微型车油机缸体和气缸盖的设计说明书本科论文.docx

油机缸体和气缸盖的设计摘 要机体是发动机的主体，主要由气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸盖和气缸垫等零件组成。它将各个气缸和曲轴箱连成一体，是安装活塞、曲轴以及其他零件和附件的支承骨架。汽缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，目前多镶有气缸套，下半部为支撑曲轴的曲轴箱，用来安装曲轴。气内腔为曲轴运动的空间，在汽缸体内部铸有许多加强肋，冷却水套和润滑油道等。其外部还可安装发电机、发动机支架等各种附件。气缸盖的作用是密封气缸体，与活塞组成燃烧室，它还为很多零件提供安装位置，布置有近排气门和气道，结构形状很复杂。本次发动机机体的设计，是站在已有发动机的基础上的一次自主研发的尝试，通过运用先进的材料和合理的结构设计出一台自主开发的发动机机体，并使发动机得到优化，减轻发动机的质量，从机体这一方面使整车具有更好的动力性和经济性。关键词：微型车汽油机缸体；缸盖；参数设计；AbstractThe body is the main engine, mainly by the cylinder block, crankcase, cylinder head and cylinder pad and other components. It is the cylinder and the crankcase into one, is the installation of the piston, crankshaft and other parts and accessories supporting the skeleton. Cylinder block at the top of the cylindrical cavity called the cylinder, the current multi-inlaid with cylinder liner, the lower half of the crankshaft to support the crankshaft, used to install the crankshaft. Air cavity for the crankshaft movement of space, inside the cylinder block cast a lot of ribs, cooling water jacket and lubricating oil and so on. The external can also install generators, engine mounts and other accessories. The cylinder head is used to seal the cylinder block, and the piston composed of combustion chamber, it also provides installation for many parts of the location, arranged near the exhaust valve and airway, the structure is very complex.The engine body design is standing on the basis of the existing engine of a self-developed attempt, through the use of advanced materials and reasonable structure to design a self-developed engine body, and the engine is optimized to reduce the engine Of the quality, from the body in this regard so that the vehicle has a better power and economy.Key words: miniature gasoline engine cylinder; cylinder head; parameter design; strength check2油机缸体和气缸盖的设计目 录1 绪论 51.1 选题背景及意义51.2 国内外汽油机缸体和缸盖的研究现状51.3 本次设计的主要任务72 微型车汽油机缸体缸盖概述82.1 缸体概述 82.1.1 缸体的功用82.1.2 缸体的分类及其特点92.1.3 缸体的主要结构92.1.4 缸体的主要参数122.2 缸盖概述122.2.1 缸盖的功用122.2.2 缸盖的分类及其特点132.2.3 缸盖的主要参数133 微型车汽油机机体设计方案的确定153.1 缸体结构形式选择及其依据153.2 缸盖结构形式选择及其依据163.3 行程与缸径比S/D的选择163.4 