毕业设计（论文）-柴油机气缸盖设计.doc

目录第一章 前 言11.1 设计（或研究）的依据和意义11.2 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述21.3 设计（或研究）方法3第二章 柴油机总体设计42.1 柴油机设计的总体要求42.1.1 内燃机的总体设计要求42.1.2 内燃机设计的“三化”42.2 柴油机的主要设计指标52.2.1 动力性指标52.2.2 经济性指标52.2.3 可靠性、耐久性指标62.2.4 质量外形尺寸指标62.2.5 低公害指标62.3 4115柴油机主要技术指标72.4 初选设计参数72.5 4115柴油机主要零部件的设计92.5.1 活塞92.5.2 连杆102.5.3 曲轴飞轮组102.5.4 气缸盖112.5.5 机体组11第三章 气缸盖设计133.1 气缸盖的工作条件133.2 气缸盖的设计要求143.3 气缸盖的材料143.4 气缸盖结构设计153.4.1 气缸盖结构形式选择153.4.2 结构工艺性153.4.3 气门及气道的布置163.4.4 缸盖螺栓的布置173.4.5 气缸盖清砂孔布置183.5 气缸盖基本尺寸的确定193.6 气门座203.7气门导管21第四章 气缸盖的热力计算22第五章 配气机构的零件和组件的设计30一、凸轮轴的设计30二、凸轮的设计33三、挺柱的设计35四、推杆的设计40五、摇臂的设计43参考文献47致 谢48全套图纸加扣 3012250582第一章 前 言1.1 设计（或研究）的依据和意义柴油机与汽油机相比热效率高，可降低油耗20%30%，同时其在低速时扭矩大，动力性、加速性好。柴油机的普遍转速低，故磨损等小，使用寿命长。此外，由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油机压缩比很高，因此，柴油机在配套使用中将更进一步显示出其优越性。随着我国经济的发展，能源消耗速度加快，大气污染，环境污染加剧。对于内燃机行业，这两大问题也相当重要。所以需要对提高对能源的利用，同时对排放污染物的成分及含量加以控制。三缸发动机却比较好的结合其他动力系统，达到能源的高效利用。本次设计的四缸、直喷式燃烧室，标定功率为96kW。与直喷式燃烧室对应的是分隔式燃烧室。由于相对于分隔式燃烧室，直喷式具有结构简单，燃烧迅速，对转速变化比较敏感，排放中微粒含量低。所以采用直喷式能够提高经济性、降低燃油消耗率，其较小的表面积与体积比使得散热损失小，冷启动性能好，没有分隔式中的流动损失。三缸柴油机相对于四缸机而言机体长度要小，在采用相同的材料的情况下，就减少了发动机的重量，对发动机的加速性能有一定的提升；另外三缸机更利于混合动力的使用，可以更充分的利用发动机所输出的功，与相同小排量的其它发动机相比，经济性要好；同时三缸机的使用可以减少摩擦功，降低泵气损失，进而提高发动机的有效功率；缸盖上有进排气气道，水道等等。缸盖气道的性能影响着柴油机的动力性，根据自然吸气的特点，最大限度多进气，多排气，从结构上考虑，主要是气道的布置及结构能降低流动损失，同时不影响进气涡流的形成及质量。进气涡流的质量影响着燃烧室中可燃混合气的形成质量，进而影响燃烧质量，影响发动机的动力性。而进气涡流的性能会增大进气阻力损失。在缸盖上的“鼻梁区”是热负荷比较高的地方，应力比较集中。缸盖中水道的布置不仅仅要考虑水道结构对水的流动性的影响，保证水的正常循环，同时要注意对“鼻梁区”的冷却，避免“鼻梁区”的破裂。水道的布置不仅要利于发动机的正常工作，还要能保证发动机的寿命。虽然三缸机有不少的优点，但是有个比较重要的问题需要注意，就是其平衡与振动。对于四缸机，它为自平衡，但是三缸机的平衡需要加平衡重或平衡机构。但是其震动仍然没有四缸机的低。1.2 国内外同类设计（或同类研究）的概况综述目前,柴油机技术发展的重点是加快开发与配套主机更加适应的节能、节材和高可靠性的新一代机型；现有产品提高可靠性和改善噪声、烟度等强制性指标是当务之急；直喷化、轻量化、适当强化和多缸化都是未来的发展方向。但只能根据经济形势发展逐步实现，还必须与主机的匹配性能提高、匹配合理化相结合，与配套主机的改进、提高及更新换代同步发展。对于缸盖的气道的研究。从充气效率分析，发动机动力性与充气效率成正比，进气排气对充气效率的影响是不同的，进气的影响更大。对于柴油机本身，要求进气要带有涡流，以保证正常的燃烧效果，但是在缸盖气道方面，充气效率和涡流比是相反的，提高涡流比就会使充气效率降低。文献1提出在新设计时，自然吸气式发动机进排气门直径合适比例为1.2:1，并对低流阻的进气道和低流阻的排气道的结构进行了分析。气缸盖燃烧室侧直接受到高温、高压燃气的作用。其结构复杂工况严酷，为了保证可靠性，文献2对缸盖的承载机理做了研究。