缸體設(shè)計(jì)指南

1、1缸體設(shè)計(jì)指南2目 錄1、簡述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 35、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 45.2.2 缸套 5.2.3 框架 5.2.4 主軸承蓋 51、簡述 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

2、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。 62、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。 73、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，

3、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）。 83.2 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)行簡要的介紹。 94、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)

4、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； 10 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

5、。車與發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的空間布置情況。 114.2 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)。 12如何在設(shè)計(jì)初期來分析、測(cè)如何在設(shè)計(jì)初期來分析、測(cè)算算缸體的強(qiáng)度與剛度缸體的強(qiáng)度與剛度盡量避免上述情況的發(fā)生呢？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)

6、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M(jìn)而提高缸體的強(qiáng)度與剛度。134.3 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。 144.4 通風(fēng)要求 油氣的來源油氣的來源 缸體內(nèi)高溫潤

7、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)？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； 15 通風(fēng)回油結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)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)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

8、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)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)值為減小壁厚（鑄鐵缸體壁厚的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為5mm5mm）、減小缸體外形尺寸等措施，）、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。都是減輕缸體乃至整機(jī)重量的有效手段。 165、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 0.921.08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

9、稍微大一些； 緊湊的缸體結(jié)構(gòu)。 175.2 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 18 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

10、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)。19 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)。20 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；21 砂芯 砂芯構(gòu)成水套芯、通風(fēng)回油孔芯、內(nèi)模

11、、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)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。的復(fù)雜程度而定。 在在砂芯砂芯設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程過程中，分型線和拔模角的選擇必須保證各個(gè)芯能夠自中，分型線和拔模角的選擇必須保證各個(gè)芯能夠自由開模，由開模，具體數(shù)值需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況確定。具體數(shù)值需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況確定。22 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。 235.2.2 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

12、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。245.2.3 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)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；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)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。發(fā)過程中考慮，其模型的分析也將同缸體一起進(jìn)行。 255.2.4 主軸承蓋 主軸承蓋的