汽缸中心距及缸径比的选择173.5 冷却水套与壁厚的设计173.6 润滑油道的设计与计算183.7 筋的设计203.8 机体的总体布置214 微型车汽油机机体的设计与计算224.1 缸径和行程的设计与计算224.2 缸体尺寸的设计与计算224.2.1 缸体横向尺寸的设计与计算224.2.2 缸体纵向尺寸的设计与计算224.2.3 缸体高度的设计与计算234.2.4 缸体其他尺寸234.3 缸盖的设计与计算244.3.1 燃烧室的选取与设计244.3.2 缸盖的布置254.3.3 水道布置254.3.4 缸盖紧固螺栓的布置264.3.5 凸轮轴承座的设计与计算274.4 气缸垫的设计与计算274.5 油底壳的设计与计算284.6 标准件的选用与定位294.7 装配要求305 结论及展望31参考文献32致谢33341 绪论1.1 选题背景及意义发动机缸体是发动机中单件质量最大的零件，一般都超过发动机质量的1/4，世界范围内，针对发动机机体等的轻量化研究和技术正在不断地改进。2009年，我国的汽车销量以1350万的成绩，超过美国、日本和欧洲大陆，名列榜首。但是这些销量中的绝大多数品牌为与我国企业合作的跨国公司。造成这一局面的主要原因是我国缺少对汽车核心技术的掌握。所以目前汽车的核心技术和自主研发是我国汽车业所要努力的方向，对我国汽车业有着至关重要的意义。本次发动机机体的设计，是站在已有发动机的基础上的一次自主研发的尝试，通过运用先进的材料和合理的结构设计出一台自主开发的发动机机体，并使发动机得到优化，减轻发动机的质量，从机体这一方面使整车具有更好的动力性和经济性。同时，对我国汽车发动机自主研发，改变大量引进国外发动机缺少自主创新的局面有着重要的意义。发动机作为汽车的心脏其制造质量直接影响着汽车的使用性性能缸体发动机各机构及各系统的装配基础零件，其制造精度对发动机的整体性能有重要影响，要提高发动机的使用性能就必须控制发动机制造过程中关键零件的加工精度与质量，随着我国经济的发展，国内对于汽车的需求迅速增长如何提高汽车产品零部件的生产加工质量，对汽车产业的发展至关重要，发动机缸体是汽车五大部件之一，其生产效率与加工质量，直接关系到汽车的生产率和性能，因此如何提高发动机缸体公益性生产效率和加工质量，对我国汽车生产业发展具有重大意。1.2 国内外汽油机缸体和缸盖的研究现状1.2.1国外研究现状及发展发动机类铸件的生产属于批量生产专业化流水线生产性质，一般年生产纲领少则上万件，多则几千万件产品结构复杂，铸造难度大，相应工序多，工艺装备的要求也较高如发动机缸体缸盖等铸件。在材质的选择上，国外发动机缸体缸盖的材质主要有灰铸铁、铝合金蠕墨铸铁等。随着发动机朝大功率环保方向的发展，灰铸铁的牌号越来越高，现在运用最为普遍的是HT250。缸盖设计是发动机设计的重要组成部分, 其设计方法已由传统的经验设计发展为计算机辅助设计, 设计方式已由二维绘图发展为三维造型设计, 分析手段已由简单的测试分析发展到各种具备较高精度的数值模拟计算。近年来, 国外除了进行较多的实际测试研究外, 还发表了较多的关于缸盖设计计算的研究文献, 表明了这一研究领域受到重视的程度。研究的重点主要集中在缸盖的三维造型设计, 流动模拟计算与有限元分析, 以及冷却水腔的优化设计等方面。对于缸盖而言, 内部结构十分复杂且难于表达, 缸盖底部构成燃烧室的一部分, 同时在一个受到严格控制的空间中, 需要布置进、排气道与进、排气阀, 柴油机的喷油器, 汽油机的火花塞, 缸盖固定螺钉孔和冷却水腔等。缸盖的各个组成部分都有着自己的设计要求, 为协调处理好各个组成部分的空间布置, 三维造型设计这一手段就尤为必要, 三维建模也是进行后续一系列数值模拟计算的基础工作。笔者已进行了缸盖的三维造型设计的研究, 曲线与曲面均采用了非均匀有理 B 样条( NU RBS) 方法生成, 能够适应于缸盖的复杂结构。针对发动机缸盖所开展的现代设计方法的应用研究, 其意义与价值并不仅局限于这一个零部件, 完全可能从缸盖这一典型零部件扩展应用于发动机其他零部件的设计改进中。这对于提高我国发动机零部件自主开发能力与设计水平具有重要的理论意义与实用价值。 从整体与系统的观点出发, 实现综合性的数值模拟计算, 以反映多种因素的相互影响与相互作用, 得到发动机缸盖的温度场、应力与应变分布等, 才能真正为缸盖的设计改进, 提高发动机性能提供有效的实用工具。而其中的关键技术, 主要在于如何实现较高精度的流动与传热数值模拟, 精确描述复杂的几何形状与准确确定复杂的边界条件等方面还需进一步努力。1.2.2国内状况及发展近年来，我国铸造行业的生产技术及装备水平有了长足的进步，产品品种及产量，基本上以满足国民经济各个行业发展的需求，垂直和水平的高压射线等先进技术和装备的应用也大大提高了我我国内燃机缸体缸盖等薄壁高强度铸件的尺寸精度和表面质量。在清理方面，由于缸体缸盖铸件内腔复杂，难以清理，故采用机械手程序控制角度和时间，取得了较好的效果，此外国内自行开发了无余量精铸技术,新型的浇注系统过滤网技术也有效提高了铸件的内外质量和生产效率。