主要集中在：燃气爆发压力作用在气缸盖底板上时，机械载荷在气缸盖整体结构中的分布；气缸盖的底板作为气缸中直接承受燃气压力的机构区域，气缸内的爆发压力传递到气缸盖其他各结构部分的方式。主要研究部位为气道、气门导管座孔、中隔板和加强筋等。气门座圈和导管压入气缸盖后的精加工作为气缸盖机械加工的关键,其加工质量将直接影响气门的密封性,对整机性能及排放起着至关重要的作用。文献3中对气门座圈加工的定位、精加工工艺、刀具的结构形式、加工工艺对精度的影响做了分析。针对不相同的结构，用不同刀具加工，及对加工精度的分析。针对不同的产品前景，对加工机床有这不同选择。提出了随刀具材料、结构形式的发展，对工艺的改进，精度提升，效率提高的展望。缸盖燃烧室侧工况严酷，要求缸盖材料应导热性好、机械强度高、热强度高、铸造性能好。一般采用优质灰铸铁或合金铸铁。铝合金材料也有应用，它具有导热性比铸铁好、质量轻的特点，但刚度低。故要对铝缸盖进行优化保证可靠性，文献4主要通过对结构改进和应力的分析保证。结构上有三个方案，气缸盖中隔板平行于火力岸，中隔板进排气道间各有一条较宽的加强筋、气门导管与两缸间隔墙设一加强筋；气缸盖中隔板成“V”形结构， 在中隔板与气门导管连接处设置高位筋, 去掉中隔板进排气道间加强筋。应力分析上，界定载荷边界条件和接触边界条件，进行有限元计算分析，对比结果。得出了第三方案最优的结论。1.3 设计（或研究）方法内燃机的设计试制过程是随着机型、生产规模不同而不同的。在设计过程中，要查阅相关书籍资料和各种期刊，以及有关383柴油机的相关知识，并了解国内外该机型的一些主要结构参数。在设计过程中与小组成员一起讨论确定主要零部件的结构方案。总体方案确定之后即可开始主要零部件的初步设计，从而保证各个零件能够顺利组装。第二章 柴油机总体设计2.1 柴油机设计的总体要求2.1.1 内燃机的总体设计要求内燃机的总体设计是整个产品开发工作的第一阶段，是一项非常复杂的工作，一般有以下几个阶段组成：产品开发计划阶段；设计实施阶段；产品试制检验阶段；改进与处理阶段等。在产品的开发计划阶段首先要根据市场需要和法规需要确定设计任务；然组织设计人员，做到人员结构合理、技术结构合理；最后调查研究，调查是对将开发产品的要求和技术要求，了解制造厂的工艺条件设备能力及配件供应情况。设计实施阶段中，要确定总体布置及零部件设计，试制主要的零部件，然后对系统和零部件进行理论分析、虚拟试验以及系统标定。试制出多缸样机，进行多缸机的试验，此阶段要进行整机磨合、性能调整、电控系统标定、性能试验、耐久试验、可靠性试验、整套试验和扩大用户试验。总之，内燃机的设计与开发是一个相当复杂的过程，一个型号产品往往要经过几年的设计与开发周期才能得以完善。2.1.2 内燃机设计的“三化”一、 产品系列化 它是指基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，以满足不同需求。二、 零部件通用化 它是指同一系列的主要零件能够通用，以减少开发成本。三、 零件设计标准化 它是指按照国家标准、行业标准或者企业标准设计，提高设计图样和资料的可持续性和交流性，以便于技术交流，同时也起到减少生产和采购成本的作用。“三化”可以提高产品的质量，减少设计成本，组织专业化生产，提高劳动生产率，便于使用维修和配件供应。2.2 柴油机的主要设计指标2.2.1 动力性指标动力性指标包括有效功率（Pe）、转速（n）、最大扭矩Memax和最大扭矩转速nMemax。1、有效功率Pe有效功率的Pe（kW）的计算公式为 (2-1)式中，pme为平均有效压力（MPa）、Vh为单缸工作容积（L）；i为气缸数；n为转速（r/min）；为冲程数，四冲程=4。2、转速n提高内燃机转速可以使功率提高，因而是单位功率的体积减少、重量减轻。但是转速的提高会导致一系列的问题，如：惯性力增加，导致机械负荷增加，平衡、震动问题突出，噪声增加；工作频率增加，导致活塞、气缸盖、气缸套、排气门等零件的热负荷增加；摩擦损失增加，机械效率m下降，燃油消耗率ge增加，磨损寿命变短；进排气系统阻力增大，充气效率v下降。3、最大扭矩Memax和最大扭矩转速nMemax实际上内燃机给出的转矩指标都是最大扭矩。最大扭矩对应的发动机转速就是最大扭矩转速。2.2.2 经济性指标柴油机的经济性指标主要指燃油消耗率指标，即每千瓦小时的燃料消耗重量。对于固定工使用的柴油机是指标定功率时的燃油消耗率，对变工况使用的内燃机，一般是值外特性曲线上最低油耗率。1、燃油消耗率geg/(kWh)降低ge的措施主要有提高指示热效率i和机械效率m。一般车用柴油机燃油消耗率为：200260g/(kWh)5。本次设计的燃油消耗率要求为ge243g/(kWh)。