栓的布置和设计上下了功夫。一是拉力完全直线传递,二是螺孔下沉很深,使力线很短。图11-30表示力的偏心对应力的影响。可见,当两力错开一个相当于壁厚的距离时，璧厚要增加到不错开时的3倍才能保证同样的应力。从力的直线传递的角度看,每气缸周围布置4个气缸盖螺栓最好,因为螺栓再多,就不可能实现这一原则。因此,对于高强化内燃机,缸径不要太大。机体上尺寸比较大的壁面最好设计成不断弯曲的波浪形,而不是简单的大平面。图11-31表示一直列4缸内燃机机体的改进情况。平壁改成弯壁,加大结构刚度,减小噪声辐射,同时相邻两缸间的气缸盖螺栓的轴线也靠近刚度较大的侧壁和下面主轴承螺栓的轴线。加强肋设置为了加强大壁面的刚度,可设置加强肋,且要尽可能布置成不易歪扭变形的三角形（图11-28）。传力路线上更要有加强胁。机体壁面设计为了加强机体的受力局部的刚度,在基本壁面根据铸造工艺的可能尽量薄(一般为4～6mm)的前提下,必须加大局部壁厚。如顶面10～12mm(汽油机)和15～20mm(柴油机)，底面8～12mm。壁厚的变化应圆滑过渡（图11-32）。机体材质内燃机机体一般用高强度的优质灰铸铁铸造,因为它铸造性能好,成本低。用整体气缸的机体(图11-24),为了提高气缸表面的耐磨性,常在铸铁中加合金元素以改善金相组织。不过,即使合金的含量不高,由于机体质量大,材料成本会提高很多。有些高速轻型汽油机用压铸的铝合金机体(图11-27),使总质量大为减轻。第二节气缸和气缸套设计一、气缸和气缸套的工况和设计要求内燃机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并对活塞起导向作用。1.它的内壁直接受到高温高压的燃气作用；而它的外壁又受到冷却水的冷却。2.在内外壁温差及爆发压力作用下，气缸套受到相当大的机械应力和热应力。因此要求气缸套要有足够的强度和刚度，并保证在工作时不致有过大的变形。3.气缸套还承受活塞的侧压力，而且活塞在它的表面作高速相对运动，使气缸内壁（即气缸镜面）受到强烈的摩擦。4.在润滑不良、进气脏污、冷车起动以及不正常燃烧的情况下都会造成气缸镜面的强烈磨损。所以它是内燃机磨损最严重的表面之一，也是决定内燃机大修期的最重要表面。设计缸套时必须注意：提高刚度和耐磨性；防止拉缸、穴蚀和支承凸肩断袋；减少热变形和安装变形。二、气缸套的材料气缸套一般都用耐磨性好、铸造方便、成本低的合金铸铁制造。实践证明，铸铁的金相组织对耐磨性影响很大。而向铸铁加入不同的合金可以使铸铁的金相组织得到改变。目前，主要趋向是用高磷铸铁、含硼铸铁和钛钒合金铸铁。1.高磷铸铁缸套：改善耐腐蚀性，但含磷量超过0.8～1.0%时，铸铁变脆，铸造时易产生缩孔。所以壁厚不宜过薄，否则缸套拆装易断裂。2.含硼铸铁缸套：韧性和强度均好、铸造性能优越，材料不脆，比高磷铸铁好，所以是很好的新材料。3.钛钒铸铁缸套：也可以制造气缸套。球墨铸铁的石墨为球形，具有致密强韧的珠光体，强度比普通铸铁约大一倍，也比普通铸铁耐磨，但因球化石墨表面较小，其保油性比片状石墨差，在润滑条件不良时，容易发生拉缸。4.合金铸铁缸套：铸造和加工工艺复杂，消耗贵重金属量大，成本高。所以这种铸铁逐渐被高磷铸铁和含硼铸铁所代替。三、气缸和气缸套的结构设计气缸体的刚度在很大程度上取决于缸套的型式及其安装方式。在现代内燃机上，气缸的型式有以下几种：（1）无缸套气缸(无缸套)经常在较轻负荷下使用的汽油机，一般采用与机体铸成一体的气缸（铝合金机体除外），称为无缸套气缸。（2）干式气缸套(干缸套)在气缸内压入一个具有较高耐磨性的薄壁套筒（图9-25）。采用干式气缸套时，气缸体的上壁和下壁之间不仅通过水套外壁而且还通过水套内壁联成一个强有力的结构，所以干缸套的机体比湿缸套的机体刚度大。