国内发动机缸盖的设计流程，结构初步设计的主要内容是根据设计要求与约束条件进行缸盖的计算机三维建模, 随后开展各项数值模拟计算( 包括冷却水腔内的流场与温度场, 进排气道内的流场与温度场, 汽缸盖的温度场、应力与应变分布等) 并根据计算结果进行结构改进, 再进行样品试制与各项试验, 包括性能以及可靠性等试验。国内开展的一些相关的研究工作, 例如汽缸盖的温度场、应力和应变分布的测试与有限元分析, 但仍是初步的与不完整的, 距离实用化还有较大距离, 冷却水腔内的流场与温度场的数值模拟等问题还未解决或还未涉及。尽管有限元分析已是应用广泛且较为成熟的现代设计方法之一, 但应用于发动机缸盖这类零部件分析温度场、应力和应变分布时, 由于不规则的且与传热相关的边界条件难以精确给出, 因而仍难达到较高的精度与实用化的程度。1.3 本次设计的主要任务（1）内容：1）1.0L四冲程汽油机机体与气缸盖的设计方案的确定；2）缸体和缸盖的装配图，零件图的绘制；3）编辑说明书，外文翻译。（2）参数要求：1）发动机排量：1.0L2）燃料类型：汽油3）冲程数：四冲程4）缸体排列：直列4缸2 微型车汽油机缸体缸盖概述2.1 缸体概述2.1.1 缸体的功用机体是发动机的主体，主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。它将各个气缸和曲轴箱连成一体，是安装活塞、曲轴以及其他零件和附件的支承骨架。汽缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，目前多镶有气缸套，下半部为支撑曲轴的曲轴箱，用来安装曲轴。气内腔为曲轴运动的空间，在汽缸体内部铸有许多加强肋，冷却水套和润滑油道等。其外部还可安装发电机、发动机支架等各种附件。图2.1 缸体2.1.2 缸体的分类及其特点（1）根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为三种：1）一般式气缸体其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差，油底壳冲压困难，机体下端面与油底壳密封比较困难。适用于小客车和轻型载重车用汽油机。2）龙门式气缸体其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。适用于高速柴油机和载重用汽油机。3）隧道式气缸体这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。其优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。图2.2 缸体分类2.1.3 缸体的主要结构（1）结构汽缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，目前多镶有气缸套，下半部为支撑曲轴的曲轴箱，用来安装曲轴。气内腔为曲轴运动的空间，在汽缸体内部铸有许多加强肋，冷却水套和润滑油道等。其外部还可安装发电机、发动机支架等各种附件。(2) 受力情况机体在工作时承受很复杂的负荷，气压力使机体受到拉伸。二而此力在传递过程中会使机体不同部分承受附加的弯矩和扭矩。往复惯性力和离心力在高速内燃机中回达到很大的数值他们也是机体受到弯曲和扭转的作用。所以机体应当具有足够的刚度以及纵向和横向弯曲刚度。当去肘向外输出扭矩时，机体要受到由侧压力构成的反扭矩的扭转，因此，机体要有足够的扭转刚度。为了保证曲轴主轴承工作可靠，主轴承座应有足够的刚度。为了保证燃烧室密封可靠气缸体上平面也应有足够的刚度，否则，在燃气压力作用下预紧气缸盖上螺栓密封部位就会变形漏气，影响内燃机工作。机体还是一个结构复杂的零件，它的尺寸较大，是内燃机中最重要的零件，因此，它的重量大小在很大程度上影响内燃机的重量。在设计机体时要减轻铸铁机体的重量。当D200mm时，受到铸铁材料强度的限制；但当D200mm时受到铸铁工艺最小壁厚的限制。因此，在工作过程不十分强化的中小型内燃机中，机体强度一般都能满足要求。但如果设计不合理，则不能满足刚度要求。气缸体是发动机中最大的零件，且工作环境极为恶劣，为保证其能正常稳定地运行并达到整机的缸体在内燃机运行时承受很复杂的负荷， 除了机械负荷外，还伴有强烈的热负荷。各缸内气体对气缸盖底面和曲柄连杆机构的均布气压力使气缸受到拉伸， 在此力的传递过程中使气缸体不同部分承受附加的弯曲和扭曲。往复惯性力和离心力在汽油机高速运行中可能达到很大的数值， 它们也使缸体受到弯曲和扭转作用。当曲轴向外输出扭矩时，气缸体要受到由侧压力构成的反扭矩的作用。对于多缸内燃机来说， 则在同一时刻作用在各气缸上的作用力的反扭矩的大小和方向都是不同的，因此缸体曲轴箱还承受扭曲的作用。（3）机体的冷却1）水冷和风冷为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷。风冷式由于冷却不够可靠，热负荷较高，消耗功率大，噪声也大，故应用不如水冷式普遍。