2、机油消耗率gmg/(kWh)机油的价格远高于燃料油，使用中消耗量尽量少，而且要求在两个保养期之间不要添加机油，一般车用内燃机机油消耗率为1.32.6g/(kWh)5。2.2.3 可靠性、耐久性指标1、可靠性可靠性是指在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。对于可靠性高的柴油机应在保证期内不发生停车故障和需要更换主要或非主要零件的故障。2、耐久性耐久性是指从开始使用起到大修期的时间。柴油机的大修期一般决定于缸套和曲轴磨损到达极限尺寸的时间（小时数），此时柴油机不能继续正常工作，使用中的对外表现通常为：柴油机起动困难甚至无法起动、排气冒蓝烟、机油消耗量明显加大、动力性能明显下降、柴油机工作噪声变大等。2.2.4 质量外形尺寸指标质量、外形尺寸是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。比如汽车发动机要求质量和外形尺寸都要小，而工程机械和拖拉机则可稍大一些。衡量柴油机质量的指标是比质量(kg/kW):m/Pe，柴油机的比质量范围见表2-1。表2-1 柴油机的比质量范围用途柴油机汽车用46小型农用单缸1626多缸5.516工程机械用47机车3.47.5船用13.519衡量柴油机外形尺寸紧凑性的指标是体积功率(kW/m3):Pv=Pe/V。2.2.5 低公害指标1、噪声柴油机的噪声主要来自燃烧噪声，气体流动噪声和机械噪声三个方面。柴油机的噪声大小用声压级Lp(dB)来表示，一般还要对测量数据进行各种计权处理，仿照人耳的听力，一般采用A计权。噪声数据单位多为dBA或dB(A)对于燃烧噪声来讲，主要取决于缸内气压的压力升高率。一切有利于缩短滞燃期和减少该期间燃油注入量或者可燃混合气生成量的措施，都有利于降低燃烧噪声，比如增压、分段喷射、推迟喷油提前角等。降低压缩比也是有效的措施。对于气体流动噪声，主要是通过进排气消声器来控制。机械噪声主要是通过合理设计风扇机构参数和合理控制风扇转速来达到控制目的。2、有害气体排放现在各国各地都有相应的排放法规。在设计柴油机时，一定要根据本地实施的法规，制定合适的设计方案。2.3 4115柴油机主要技术指标此次设计为4115柴油机，采用直喷式燃烧系统。用于农用机械。主要设计指标如下表：表2-2 设计指标项目内容12小时标定转速nn=3000r/min标定功率PePe=96kW燃油消耗率gege243g/(kWh)DS11530mm2.4 初选设计参数383柴油机型式：四冲程立式直列中高速柴油发动机，自然吸气、直喷式燃烧系统(型燃烧室)、强制水冷、压力飞溅负荷润滑、2气门、无特殊排气后处理。一、确定行程S根据该柴油机的转速3000r/min，查内燃机设计，对于高速柴油机来行程S=115mm同时可以得到曲柄半径R=S/2=57.5mm2、 排量气缸数i=4，总排量Vs=5L。三、活塞平均速度活塞平均速度Cm是个重要参数，也是对内燃机的有效功率P值有关的参数，是表征柴油机高速性和强化程度的一项主要指标，该值不宜过高，否则会使惯性力过大，机械负荷过大，磨损加剧，热负荷加剧，震动噪声加大，油耗提高等不良影响，因此Cm值要在经验范围值内，在柴油机设计手册中指出对于工程机械等柴油机Cm不得超过12m/s6。该发动机活塞平均速度：，合理。四、连杆比、连杆长度L连杆长度L（大小头孔的中心距）是设计时应该慎重选择的一个结构参数，通常用连杆比=R/L来表征。内燃机设计中指出，在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是=1/3.2；上限大约是=1/45。取=0.32，则连杆有效长度为：圆整连杆长度，得出连杆有效长度L：L=180mm 最终确定连杆比=0.319五、压缩比压缩比是发动机的一个重要结构参数。在内燃机中，选定压缩比时要考虑到许多因素。压缩比在柴油机所常用的范围内变化已经对热效率不会引起明显的作用，而从实际机器所承受的机械负荷和由此带来的摩擦损失来考虑，也限制了压缩比的过分增高。因此对于它的选择主要是在避免过高的爆发压力前提下，保证柴油机的冷启动容易和在所有工况下获得可靠和有效的燃烧。对于小型车用拖拉机用的来说，直接喷射式柴油机压缩比的范围是14177。柴油机设计手册推荐非增压柴油机的压缩比=1518，根据市场同类柴油机压缩比在17左右，此次压缩比确定为：=17燃烧室选为：直喷式型燃烧室。2.5 4115柴油机主要零部件的设计2.5.1 活塞活塞工作在恶劣的环境下。首先，高温导致的热负荷大。活塞顶面承受顺变高温燃气的作用，燃气的最高温度可达20002500，故活塞顶部温度很高。柴油机的不均匀混合气燃烧形成炭粒，使其火焰的热辐射能力大大超过汽油机，还有柴油机燃料喷注常使活塞的温度分布更不均匀；其次，高压导致的冲击性高机械负荷。