缸體設(shè)計(jì)指南

缸體設(shè)計(jì)指南第一頁，共27頁。目錄1、簡(jiǎn)述2、功能3、結(jié)構(gòu)4、設(shè)計(jì)要點(diǎn)3.1結(jié)構(gòu)形式3.2主要零件4.1整機(jī)布置

4.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度

4.3冷卻問題

4.4通風(fēng)要求

4.5減輕重量

2第二頁，共27頁。5、設(shè)計(jì)步驟5.1結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

5.2主要零部件設(shè)計(jì)

5.2.1氣缸體

曲軸箱

水套

油路

回油和通風(fēng)

砂芯

輪系的布置3第三頁，共27頁。5.2.2缸套5.2.3框架5.2.4主軸承蓋4第四頁，共27頁。1、簡(jiǎn)述

就目前公司對(duì)商用車的發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合商用車搭載柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)趨勢(shì)，編寫此缸體設(shè)計(jì)指南。

本指南主要涉及：商用車搭載的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的功能、結(jié)構(gòu)、工藝、材料、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、設(shè)計(jì)步驟等諸多方面，并對(duì)缸體設(shè)計(jì)所引用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、基本參數(shù)的選用以及缸體所需進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)、檢測(cè)等進(jìn)行規(guī)范、描述，從而統(tǒng)一商用車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

5第五頁，共27頁。2、功能

缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼與骨架，缸體的內(nèi)部與外部布置安裝了發(fā)動(dòng)機(jī)基本上所有主要零部件。

缸體內(nèi)部安裝布置有：潤(rùn)滑油道、冷卻水腔、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等；外部安裝布置有：氣缸蓋總成、齒輪室（或鏈輪室）、飛輪殼（或變速箱總成）、機(jī)油冷卻與濾清器、油底殼、機(jī)油收集器附件驅(qū)動(dòng)輪系、懸置支架等零部件。

6第六頁，共27頁。3、結(jié)構(gòu)3.1結(jié)構(gòu)形式

缸體結(jié)構(gòu)一般分為：平分式曲軸中心線和缸體底平面在同一平面上；

龍門式曲軸中心線與缸體底平面不在同一平面上；

隧道式曲軸中心孔完全置于缸體內(nèi)部。

就結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而言，隧道式最佳，龍門式次之，平分式最差；就結(jié)構(gòu)形式而言，平分式最簡(jiǎn)單，龍門式次之，隧道是最復(fù)雜。

商用車用柴油機(jī)的熱負(fù)荷重、機(jī)械負(fù)荷重，并且工作運(yùn)行環(huán)境較惡劣，因此商用車用柴油機(jī)缸體材料基本都是使用鑄鐵，設(shè)計(jì)上采用閉式水套結(jié)構(gòu)，采用干式缸套或者濕式缸套，也有無缸套結(jié)構(gòu)（如我們部門開發(fā)的第一款柴油機(jī)496A缸體）。7第七頁，共27頁。3.2主要零件

截止目前，我們部門開發(fā)并進(jìn)入試制階段的僅有496A型發(fā)動(dòng)機(jī)；因此，在缸體主要零件部分僅就496A缸體進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

8第八頁，共27頁。4、設(shè)計(jì)要點(diǎn)4.1整機(jī)布置

整機(jī)布置大致概括為：發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的布置、缸體上零部件的布置。

發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的布置

由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)上的缸體等零部件與整車機(jī)艙內(nèi)部各零部件之間必須保證有一定的間隙，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值基本上為前后間隙25mm，上下間隙25mm，左右間隙19mm。

缸體上零部件的布置

缸體內(nèi)部曲柄連桿機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)件與缸體之間最小間隙應(yīng)保持在5mm以上；9第九頁，共27頁。

缸體外部

高壓燃油泵、空調(diào)壓縮機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等外圍附件與缸體之間也應(yīng)該保持一定的合理間隙。

發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架一般都固定在缸體上，因此必須在缸體上保證足夠的外部空間來設(shè)計(jì)懸置支架的螺栓與定位用搭子。

結(jié)合以上幾方面條件約束，在缸體的布置設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮到整車與發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的空間布置情況。