水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有冷却水套，并且气缸体和气缸盖冷却水套相通，冷却水在水套内不断循环，带走部分热量，对气缸和气缸盖起冷却作用。水冷式冷却系统又分为自然循环与强制循环两种。自然循环冷却系是利用水的密度随温度变化的特点，使冷却水在在系统中进行自然循环，通过水的蒸发带走热量，属于开式循环。自然循环冷却系统的优点是结构简单，缺点是耗水量大。由于散热，水不断被蒸发，必须及时补充冷却水使内燃机正常工作，这对于车用内燃机是不方便的，因此一般用于单缸内燃机上。强制循环冷却是利用外来的动力迫使冷却水在冷却系统内流动，强制循环的冷却效果壁比自然循环的好。目前，绝大部分内燃机采用强制循环冷却系统。冷却系统内的冷却液一般要求防沸腾、防冻、防锈，因此会添加一些防冻液（如酒精、乙二醇、甘油与水配合而成）、防锈添加剂（如亚硝酸钠、硼砂、磷酸三丁脂、着色剂等），另外需要指出冷却水应该选择软水而不是普通硬水，因为硬水容易产生水垢。2）水套内燃机的水套由气缸体和气缸盖内的空腔组成，气缸体和气缸盖的结合面间有相对应的孔道相通，以便冷却水循环，水套下部装有放水开关，可放出水套内的水。在多缸内燃机上，冷却水流过前面气缸后再对后面气缸进行冷却，因此前面气缸冷却效果好，后面的气缸冷却效果差，为了保证各个气缸冷却效果一致，以及温度较高的机件能优先得到冷却，在水套内中有分水管。分水管是用铜皮和不锈钢皮制成，从气缸前端进水口处插入水套内，分水管的上部及两侧在对准各缸的排气门座与气缸外壁处均开有孔眼，从水泵压入的冷却水从这些孔眼中流到排气门座与汽缸周围，使其优先得到冷却，然后再冷却其他部位。由于气缸下部温度并不是很高，因此主要依靠水的对流进行冷却。3）缸套的冷却气缸体中活塞往复运动的内腔成为气缸，气缸可以在气缸体上直接加工制成，但目前广泛采用的是用耐磨材料制成的气缸套箱入气缸体内形成气缸工作面。当采用铝合金气缸体时，由于铝合金耐磨性较差，必须相入缸套，这样有利于降低成本，修理、更换气缸套比较方便。气缸套有干式和湿式两种。干式气缸套的特点是缸套外圆表面不直接与冷却水接触的厚，一般为1mm-3mm，其优点是不漏水、不漏气，汽缸体的刚度好、强度高，缺点是散热效果差，加工精度要求高、难度大，拆装修理不方便。湿式气缸套的特点是其外表面与冷却水直接接触，气缸壁较厚，约5mm-9mm。其优点是气缸体的铸造比较容易，散热效果好，冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，而与水接触的外表面不需要加工，拆装简便，但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好，缸套上端面不能被缸盖压紧时，容易漏水漏气。2.1.4 缸体的主要参数(1）横向尺寸主要取决于连杆螺栓最外点的运动轨迹，根据经验，曲轴箱的内壁与连杆运动轨迹间的最小距离应为510 mm。(2)壁厚和孔径1）根据一般铸造工艺条件，气缸壁最小厚度为46 mm。2）水套壁和横隔板的厚度主要由铸造条件决定，一般为45mm。3）上顶面壁厚，汽油机为1012mm。4）机体底面厚度为810mm。5）主供油道、分供油道(3)纵向尺寸机体的纵向尺寸取决于缸心距L,缸心距L与下面几点有关：1）缸壁厚度、水套厚度2）缸径D3）曲轴的轴向尺寸、曲轴轴承座宽度2.2 缸盖概述2.2.1 缸盖的功用缸盖是发动机中最复杂、最具代表性的零件之一。所谓发动机缸盖，就是安装在发动机缸体上部的机构，它与活塞一起形成燃烧室，即汽油与空气混合形成的混合物燃烧的地方。气缸盖上有用于冷却燃烧室及周围区域的水套、进排气道、进气歧管、排气歧管、润滑油道与火花塞的安装孔。根据燃烧室的形状、凸轮轴位置与气门机构等因素的变化，缸盖结构也有所变化。由于目前多数发动机都采用了顶置凸轮轴的布局，所以对于很多不了解汽车发动机结构的人，也可以通过观察发动机缸盖的宽度来区分。另外，过去的发动机缸盖多采用铸铁材质，但由于铝具有更高的热传导性，同时可以减轻发动机的重量，因此现在许多发动机的缸盖已经采用铸铝制造。气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷与机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道与排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机与柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。2.2.2 缸盖的分类及其特点气缸盖可分为整体式和分体式两种。（1）整体式气刚盖的所有气缸共用一个气缸盖，优点是结构简单，气缸的中心距离小，可以减少内燃机的质量和长度。缺点是铸造工艺和加工精度要求较高，刚度较差，易弯曲变形，在受热和受力后容易变形，而影响密封，损坏时必须整个更换，装配质量要求高，用在气气缸数不超过六个的内燃机中，以及缸径小于105mm的发动机。（2）分体式气缸就是每个气缸和每一两到三个气缸单独用一个气缸盖，其优点是刚度大，通用性强，加工简单，但在缩短气缸中心距方面受到一定限制。