活塞组在工作用承受周期性变化的气压力直接作用，气压力造成的活塞机械负荷很大。同时，活塞组在气缸里作高速往复运动，产生很大的周期性的往复惯性力，将导致发动机耐久性下降；再次，活塞的高速滑动。柴油机在工作中产生的侧向力是比较大的，随着活塞的高速滑动，在活塞组和气缸之间产生强烈的摩擦，而此处润滑条件差，磨损情况比较严重；最后，交变的侧压力。交变的侧压力能带来很多问题，比如震动噪声、磨损、穴蚀等。根据活塞的工作条件，活塞的设计满足几个要求5：（1）选用热强度好，散热性好，膨胀系数小，耐磨、有良好减摩性和工艺性好的材料；（2）形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度、刚度负荷要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙；（3）密封性好，摩擦损失小；（4）重量轻。活塞设计要点包括：活塞头部设计、活塞销座设计、活塞群部设计及侧面形状设计。在设计活塞时要有必要的计算和试验，合理解决活塞的工作能力、可靠性、耐久性和机械负荷、热负荷、磨损之间的矛盾，并在实践中改进完善。2.5.2 连杆连杆组有连杆体、连杆盖、连杆螺栓、轴瓦组成。它讲活塞所受的力传递给曲轴变成转矩，同时讲活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。连杆小头和活塞销相连接，与活塞一起做往复运动；大头和曲柄销相连与曲轴一起做旋转运动。连杆体的运动有上下的，还有左右摆动，是复杂的平面运动。基本载荷是拉伸和压缩，最大拉伸载荷出现在进气冲程开始的上止点附近。由于连杆主要承受气体压力和往复惯性力所产生的交变载荷。在设计时首先保证连杆具有足够的疲劳强度和结构刚度。再设计时必须使用高强度的材料，设计合理的结构形状和尺寸，采取提高强度的工艺措施等。连杆的设计原则8：（1）在保证具有足够强度和刚度的前提下，尽可能减轻重量，以降低惯性力；（2）尽量缩短长度，以降低发动机的总体尺寸和总重量；（3）结构简单，尺寸紧凑，可靠耐用；（4）大小头轴承工作可靠，耐磨性好；（5）连杆螺栓疲劳强度高，连接可靠；（6）易于制造，成本低。需要注意，增加连杆的强度和刚度，不能简单的依靠加大结构尺寸来实现。2.5.3 曲轴飞轮组 曲轴是柴油机最重要的机件之一，其尺寸参数不仅影响整机的尺寸和重量，而且影响柴油机的可靠性和寿命。曲轴是在不断周期变化的气体压力、往复和旋转运动质量的惯性力以及它们的力矩共同作用下工作的，使曲轴既弯曲又扭转，产生疲劳应力状态。实践表明，弯曲疲劳载荷具有决定性作用，而扭转载荷仅占次要地位。曲轴形状复杂，应力集中现象严重，特别是在曲轴轴颈与曲柄的圆角过渡区、润滑油孔附近以及加工粗糙的部位应力集中现象更为突出。所以设计曲轴时要注意8：（1）有足够的耐疲劳强度；（2）有足够的承压面积，轴颈表面要耐磨；（3）尽量减少应力集中；（4）刚度要好，变形小，否则使其他零件的工作条件恶化。飞轮在发动机输出转矩大于阻力矩时，吸收多余的功，使转速增加减少，输出转矩小于阻力矩时，释放储存的能量，使转速减少较小，从而使内燃机工作平稳。曲轴的设计要点包括：曲柄销，主轴颈，曲柄，平衡重，油孔位置和尺寸的设计。飞轮结构设计的要点是飞轮的外径。2.5.4 气缸盖气缸盖的作用是密封气体，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。气缸盖的工作条件是非常苛刻的，它要承受燃烧气体的高温高压的作用。设计时要注意以下的几点9：1、气缸盖要与足够的刚度。2、要布置好进、排气道和气缸盖的螺栓。3、要组织好气缸盖的冷却，以防气缸盖的温度过高以及温度分布不均产生热应力过大。4、各个零部件以及气门机构要拆装方便。气缸盖的设计包括：气缸盖形式的选择，气门数的确定，缸盖螺栓数量的选择与布局，进排气道的设计与布局，以及气缸盖冷却的措施的设计。具体详细见第三章。2.5.5 机体组机体部分包括：气缸体、曲轴箱、机座（或油底壳）、主轴承盖等零件。一般柴油机的气缸体与曲轴箱合为一体,总称为机体。机体有多种形式，如平底式、隧道式、龙门式、机座式构架式。本次设计采用的是龙门式机体。机体结构和受力情况复杂。它是安装运动件和附件的支承架，通常又是支承柴油机的安装基础。当柴油机工作时，机体承受着大小和方向作周期性变化的气体力、惯性力、翻倒力矩的作用和其他零件附件加载机体上的载荷。机体的结构设计必须保证它有足够的强度和刚度；曲轴箱部分的形状和尺寸要尽可能紧凑。水道和油道设计时一定要注意，以及各部分的外轮廓的设计。因此，为保证柴油机可靠和耐久性的工作，应考虑下列设计要求10：1、根据柴油机的用途，合理选择机体结构，保证有足够的刚度强度。