同时因为干缸套的壁厚比湿缸套的薄，可以得到较高的耐磨气缸表面而不消耗大量贵重合金材料。由于干缸套不与冷却水直接接触，活塞组的热量要通过缸套外圆与机体内孔之间的接触面才能传给冷却水。由于加工误差和缸套、机体在工作中的变形，这个接触面的实际接触面积可能大大小于计算值，使传热恶化，活塞组温度升高，这是干缸套的一个主要缺点。此外，由于干缸套与机体的缸套孔间要求精密配合，缸套加工要求高，缸套壁又薄，使加工和装配困难，再加上干缸套的机体比湿缸套的铸造困难，所以使干缸套在缸径较大的柴油机中应用受到了限制。（3）湿式气缸套(湿缸套)湿缸套的基本结构和主要尺寸关系如图9-27所示。湿缸套由于冷却较好，更换方便，制造容易，虽然它要求机体应具有更大的刚度，但采用湿缸套以后可以使机体的造型和清砂比较简便，通过合理的布置加强筋的办法可以提高机体的刚度。1.湿缸套的壁厚湿缸套的壁厚取决于内燃机的指标和缸套材料。在设计时一般取δ0=（0.05～0.1）D，其统计数据如图9-28所示。过去为了内燃机结构紧凑并减轻重量力图减小壁厚，但现在为了防止缸套穴蚀又有加厚趋势。一般认为当壁厚取0.09D时缸套穴蚀就很少发生。在缸径较大而强化的内燃机中，缸套的壁厚应根据机械应力和热应力总复合应力来确定。2.湿缸套的定位及其长度湿缸套一般用两个定位带支承在气缸体中作为径向定位。湿缸套的轴向定位采用环形支承凸肩。当气缸套的支承凸肩在缸套的上部时，加工简单，拆装方便，所以获得了广泛应用。但由于缸套上部需要相当厚的凸缘和更厚的支承台肩，严重地妨碍了缸套上部的冷却散热，同时由于凸缘直径较大，使得缸心距增大，对机体的紧凑性不利。有些内燃机为了消除这些缺点，将缸套支承凸缘设在缸套下端（图9-29），在气缸体下部设置相应的凸肩，由于缸套上部的凸缘取消，冷却水可以充分冷却缸套的上部，同时缸心距也可缩短，只是它的优点。气缸套总长度ho由内燃机总布置决定：1）活塞在下止点时仍应在气缸内得到良好的导向，同时活塞裙部应漏出气缸套5～10mm。2）气缸套下缘不应与连杆运动轨迹发生干涉（见图9-11），根据统计，一般ho≈2S（S为活塞冲程）。3.缸套上端凸肩及缸套下部的设计缸套上端凸肩的结构设计好坏对缸套的工作有很大的影响。如果上端凸肩设计不良，会引起缸套的变形、漏气和影响冷却，严重时会使凸肩断裂。因此，在结构设计上和工艺上应给以足够的重视。在强化柴油机中，为了避免活塞环咬死和对环槽的撞击，常常将第一道环与活塞顶的距离取得较大，以减小活塞环和环岸的负荷。为了增强此处的冷却，可采用图9-31的结构，当内燃机用铝合金机体时，为避免水和蒸气对支承面的腐蚀，在定位面上装有耐热硅橡胶环，如图9-32所示。湿缸套上部靠凸缘的压紧密封，下部一般用1～3个耐热耐油的圆断面O形橡胶密封圈封水。四、气缸的磨损规律及其耐磨性的提高为了进一步提高内燃机气缸表面的耐磨性，必须研究气缸的磨损规律，分析引起磨损的原因，以便采取适当措施，延长气缸套的使用寿命。（一）气缸的磨损机理如果气缸镜面覆盖一层油膜，气缸与活塞环和活塞裙是全液体润滑，而且机油也很清洁，没有杂质，则气缸不会磨损。但是实际工况下很难达到这种理想情况，气缸镜面与活塞环和活塞裙的相对运动表面可能直接接触而发生磨损，或者机油中含有机械杂质而引起磨损。分析磨损情况，一般有下列三种类型：1）磨料磨损由于吸入的空气中混有尘埃，机油中有积炭、金属磨屑等外来坚硬杂质，形成磨料，附着于气缸镜面，引起了气缸的磨损，磨料粒子在气缸镜面造成了平行于气缸轴线的拉痕，个别粗大的磨料也会留下粗大的拉伤，俗称“拉缸”。2）腐蚀磨损燃烧过程中产生许多酸性物（如CO2、CO、SO2等），当冷却