风冷式内燃机大部分采用该结构，缸径较大的发动机常采用分体式。2.2.3 缸盖的主要参数由于缸盖的加工质量将会影响机器或部件的精度、性能和寿命，所以缸盖零件的加工精度对机器加工精度比较重要。在缸盖零件各加工表面中，通常平面的加工精度比较容易保证，而精度要求较高的支撑孔的加工精度以及孔与孔之间、孔与平面之间的相互位置精度则较难保证。缸盖零件的技术要求主要可归纳如下：(1) 主要平面的形状精度和表面粗糙度缸盖的主要平面是装配基准，并且往往是加工时的定位基准，所以，应有较高的平面度和较小的粗糙度值，否则，直接影响缸盖加工时的定位精度，影响缸盖加工的定位精度，影响缸盖与机座总装时的接触刚度和相互位置精度。一般缸盖的主要平面的平面度在0.10.03mm，表面粗糙度Ra2.50.63 m，各主要平面对装配基准面垂直度为0.1/300.(2) 孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度一般缸盖孔的尺寸精度为IT6，圆度、圆柱度公差不超过孔径公差的一半，表面粗糙度值为Ra0.630.32 m。其余尺寸精度为IT7IT6,表面粗糙度为Ra2.50.63 m。(3) 主要孔和平面的相互位置精度各孔之间的孔距公差为0.120.05mm，平行度公差应小于孔距公差，一般在全长取0.10.04mm。同一轴线上主要平面间及主要平面之间垂直度公差为0.10.04mm。3 微型车汽油机机体设计方案的确定3.1 缸体结构形式选择及其依据（1）机体形式-整体式中小型水冷高速内燃机为了简化结构和提高整机刚度，都采用把气缸体与上曲轴箱连成整体的机体形式。由于它是一个内部有很多隔板的箱型结构，其刚度主要决定于壁的分布，而不是壁的厚度，因此有可能把基本壁厚减薄到铸造工艺所允许的最小值，在轻巧的前提下，获得很大的刚度。因此，本次微型车汽油机的设计采用气缸体和上曲轴箱连成一体的形式，即整体式。（2）缸体结构选择-一般式缸体小客车和轻型载重车用汽油机要求机体尽可能轻巧，同时又常在部分负荷下工作，所以大多采用底面（即油底壳上端面）与曲轴轴线基本平齐的机体（一般式机体）。龙门式机体适用于高速柴油机和载重用汽油机，由于工作中机械负荷大，经常在大负荷下工作，对于机体的刚度要求较高。隧道式机体适用于v型发动机和风冷内燃机。根据缸体结构形式的特点，本次微型车汽油机设计的直列4缸汽油机采用油底壳上端面与曲轴轴线基本平齐的机体，即一般式机体。图3.1 一般式机体（3）冷却形式选择-水冷风冷式一般用于龙门式和隧道式机体，以保证其强度和刚度。本次微型车汽油机设计的缸体是一般式，对于强度和刚度的要求较为宽松，因此选用水冷式。3.2 缸盖结构形式选择及其依据缸盖结构-整体式整体式气刚盖的所有气缸共用一个气缸盖，优点是结构简单，气缸的中心距离小，可以减少内燃机的质量和长度。缺点是铸造工艺和加工精度要求较高，刚度较差，易弯曲变形，在受热和受力后容易变形，而影响密封，损坏时必须整个更换，装配质量要求高，用在气气缸数不超过六个的内燃机中，以及缸径小于105mm的发动机。分体式气缸就是每个气缸和每一两到三个气缸单独用一个气缸盖，其优点是刚度大，通用性强，加工简单，但在缩短气缸中心距方面受到一定限制。风冷式内燃机大部分采用该结构，缸径较大的发动机常采用分体式。根据缸盖结构形式的特点，本次设计采用整体式。图3.2 整体式缸盖3.3 行程与缸径比S/D的选择行程S（单位mm）及其与缸径D（单位mm）的比值S/D是对内燃机结构和性能有重大影响的参数，合理的选择S/D应考虑以下因素：用较小的S/D，可减小内燃机的高度、宽度和重量。S/D减小时，内燃机的转速可增加，提高了内燃机的升功率，但增加了运动件的惯性力和内燃机的噪声。S/D比值过小，特别是对直喷式燃烧室的内燃机，为保持一定的压缩比以及燃烧室容积与压缩容积比值，必将使活塞与气缸盖需要更小的间隙，这就增加制造上的困难。如间隙不能保证，将使发动机各项性能指标难以达到。一般汽车用型柴油机大多选用较小的S/D值，直列式采用较大的S/D值；即使内燃机型号相同时，行程比也有长短，以满足不同用途的需要。目前，车用汽油机的S/D值多数在0.81.2之间。本次微型车汽油机的设计选取行程缸径比S/D1.15。3.4 汽缸中心距及缸径比的选择缸心距L（单位mm）,缸径为D（单位mm），缸心距与缸径之比L/D的大小意味着发动机长度方向的紧凑性，它与汽油机的强化程度、汽缸排列和机体的刚度有关。缸心距=缸径+气缸套厚度+横隔板厚度缸心距的取值大小受以下几个因素的影响：缸盖固定螺栓是否容易布置，如果缸心距选择较小，只能在相邻缸盖之间采用共同用的螺栓布置；曲轴的曲柄臂的厚度和主轴颈、曲轴销的长度使主轴承有足够的承压面积，并保证曲轴有良好的强度和刚度，这些都和缸心距的大小有关。缸心距主轴颈长度+曲柄销长度+2曲柄臂厚度 （单位：mm）汽缸套型式和水套的型式。从增加机体刚度着眼，目前高速汽油机缸心距有逐渐减小的趋势。直列式小型高速汽油机的L/D一般在1.16-1.22之间，最小可取1.14，推荐1.20。