2、依据受力情况，合理设计受力部位的结构和形状，使作用力集中在某些限定区域内。机体壁的圆角和厚度，应无急剧变化，以免应力集中。3、要求尺寸小，重量轻，结构简单。4、目前柴油机的设计，趋向于将油、水和空气管道、水泵外壳等零件铸入机休内，使机体外部管子的数量和长度，安排得较少和较短。这样，既增加机体刚度，亦可使外形布置紧凑和简洁。5、注意噪声的降低和考虑标准化、系列化和通用化问题。6、机体的接近性要好（即易接近气缸盖、运动件和附件等），便于零件和部件的装拆、维修和搬运。7、工艺性好，成本低廉；材料宜取，价廉材广。第三章 气缸盖设计50气缸盖和机体一样，是整个柴油机的基础，是决定整机性能、强化能力和可靠性的主要因素之一，同时又是配气、进排气和增压系统的安装基础。气缸盖的作用是密封气体，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。在柴油机气缸盖上要布置气门，气门座、进排气道、燃烧室、火花塞以及冷却水道等等，气缸盖的结构就变得很复杂，铸造和加工也很困难。3.1 气缸盖的工作条件气缸盖受到高温高压燃气作用，承受很大的螺栓预紧力，导致机械应力大。气缸盖结构复杂，温度场严重不均匀，导致热应力大，严重时会引起气缸盖出现裂纹和整体变形。气缸盖主要受气体压力、螺栓预紧力、热应力等的作用。气体压力 气缸盖底面受到高压燃气作用时，气体压力不仅使底板受到弯曲，而且还会通过气缸盖内部而传到气缸盖的各个部位。气缸盖机械负荷的大小一般就用最高爆发压力来衡量。由气缸爆发压力产生的压力称为气缸盖的工作压力。它具有脉动性质，其应力变化周期和内燃机工作循环的周期相同，频率较高。气缸盖螺栓预紧力 为了确保气缸的密封，气缸盖螺栓的预紧力要比最高爆发压力大的多。由预紧力而产生的应力成为气缸盖的安装应力。工作应力和安装应力通常叫做机械应力。热应力 气缸盖上各部分的温度分布是很不均匀的，当各部分因温差而产生的变形受到限制时就产生热应力。它的变化周期同内燃机的负荷改变有关，相对工作应力来说，热应力的变化频率较低。气缸盖是铸造成的，壁厚不能太薄，而且气缸盖上布置有上述的部分，这些加强了其承载能力，所以与热应力相比，机械应力显得不是很重要。气缸盖底板产生裂纹，多是热应力导致的。裂纹产生的机理如下：气缸盖底板局部受热部位温度可达300400，比周围的要高得多，而热膨胀却受到限制，从而产生很高的压缩应力。金属在高温和应力的联合作用下会发生蠕变。而铸铁材料在温度超过350时，抗蠕变能力下降；铝合金材料相应的温度则更低。蠕变导致材料产生塑性变形。停车后，温度降低，受热面的收缩却因塑性变形而受到阻碍，产生的拉伸应力成为残余拉伸应力。局部地区温度超过允许值愈多，使用时间愈长，残余拉应力愈大。拉压应力的反复交变作用，从而导致疲劳裂纹的产生。在气门座与喷油器座孔附近，不但温度高，而且温度分布也不均匀，壁厚分布也不一样，变形也不相同，这些因素都使应力了增加，因而在这些地方最容易产生裂纹。3.2 气缸盖的设计要求针对气缸盖的工作条件和结构，对气缸盖的设计做了要求10：（1）整个气缸盖结构，应有一定的刚度强度，工作变形小，保证密封。（2）“鼻梁区”结构和厚度等尺寸的选择、冷却水流方式和冷却水道的布置以及进出水孔尺寸的确定。若出水孔位置布置应当，可减少内部蒸汽阻塞和过热的现象。（3）气道形式与布置，要力求空气流动损失最小，并且根据需要保证形成适当的进气涡流。（4）气缸盖形状尽可能简单、对称。在拐弯处圆角过渡要平滑。各处相连壁厚不宜相差过大。（5）对配气机构、喷油器及螺栓等零件的布置，要考虑维修与调整方便。（6）清砂孔及工艺孔要合理布置，使整个气缸盖有良好的加工工艺性。（7）材料的选择应综合考虑铸造性、焊接性和耐磨性，要具有良好的强度及导热性，热胀系数宜小。价格低廉。（8）气缸盖应消除内应力。3.3 气缸盖的材料气缸盖的材料应具有良好的导热性和耐热性，在高温时能保持必要的强度。选择气缸盖的材料通常考虑下列要求10：（1）取材容易，价格低廉，适合大量生产，有良好耐热强度、铸造性以及导热和耐磨性。热膨胀小，变形小，能承受交变热应力。（2）普通铸铁价格低廉，浇铸性好，延伸率小。片状石墨灰铸铁为气缸的理想材料。缺点是导热性差，热强度稍差。目前各种类型柴油机广泛采用铸铁气缸盖。（3）目前高速、大功率、机车和增压柴油机气缸盖，多采用片状石墨灰铸铁，并添加Mo、Cr、Cu、Ni等合金元素，以增强材料耐高温强度和耐磨性。（4）铸钢的热强度较高，焊接性较好。缺点是浇铸流动性差，成本较高，不宜用于形状复杂的中小型柴油机气缸盖，适用于大功率中速柴油机气缸盖。铸锻焊接气缸盖，成本高，有时用于高负荷中速柴油机气缸盖。（5）铝合金有良好的导热性和浇铸性，重量比钢和铸铁气缸盖轻一半。其缺点为热强度低，变形大，成本稍贵，多用于轻型高速柴油机气缸盖。