10第十頁，共27頁。4.2結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒爆發(fā)壓力高，決定了缸體受力情況較為復(fù)雜。缸體擁有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證缸體的幾何形狀、缸體與各零部件之間正確的配合關(guān)系，這顯得尤為重要。

缸體強(qiáng)度弱

造成缸體過早形成裂紋、損壞；

缸體剛度弱導(dǎo)致各受力部位產(chǎn)生變形，進(jìn)而破壞各零部件間的合理的配合關(guān)系，加速零部件損壞、將低發(fā)動(dòng)機(jī)性能、甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。11第十一頁，共27頁。如何在設(shè)計(jì)初期來分析、測(cè)算缸體的強(qiáng)度與剛度盡量避免上述情況的發(fā)生呢？

合理借鑒設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，成熟的經(jīng)驗(yàn)幫助設(shè)計(jì)工作少走彎路，并且能夠提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率；

對(duì)設(shè)計(jì)完成的缸體模型進(jìn)行有限元分析，針對(duì)薄弱部位做出適當(dāng)?shù)男拚?，進(jìn)而提高缸體的強(qiáng)度與剛度。12第十二頁，共27頁。4.3冷卻問題

柴油機(jī)的熱負(fù)荷比汽油機(jī)高,保證流向各個(gè)氣缸的冷卻水量與水溫均勻一致十分必要；因此，設(shè)計(jì)出合理、高效的缸體水套是解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻問題的先決條件。

循環(huán)冷卻水既要帶走缸孔（或者缸套）內(nèi)壁上的熱量，又要保證不因過度冷卻將低工質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量。

水套內(nèi)不應(yīng)該存在滯留水或水蒸氣的死區(qū)，因此在有潛在產(chǎn)生這種死區(qū)的區(qū)域增加設(shè)計(jì)水孔通向缸蓋。

水套的設(shè)計(jì)也可以通過對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行換熱系數(shù)、流速的分析，修正優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，改善缸體的冷卻效果。13第十三頁，共27頁。4.4通風(fēng)要求

油氣的來源

缸體內(nèi)高溫潤(rùn)滑油產(chǎn)生蒸汽；

燃燒室內(nèi)部高溫高壓燃?xì)?從活塞環(huán)口少量串入曲軸箱內(nèi)部。

為何要做通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)？

串入曲軸箱內(nèi)部的油氣使得內(nèi)部壓力升高，失去與外界環(huán)境的壓力平衡；壓力失衡后油氣外泄入大氣，甚至?xí)С鰴C(jī)油，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作；14第十四頁，共27頁。

通風(fēng)回油結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

曲軸箱內(nèi)壓力要低于環(huán)境壓力約25mbar左右；

回油通道避開溫度較高的排氣側(cè)，盡量設(shè)計(jì)在進(jìn)氣側(cè)；通風(fēng)管路將油氣引入進(jìn)氣管路至燃燒室內(nèi)燒掉。4.5減輕重量

整車輕量化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)商用車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體材料是采用強(qiáng)度高、鑄造性能好、成本低的鑄鐵，缸體的重量占整機(jī)重量的比例較大，約為40％左右。

合理缸體結(jié)構(gòu)、充分利用金屬材料抗變形能力、保證剛度的前提下適當(dāng)減小壁厚（鑄鐵缸體壁厚的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為5mm）、減小缸體外形尺寸等措施，都是減輕缸體乃至整機(jī)重量的有效手段。

15第十五頁，共27頁。5、設(shè)計(jì)步驟5.1結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

缸體形式

缸數(shù)

沖程

缸徑

缸心距

鼻梁區(qū)

商用柴油機(jī)設(shè)計(jì)傾向

大缸徑小沖程

沖程缸徑比一般為0.92～1.08之間；

產(chǎn)品進(jìn)行系列化生產(chǎn)

考慮后續(xù)對(duì)缸體進(jìn)行擴(kuò)缸提供可能；

鼻梁區(qū)設(shè)計(jì)

比理論值稍微大一些；

緊湊的缸體結(jié)構(gòu)。16第十六頁，共27頁。5.2主要零部件設(shè)計(jì)