本次设计发动机的车型为微型车用汽油机，故采用L/D=1.1。3.5 冷却水套与壁厚的设计发动机运转时，冷却水从气缸右侧的进水口进入第一缸冷却腔的右侧及水泵，并按照图中箭头所指的方向一次冷却其他各缸。图3.3 冷却系统路线气缸套和缸体壁之间的最小距离不应低于56 mm，本设计为5mm。水套壁和横隔板的厚度主要由铸造条件决定，一般为45mm，本次设计取5mm。水套外壁与气缸盖螺栓中心线设计在同一直线上，避免了错距，使气缸体不会受到附加的弯曲变形。为了提高抗振性，减小噪声，水套外壁设计成不断弯曲的波纹形截面，而不是简单的大平面，这样将加大结构刚度。本次设计采用气缸和缸体做成一体的结构，为了避免内孔的变形，水套的内壁基本上不承受缸盖螺栓的拉伸，所以缸盖螺栓的安装孔分布在水套外壁上。这样有利于气缸最上部分的充分冷却。为加强缸体的局部刚度，防止局部地区产生过大变形，尽可能增加缸体受力和承受弯矩部位的抗拉、抗弯断面系数，在基本壁面采用较薄壁厚的同时，设计中加大了局部地区的壁厚。为使活塞环容易传出热量，设计的水套高度尺寸与活塞环在气缸上、下止点位置相对应。3.6 润滑油道的设计与计算润滑系统全部采用暗油道，采用湿式油底壳，机油泵把机油通过集滤器吸到机油泵，然后通过暗油道，进入机油滤清器，经过滤清的机油，在经过暗油道进入发动机的主油道。发动机表面没有任何机油管路，完全消除机油渗漏到外面的情况。经过机油滤清器滤清过的机油，从机油滤清器支座出油口进入主油道，然后经过斜油道进入5个主轴承座润滑曲轴。另一部分经过第三横隔板上的横向油道和纵向油道进入气缸盖，润滑缸盖上的配气机构。为减少露在缸体外的管道，在缸体中设置主油道和分油道。油道的孔径取决于供油量的大小。根据供油的需要，设计确定主油道孔径为10mm，分油道孔径为5mm。图3.4 a 图3.4 b图3.4 润滑系统内燃机技术的不断发展，其中一项是增大功率，而增大功率带来了内燃机各运动部件摩擦、磨损的加剧和润滑油温度升高等问题，使润滑条件更加苛刻，所以整机性能的提高对内燃机的可靠性和耐久性提出了更高的要求。因此润滑已成为提高内燃机可靠性和耐久性的一个非常关键的问题。各摩擦零件的良好润滑，对减少摩擦损失，提高机械效率，保证发动机最经济、最可靠地工作以及对延长发动机的使用期限具有决定性的意义。设计时考虑到发动机使用和维修，在发动机机体中设置了主油道和分油道。其孔径取决于供油量的大小(设计时主油道孔径取12mm)，分油道孔径取进油量，由于液压挺杆要求机油的压力不低于5mpa， 含气量少于0.1%，汽油机供油系统设计压力为4.5mpa。并采用止回阀来防止缸盖机油回流。在正常工作时油道中的止回阀打开，使机油顺利进入缸盖。在停车时，机油止回阀处于关闭状态，阻止了缸盖油道内机油的泄流，有效地防止了空气进入液压挺杆。机体的主油道位于机体的腰部，通往配气机构、正时齿轮室和润滑曲轴的分油道分别与主油道相连，通往主轴承的润滑油道有五条，一条通往缸盖进行润滑，另一条是通往正时。3.7 筋的设计为了增加制品的强度，目前一般采用设置加强筋的方法。加强筋的主要作用，是在不增加壁厚的情况下，增加塑件的强度和刚度，避免塑件变形翘曲。在大多数情况下，通过这种方法最有效地达到目的。设置加强筋不仅能增加强度，而且能改善金属的流动状态，有时还可以防止因残余应力而产生的变形。增加加强筋的一些原则是 ：为了可以提高缸体局部或整体的刚度及强度，缸体的加强筋设计，不能孤立地设计加强筋 ，可将水平或者垂直的加强筋相应地连接起来，并且最终延伸到高刚度处；缸体加强筋的设计应与附近的凸台特征及螺栓孔一起考虑，提高局部区域的整体刚度；有效地利用各缸孔形成的波浪形表面，增强结构刚度；质量大或者作用力较大的外围附件，其安装的螺纹孔凸台处的加强筋的结构应该宽大；薄壁件的加强筋应尽量靠近螺栓凸台周围，或连接法兰附件，同时中部适当安排固定螺栓来提高刚度。一般采用的标准是，在没有支撑座的情况下，筋的高度为基础壁厚的3倍，其根部的圆角至少是壁厚的0.3倍，而它的根部厚度是基础壁厚的2/3。对于具有大面积平面的制品，为了防止挠曲，也可以采用设置筋的方法。从设置筋的效果来讲，与其增加筋的高度，不如增加筋的数量为好。有时增加高度虽然不影响成型，但是在其中间容易产生缩孔，并使其根部产生应力过分集中，容易引起开裂，以致失去增强的意义。如果这种缩孔的确是影响外观，则有必要考虑在其背面设置窄筋，或者设置沟槽，或者在这部位上进行花纹处理，并使之不显眼。加强筋的结构，若壁厚为t，则加强筋高度L=（13）t，筋根宽A=（1/41）t，筋根过渡圆角R=（1/81/4）t，收缩角=25，筋根部圆角r =t/8,当t2mm时，取A=t。3.8 机体的总体布置（1）汽油机总体布置的一般要求如下：布置紧凑，外形尺寸小，外观整齐，外接管路尽量少。经常需要保养得零部件，如机油、燃油、空气的滤清器，以及常用的机油加油口、放水阀和机油油尺等。对经常检查调整的气门间隙和喷油提前角等有关零部件应考虑到调整和拆装方便。应满足用户对汽油机配套所提出的各项合理要求。多种用途汽油机的总体布置，首先应满足主要用途的配套要求，还要考虑到变型机型的有关问题。