常用的材料有灰铸铁、合金铸铁和铝合金8。此次设计采用的是HT250。表3-1 HT250的部分材料参数牌号b/MPabb/MPabc/MPaHBSHT25025047010001902403.4 气缸盖结构设计3.4.1 气缸盖结构形式选择水冷内燃机的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。一般多采用整体式气缸盖，它的零件数少，结构紧凑，制造成本低11。如果选用单体式气缸盖在结构上就比较困难，因为各部分壁厚与泥芯截面尺寸受到造型和浇铸条件的限制而不能按缸径比缩小，这样就不能在保证有适当的壁厚和型芯尺寸的条件下得到既有足够的气道面积又有先进的气缸中心距。本次设计的4115柴油机选择的是整体式气缸盖8。3.4.2 结构工艺性气缸盖的结构工艺性能影响其生产率和经济性，及生产的顺利进行。在保证产品使用要求的前提下，提高生产率，减少劳动量及材料消耗，降低生产成本。零件结构要素标准化了，不仅简化了设计工作，而且减少了工艺装备的规格，还由于不需要专门的工艺装备而缩短了零件的生产周期，降低制造成本。尽量采用标准件和通用件，例如缸盖上的喷油器。这样以来，减少了产品中零件的种类，减少了刀具和量具的种类，简化了工艺过程，降低缸盖的制造成本，扩大了零件制造批量等。零件的结构要有可靠的定位面和加紧表面，要易于保证零件的加工。尽量保证缸盖的安装次数和加工次数，尽量减少缸盖的加工表面，要保证刀具能够正常工作，不能因为结构工艺而损坏刀具。结构工艺性能应满足缸盖在装配的过程中零件间的相互位置关系。缸盖的尺寸应该满足总的装配精度要求；应使零件机械加工时便于安装、调整和测量等。3.4.3 气门及气道的布置（一）气门的布置气门数目是缸盖设计的重要因素之一。目前采用较多的是2、4气门的机构形式。表3-2显示了不同气门数的优缺点9：表3-2 不同气门数目的优缺点比较气门数目优点缺点两气门1、 气门机构简单2、 型芯相对简单，铸造工艺性好3、 成本低1、 充量更换较差2、 喷油器要偏置影响性能3、 气门相对较大，有热负荷和机械负荷问题四气门1、 充量更换潜力大2、 喷油器垂直放在中央3、 气缸中心冷却很好4、 气门小、其机械强度和热强度都高5、 热应力分布比较均匀1、 气门机构复杂2、 气道复杂，进气道研制时间长3、 型芯复杂且空间很小4、 要增加气缸中心距又因为，对于D135mm的小型或者低增压柴油机，宜选用2气门气缸盖的结构。所以，此次4115柴油机设计采用的是两气门。（二）气道的布置柴油机相邻两气缸的排气道在气缸盖内一般是不连通的，而是各个气缸单独布置，这是为了避免排气道管壁与炽热气体接触时间过长。两个相邻气缸的进气道有的机型是连通的，有的不连通。在多缸柴油机中，一般是把缸体两端的两个缸的排气管放在最外面，离内燃机中点最远，这样进气门离中点相对近了，缩短了新鲜充量至两端气缸的路程，从而提高了各缸充气的均匀性12。柴油机机中，为了减轻进气被预热的程度，常把进气道和排气道分置在气缸盖两侧。4115柴油机采取进、排气道布置为异侧的方案，因为这样可避免进气管受到排气管的预热，增加进入气缸内的气体，从而提高发动机的性能。图3-1 4115柴油机进、排气道的布置3.4.4 缸盖螺栓的布置气缸盖螺栓数量及布置方案，与气缸盖结构形式、气道、水孔、推杆孔位置及缸心距有关。它影响着柴油机这几的紧凑性和气缸垫片的密封性，同时也与柴油机的性能、可靠性和寿命有关。一般柴油机每缸螺栓数量为48个。每缸六个螺栓布置方案较好，可均匀布置成正六角形。螺栓分布最好均匀分布，但不宜大于缸径，尽可能去小些。相邻螺栓中心线以相切与气缸孔位最好。螺栓预紧力不宜太大，以避免气缸套变形和螺栓断裂。螺栓布置时要留有足够的套筒扳手活动的余地。在气缸盖上，螺栓宜采用一种直径。4115柴油机缸盖六螺栓中心分布半径65mm图3-2 4115柴油机缸盖螺栓的布置3.4.5 气缸盖清砂孔布置气缸盖清砂孔的布置，直接影响铸造工艺。如果设计不当，清砂孔难净，水流不畅，形成局部过热，导致气缸盖损坏。设计要求如下：（1）气缸盖四侧面和顶面，可不止清砂孔，而底面尽量不设置清砂孔。（2）整体式和块状气缸盖，在两侧面每一个进、排气道附近，可布置清砂孔，而前后两个侧面可有大水孔或不少于两个以上清砂孔。（3）清砂孔一般应布置与狭长水套或拐弯转角和清砂不便的地方。（4）布置清砂孔时，注意尽量少削弱气缸盖刚度与强度。本次设计的4115的顶部清砂孔（红色）见图3-3图3-3 气缸盖顶部清砂孔3.5 气缸盖基本尺寸的确定（一）气缸盖高度 气缸盖高度是重要尺寸之一，影响刚度、强度、冷却效果以及缸盖垫密封性、螺栓动应力和气缸盖安装应力。同时，气缸盖高度也取决于气道、水腔、壁厚、燃烧室结构和喷油器尺寸的布置。