5.2.1氣缸體

曲軸箱

曲軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一個(gè)重要影響因素就是連桿的整個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡，即連桿的包絡(luò)線；

曲軸箱內(nèi)壁與連桿包絡(luò)線間隙的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值在

5

mm以上；曲軸箱內(nèi)部橫剖面圖

連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡17第十七頁，共27頁。

水套

水套形式開式、閉式

水套設(shè)計(jì)要求1、活塞處于上止點(diǎn)時(shí)，第一道活塞環(huán)處必須有水套進(jìn)行冷卻；2、閉式水套不利于開模，常增加清砂孔，兩缸間也應(yīng)有水套存在；3、閉式水套不利于開模，常增加清砂孔，兩缸間也應(yīng)有水套存在；目前主流的設(shè)計(jì)思路，兩缸之間加工斜水孔來代替常規(guī)意義上的水套；4、水泵一般設(shè)計(jì)在缸體前端，水流從水泵首先進(jìn)入缸體，經(jīng)缸體頂面水孔流入缸蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)冷卻；商用柴油機(jī)熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷均較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度又大，基本上都采用閉式水套結(jié)構(gòu)。18第十八頁，共27頁。

油路

油路功能為缸孔、主軸承孔、搖臂軸、搖臂、增壓器、發(fā)電機(jī)真空泵等需要潤(rùn)滑的零部件提供高壓油通道。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)布置的需要，有時(shí)會(huì)在主油道以外，增加設(shè)計(jì)一個(gè)副油道來滿足供油需求；

油路布置1、機(jī)油泵一般設(shè)計(jì)布置缸體上，由曲軸前端直接驅(qū)動(dòng)；2、為避免機(jī)油溫度過高影響潤(rùn)滑效果，主油道和機(jī)油濾清器通常布置在缸體的進(jìn)氣側(cè)。19第十九頁，共27頁。

回油和通風(fēng)

通風(fēng)回油的重要性1、讓輸送到缸蓋上的潤(rùn)滑油回流到油底殼；2、保持缸體內(nèi)部與外界環(huán)境的壓力平衡；20第二十頁，共27頁。

砂芯

砂芯構(gòu)成水套芯、通風(fēng)回油孔芯、內(nèi)模、外模等部分。

構(gòu)成需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)澆注的方法、制造工藝以及所開發(fā)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而定。

在砂芯設(shè)計(jì)過程中，分型線和拔模角的選擇必須保證各個(gè)芯能夠自由開模，具體數(shù)值需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況確定。21第二十一頁，共27頁。

輪系的布置

匹配整車的需要變速箱布置在缸體的后端，方便動(dòng)力輸出。

整機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要各零部件的空間布置，確保相互之間有一定的合理間隙存在。22第二十二頁，共27頁。5.2.2缸套

缸套形式干式缸套、濕式缸套或者無缸套

缸套作用增加缸孔的耐磨性，提高缸體的剛度和強(qiáng)度。

材料與結(jié)構(gòu)

材料一般為灰鐵，薄壁缸套為鋼質(zhì)。

壁厚必需大于2mm，缸套高度一般為沖程的1.5倍。23第二十三頁，共27頁。5.2.3框架

框架的設(shè)計(jì)需求缸體結(jié)構(gòu)尺寸較大、龍門式結(jié)構(gòu)的缸體，不采用框架結(jié)構(gòu)；1、尺寸大的框架，加工過程中的平面度是制約加工質(zhì)量的重要因素，故不易采用框架結(jié)構(gòu)。2、龍門式缸體本身的結(jié)構(gòu)決定了不采用框架。

框架上需要安裝主軸承蓋螺栓及框架螺栓，框架設(shè)計(jì)要保證缸體的強(qiáng)度和剛度，而且要在結(jié)構(gòu)上充分考慮減輕整機(jī)重量；

框架做為缸體的一部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能等方面都需要在缸體設(shè)計(jì)開發(fā)過程中考慮，其模型的分析也將同缸體一起進(jìn)行。

24第二十四頁，共27頁。5.2.4主軸承蓋

主軸承蓋的功能與框架一樣，承受曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力。

主軸承蓋是做為缸體