（2）汽油机的总体布置如下：凸轮轴的布置本设计凸轮轴布置在气缸盖上部，直接驱动气门，其配气结构质量最小，适用也高速汽油机。齿轮传动机构的布置由于传动齿轮布置在自由端的优点是曲轴前轴直径小，齿轮尺寸比较小，拆装方便，便于维护保养，多用于中小功率汽油机，故本设计采用此种布置方式。机油泵的布置机油泵的布置与其传动方法、机油管路布置以及汽油机的用途有关。本设计中机油泵布置在主轴承盖上，有主动齿轮通过惰齿轮传动，这种布置的优点是机油泵无需油封机构，轴承润滑条件好，机油泵安装位置较低，汽油机启动后，瞬时既能吸上机油。水泵的布置本设计采用离心式水泵，为避免水漏人机体导致机油变质，在水泵体上设有旁泄孔，漏出封水圈的水可有旁泄孔排出，以便及时发现漏水并加以检修。通常将水泵布置在汽油机的外部。4 微型车汽油机机体的设计与计算4.1 缸径和行程的设计与计算气缸直径通常用D表示，上下止点之间的的容积，称为气缸工作容积，以V表示，气缸直径与单缸容积的关系式为V=(*D2*S)/4由本次设计任务要求的发动机排量L为1.0L，和本设计气缸数i为4，可知每缸工作容积为VL/i=0.25L；由S/D1.15和V=(*D2*S)/4可计算得D65.33mm；S74.75mm；圆整得D65.5mm；S75mm。4.2 缸体尺寸的设计与计算4.2.1 缸体横向尺寸的设计与计算缸体的横向尺寸主要取决于连杆螺栓最外点的运动轨迹，根据经验，曲轴箱的内壁与连杆运动轨迹间的最小距离应为510mm，使气缸体外形尽可能紧凑的情况下，根据连杆运动轨迹的外包络线来确定曲轴箱内壁的最小尺寸。为了确保气缸体与运动件在任何情况下不相碰，设计考虑各个零件的制造公差、缸体的变形和磨损的影响等因素，留出足够的间隙，本次设计取5mm.因此，缸体的曲轴箱部分的横向尺寸是：198mm.缸体的气缸体部分的横向尺寸是：130mm.4.2.2 缸体纵向尺寸的设计与计算缸体的纵向尺寸由缸径、气缸套厚度、横隔板厚度、缸体纵向两端面壁厚组成。由前面的计算知道：缸径为65.5mm；气缸套厚度为2mm； 横隔板厚度为5mm；缸体纵向两端面壁厚为9mm ；故可得：缸体的纵向尺寸为65.54+28+53+92=311mm。4.2.3 缸体高度的设计与计算发动机缸体的总体高度主要决定于曲轴中心、曲柄半径、连杆长度、活塞尺寸和曲轴箱外形尺寸等。本次设计的活塞行程为75mm，从活塞顶面到活塞上裙部下端为39mm，所以缸套总高H=75+39=114 mm。上曲轴箱的高度为（0.61.0）H，本次设计取0.9H=0.9114=110 mm，所以缸体的总体高度为110+114=224mm。图4.1 缸体主要尺寸4.2.4 缸体其他尺寸（1）气缸体下平面从曲轴中心线下沉50mm。气缸中气体燃烧爆发产生的压力，和活塞连杆曲轴运动时产生的惯性力，都直接作用在气缸体横隔板上，相邻两横隔板，当气缸中气体爆发时，是向两边分开的，每分钟爆发2750次，则横隔板就向两边分开2750次。曲轴每转一周，各种惯性力就向横隔板施加一次冲击。如此周而复始往往曲轴箱部分的横隔板就会从轴承座横隔板上裂开，限于发动机的长度，不可能增加横隔板的尺寸，465Q发动机在设计时，充分考虑上述因素，采用把气缸体下平面自曲轴中心线下沉50mm，这样，就大大加强了横隔板的强度，同时也加强了发动机运转时曲轴箱的刚度和强度。（2）5个主轴承孔的直径是54mm。表4.1 缸体参数汇总部位名称参数气缸孔直径气缸中心距气缸体上部宽度气缸体下部宽度气缸体长度气缸体高度气缸体壁厚主轴承座孔直径主轴瓦外径气缸盖紧固螺栓气缸盖紧固螺栓螺纹孔深度主轴承盖紧固螺栓孔主轴承盖紧固螺栓孔螺纹长度65.5+0.005+0.02mm72.5mm130mm198mm311mm224mm5mm54mm54.018mm8M101.2528mm8M101.2522mm4.3 缸盖的设计与计算 4.3.1 燃烧室的选取与设计发动机缸盖用铝合金铸造，四个缸为一个整体的结构形式。燃烧室采用多球型燃烧室，即燃烧室布置在缸盖内。每个缸各有一个进排气门和一个进排气道。进气门与进气道在右侧，排气门与排气道在左侧。进气门座与进气通道通过截面积一致。排气道出口截面积大于排气门座，这样有利于排出废气。进气门直径为31.6mm。排气门直径为27.6mm。进气门导管孔中心线与排气门导管孔中心线分别对气缸中心线夹角20。进气门导管孔中心线与排气门导管孔中心线相互成40角。燃烧室中部装有火花塞，火花塞从排气侧与缸盖下平面成43插入缸盖。火花塞周围座孔壁受到冷却水的强烈冷却。4.3.2 缸盖的布置（1）纵向结构设计缸盖上部四周设计成盒型结构，这样可加强缸盖的刚度和强度，也减轻了重量。发动机缸盖采用四缸一盖的块状气缸盖，此种结构可使缸心距缩小，而进排气道布置方便，水道也较简单，但是，由于块状缸盖本身长度较大，纵向刚度不足，工作时与装配时容易产生翘曲变形，为了弥补纵向刚度不足的问题，刚盖的上平面采用了盒形结构，这种结构缸盖高度增加不多，但其刚度和强度提高了。图4.2 盒形气缸盖（2）进排气道布置发动机缸盖进排气道各在缸盖的一侧，每缸一个进气道，一个排气道，都为直气道，这种气道阻力小，进排气的流速相当高，特别是近气道道喉口流速达16.7米每秒。