目前，铸铁材料的柴油机一般气缸盖高度在（0.751.03）D的范围内，小型或中等强化程度柴油机一般H=0.67D+35mm图3-4 缸盖底板厚度与缸径的关系-指缸盖底面厚度范围气缸盖的高度HH=0.67D+35=0.67115+35=108.6mm取H=109mm。（二）气缸地面壁厚 气缸盖底面壁厚与缸径和柴油机强化程度密切相关，选择恰当与否，影响着柴油机工作的可靠性。目前多数柴油机缸盖按缸径大小来选择底面壁厚。一般铸铁材料的气缸盖按照图3-4中=0.067D+3.8mm为宜。查图3-4，缸盖厚度取11mm。(三)缸盖其余尺寸确定 小型柴油机气缸盖顶面有1倾斜，可排除冷却水中的气泡，有助于摇臂机构润滑油流回曲轴箱。推荐的气缸盖其余部分尺寸的经验公式及统计数据，及4115柴油机其他尺寸的取值见表3-3表3-3 气缸盖其余尺寸表10名称符号经验或统计公式柴油机取值（mm）顶面壁厚aa=0.065D（适用于D140mm以下）7.5气门导杆孔壁厚v45（mm）4气道壁厚k45（mm）4螺栓孔壁厚ss=(0.0450.05)D5侧面壁厚TT=(0.040.08)D5安装喷油器壁厚nn=(0.0350.04)D4气门偏离气缸e1e1一般e1=1015mm，最小为35mm5气门中心距qq=(0.450.55)D52总长l616总宽B1693.6 气门座气门的工作可靠性还与气门座的设计有很大关系。与气门头部锥面配合起密封作用的气门座可直接在缸盖中镗出，也可做成单独的环形零件压入气缸盖中。在本次设计中考虑到加工方便、维修方便，气门座单独地做成了一个环形的零件。气门座的主要问题是扭曲变形，不论是由于气压力负荷与热负荷引起的瞬时扭曲，还是由于装配时的机械应力和发动机个别零件蠕变而引起的永久变形，均将影响气门的导热，使气门温度升高，并在气门颈部产生弯曲应力。为了减少这种变形，必须对气缸盖的刚度、冷却情况，气缸盖衬垫压紧力的分布等多加注意。镶圈式气门座可以采用较好的材料，并且磨损后还可以更换，因此使用耐久方便。但是实验表明，由于采用镶圈式气门座后，气门座导热性变差，排气门座的工作温度会比不镶座的高约 ，同时加工精度也要求太高，成本也要求提高。而如果公差增大，压配不当，工作时气门已松脱，将会出现很大事故。因此，本次设计不采用镶圈式气门座。进排气门座的尺寸采用的是标准值，且该尺寸满足经验值及设计要求。3.7气门导管（1）气门导管的材料：气门导管与气门杆的匹配应有较好的滑动性，即使在润滑条件较差的情况下也要可靠地工作。近年来广泛采用铁基粉末冶金来制造导管，它的特点具有磨损小，工艺性好，造价低的优点13。（2）气门导管工作的条件：气门杆工作时在导管中滑动，使导管承受侧向压力，并且气门的部分热量也从导管散除14。导管与气门这对摩擦副由于靠近气门头部，所以温度较高，润滑油易结碳，但供给摩擦副的润滑油又不能过多，以免流入燃烧室中，因此，要求导管在润滑条件较差的情况下能耐磨。（3）气门导管外形及结构：导管的外表面一般都设计成光滑的圆柱形，没有任何台阶，以便无心磨床加工制造。导管的长度，取决于气缸盖的布置，只要地位允许，应尽可能的长些，最好不要小于气门杆直径的6倍，以减小气门对导管的侧压力，并有利于气门的导向和散热。气门导管的受热端尽量靠近气门头并创造良好的冷却条件，这对于降低排气门的温度是有利的，为此可在排气道内铸一平台，并使冷却水道尽量靠近凸台，但这个凸台觉不能与气门头过于或者铸的更大，以致有碍于气体的排出。（4）导管外径与气缸盖导管孔德间隙选择：一般选择其过盈量为导管的0.0030.005倍。（5）气门杆与导管的配合间隙：气门导管与气门杆的配合间隙应认真选择，间隙过大则散热不良，同时气门在导管中容易摆动、冲击，使其和气门座磨损不均匀而漏气、漏油，这种渗漏甚至使气门头烧损。间隙过小对气门座偏心的补偿能力下降，还会因气门杆受热而卡在气门导管中。进、排气门工作的条件不同，所以各自的间隙也是不同，一般进气门取进气门杆的0.0050.01倍，排气门取排气门杆直径的0.0080.012倍。气门表面的强化处理：滚压、渗铝、镀铬、氮化、表面淬火 。第四章 气缸盖的热力计算一 参数选择(一)、已知参数1、缸径 D=115mm2、行程 S=130mm3、缸数 i=44、转速 n=3000r/min5、压缩比 =176、单缸工作容积 Vh=0.5137L7、连杆比 R/L=47.5/1500.328、大气状态 p0=0.1MPa T0=293K9、燃料低热值 Hu=42630KJ/kg10、燃料成分 C=0.86 H=0.13 O=0.0111、12小时功率 96kW(二)、选择参数1、过量空气系数 =1.42、最高燃烧压力 pz=7.5MPa3、热量利用系数 =0.754、排气终点压力： pr0.108MPa5、排气终点温度 Tr=800K6、示功图丰满系数 i=0.957、机械效率 m=0.858、进气终点压力 pa=0.09MPa9、新鲜充量之温升 T=10K10、平均压缩多变指数 n1=1.3611、平均膨胀多变指数 n2=1.25二 燃料热化学计算1、1kg燃料完全燃烧理论上所需空气量L0：2、实际新鲜充气量M1：M1L0=1.40.495=0.692kmol/kg3、理论上完全燃烧是（=1）的燃烧产物M0： 4、当=1.4时的过剩空气量为：（-1） =（1.4-1）0.495=0.198kmol/kg5、燃烧产物总量： = +（-1） =0.527+0.198=0.725 kmol/kg6、理论分子变更系数：=1.0477、实际分子变更系数：=（+）/（1+）=（1.047+0.0287）/（1+0.0287） =1.046三换气过程参数计算1、残余废气系数：2、进气终点温度Ta：=316.90K3、充气效率：= =0.8594可取范围0.750.9，符合要求。四压缩过程计算1、选取平均多变指数n1=1.36。2、压缩过程中任意点X的压力：式中：Sc=5.94mmSx=(1+/4)-(cosA+cos2A)R式中：=R/L=47.5/150=0.317 压力计算过程全部采用excel2010,计算数据见表4-1。3、压缩终点压力和温度=0.09171.36=4.24281 MPa =316.90171.36-1=878.78 K=878.78-273=605.784、压力升高比：=1.7677五 燃烧终点温度Tz的计算1、根据热力学第一定律，在燃烧阶段燃料放出的有效热量等于气缸内气体内能的增加及所做机械功的和，可推导得燃烧方程式：+ +8.313= （4-1）式中:热量利用系数，高速柴油机：0.650.85此处取0.75。，燃烧始点c及终点z的气体平均定压摩尔比热，所以：=+（） （4-2）在燃烧始点C气缸内除工质外，还有残余废气，因此公式（4-2）中值应按下式求得：=kJ/kgmol (4-3)图4-1 不同时，石油燃料完全燃烧产物和空气（=）的平均等压摩尔比热Cp、Cp与温度的关系公式（4-3）中的及为燃烧始点c时空气及废气的平均定压摩尔比热。当使用公式（2）求解用公式（3）中及为燃烧始点c时空气及废气的平均定压摩尔比热。当使用时，因为随而变，如假定一个值，根据及值找出值得，代入公式（2），若方程式两边之值相等，则表示所取的值是正确的，否则应重复进行直至符合为止。(a) 压缩终点空气平均等容比热Cv从图4-1中查得，在tc=605.78时Cp=7.24 kcal/(kgmol)则Cv=Cp-1.985=5.255 kcal/(kgmol)(b) 压缩终点残余废气平均等容比热容Cv从图4-1中查得，在tc=605.78,=1.4时Cp=7.68 kcal/(kgmol)则Cv= Cp-1.985=5.695 kcal/(kgmol)(c) 压缩终点混合气平均等容比热CvCv=(Cv+Cv)/（1+）=5.2673 kcal/(kgmol) =2.0258 kJ/(kgmol)又Cptz=65742.88 kcal/(kgmol)，查图4-1，=1.4时，反复查得Cp、tz代入得：tz=1840，Cp=8.65 kcal/(kgmol)所以tmax=1840，Tmax=2113K，Tz=2113K2、初期预胀比的计算：1.423六 膨胀过程计算1、后期膨胀比：=11.94752、选择平均多变膨胀指数=1.25。3、膨胀终点的压力和温度：=0.3294MPa=1108.68 K=-273=835.684、计算膨胀过程中任意点x的压力：= () 式中: 式中：Sc=5.94mmSx=(1+/4)-(cosA+cos2A)R式中：=R/L=47.5/150=0.317求出数点的Vbx和pex的值即可画出示功图上的膨胀线。压力计算过程全部采用excel2010，计算数据见表4-1表4-1 压力与曲轴转角Pax（bar）x（）Pax（bar）x（）0.9-18074.68962100.796864-17058.77663200.813418-16035.61103300.842541-15022.59975400.886751-14015.31055500.950076-13011.03480601.038718-1208.392170701.162226-1106.680661801.335575-1005.528515901.582950-904.7290181001.944917-804.1617041102.492622-703.7533631203.357258-603.4578941304.793911-503.2454571407.321943-403.09641915012.00575-302.