故进排气道的几何形状、尺寸、通过截面积与粗糙度对发动机的动力性、经济性影响很大，因此铸造时应做严格要求。缸盖的排气口在发动机左侧为长方形，高27mm，宽24mm。排气口的面积为6.48平方厘米，火花塞安装在两缸排气管之间。缸盖的进气口在发动机右侧，为圆形，直径为25mm，进口面积为6.25平方厘米。4.3.3 水道布置缸盖内部为冷却水腔，冷却水从缸盖下平面燃烧室周围的环形水道进入缸盖冷却水腔，对缸盖进行冷却。在缸盖上平面两缸之间分别有四个铸造用的出砂孔，加工后用堵头堵上。缸盖的出水口在两缸进气口之间。冷却过发动机的热水从出水口出来，进入进气支管中的出水道，加热进气混合气，使之进一步气化。在经过节温器进入散热器。这种水道布置，保证受热较强的部位达到了优先冷却。因采用多球型燃烧室和直气道，使冷却水腔比较通畅。每个燃烧室四周都有从气缸体引进来的冷却水进行冷却，排气道和火花塞安装周围都设有冷却水腔。实践证明，这种冷却水腔布置是可靠的，没有发现排气门座孔与火花塞鼻梁区热烈现象，当然这也与采用导热系数好的铝合金材料分不开。4.3.4 缸盖紧固螺栓的布置缸盖紧固螺栓的布置对缸盖受力情况，对气缸孔的变形，对气缸盖密封衬垫的可靠性都有密切关系。通常在设计时应考虑：1）在可能的条件下紧固螺栓的数量应适当的多些。2）其距气缸孔边缘的距离尽可能近些；3）使各螺栓分布的载荷尽可能均匀；4）不使螺栓将缸盖拉变形；由测绘465Q发动机得到的缸盖螺栓布置方式见下图：图4.2 气缸盖螺栓布置发动机缸心距为72mm，相对65mm的缸径来说，比值为1.1是比较小的。采用四个紧固螺栓即可满足紧固的要求，螺栓锯气缸孔边缘只有17.5mm。尺寸a为80mmb为72.5mm比值为0.9接近于一个正方形婴儿刚盖受力均匀，实践证明此种螺栓的布置，密封效果较好，只要在安装时紧固螺栓按规定的螺栓拧紧度拧紧密封是可靠的。用10个M101.25的螺栓把缸盖紧压在气缸体的上平面，中间垫有组合型整体气缸垫。4.3.5 凸轮轴承座的设计与计算缸盖上部设计有隧道式凸轮轴承孔及两个摇臂轴孔，用来安装凸轮轴及进排气摇臂轴。凸轮轴从缸盖前端向后推入。根据465Q发动机的设计案例，五个轴承座孔直径自前向后分别为44.3，44.1，43.9，43.7，43.5。两个摇臂轴孔均为15mm。缸盖参数汇总如下：表4.2 缸盖参数汇总部位名称参数缸盖高度缸盖上平面宽度缸盖下平面宽度缸盖长度燃烧室容积进气门座喉口直径排气门座喉口直径排气道出口尺寸缸盖定位孔内径进排气门导管孔内径进排气导管中心夹角95mm145mm130mm327mm20.06cm25mm24mm高27mm宽24mm213mm27mm404.4 气缸垫的设计与计算气缸盖衬垫是为了保证气缸内燃烧气体的密封。气缸盖衬垫受到气缸盖紧固螺栓拧紧力的压缩，发动机工作时又受到气缸内燃气的压力与热负荷的直接作用，这些应力都将引起气缸盖衬垫的静态与动态变形，从而破坏密封的可靠性。除此之外，还受到油水的腐蚀作用。对气缸盖衬垫的设计要求是：1）在高温和高压及螺栓的紧固力的作用下具有足够的机械强度和在工作中补偿变形所需的弹性；2）对燃烧气体、汽油和冷却液要有一定的抗腐蚀能力；3）结构简单，密封可靠，成本低且有重复使用的可能性；本次微型车发动机采用四缸一垫的整体气缸盖衬垫，整个气缸盖衬垫厚度为20.1mm，该气缸垫使用中密封可靠，只要缸盖按技术要求拧紧，燃气冲破气缸衬垫的可能性极小。图4.3 气缸垫4.5 油底壳的设计与计算油底壳因基本不受力，所以采用薄壁1.4mm钢板冲压而成，此种结构重量轻，有利于散热。油底壳是主要用来存储机油，同时还具有机油散热器用和防止机油飞溅，减少氧化及清除泡沫的作用。还可以作为发动机临时存放时支撑发动机用。油底壳是用18个M6的螺栓拧紧到气缸体下平面及机油泵外体下平面，气缸体和油底壳之间有软木垫用来密封机油，防止外漏。油底壳的下面放有油螺塞，作为更换机油时放油用。油底壳内部有防止飞溅的隔板，用以控制有底壳中机油飞溅，并减少机油氧化，消除泡沫，油底壳密封垫为3mm厚的耐油软木橡胶密封垫，材料为丁青橡胶26和24软木粉压模成型4172HG6-407-66。图4.4 油底壳表4.3 油底壳参数汇总部件名称参数油底壳厚度油底壳密封垫厚度油底壳紧固螺纹1.4mm3mm12M64.6 标准件的选用与定位气缸体与气缸盖之间的连接选取10个M101.25-20的螺栓压紧。缸体上平面与缸盖之间的定位使用两个定位圈套在缸盖螺栓上定位, 定位圈直径为13mm。曲轴轴承盖与缸体之间的连接选取M101.25-20的螺栓。曲轴箱下平面用油底壳扣紧密封，使用12个M6的螺栓紧固，曲轴箱下平面距离曲轴中心线为50mm。曲轴主轴承盖和轴承座的定位是0.0080.045mm的过盈配合。缸盖螺栓孔的设计与布置采用465Q发动机的经典案例，纵向各缸紧固螺栓之间的距离取缸心距72mm，横向为80mm，72/80=0.9，接近于1，因此螺孔受力均匀。4.7 装配要求表4.4 螺栓和轴承的装配要求部位名称要求曲轴主轴承盖螺