湿式缸套设计.docx

4102发动机湿式气缸套设计 目录一、零件的工作情况与设计要求二、设计过程计划三、结构方案设计与论证四、设计参数的校核与调整五、图纸的绘制六、结论与心得七、参考文献一、 零件的工作情况与设计要求1、 工作情况a 内燃机工作时，气体温度和压力反复变化，汽缸内壁直接受高温气体压力的作用，燃烧过程，气体压力和温度都很高，而进气过程，其温度和压力都比较低，内壁温度的波动和内外壁温的变化以及气体压力的作用，是气缸承受巨大的机械负荷和热负荷；b 汽缸内壁还承受活塞队气缸的侧作用力，引起气缸镜面弯曲变形;c、 还受到冷却水的腐蚀和穴蚀2设计要求a要求有足够强度承受机械应力和热应力；b足够刚度以保证工作时不至有过大变形；c对气缸的镜面还必须要求良好的耐磨性，外表面对冷却水有一定的抗腐蚀能力。二、 设计过程计划2012年12月29日-2013年01月03日 熟悉任务，查阅资料2013年01月04日-2013年01月08日 分析计算2013年01月09日-2013年01月10日 撰写课程设计说明书2013年01月11日 课程设计答辩三、 结构方案设计与论证1、设计要求的总体分析早期的水冷式内燃机，气缸套与水套壁是铸成整体的，不用气缸套。气缸的内壁直接对活塞起导向作用，气缸的外壁则受冷却水的冷却。发动机气缸套有湿式和干式两种，直接与冷却液接触的气缸套是湿式气缸套，而不直接与冷却液接触的是干式气缸套。对于汽缸套的设计过程中，提高气缸镜面耐磨性的设计是最主要的问题，为提高镜面耐磨性，需要采用耐磨性好的材料，或者在汽缸体材料中加入某些合金元素，但由于其他部位对耐磨性的要求不高，如果整体采用合金材料或者耐磨性好的材料，大大增加制造成本，目前广泛采用在汽缸体中镶嵌入耐磨性材料制造的汽缸套，不仅成本低，而且磨损后可以更换，有利于维修。2 方案设计a结构设计湿套的壁厚应保证汽缸套有足够的强度，尤其是足够的刚度，以减小变形和振动，一般壁厚=（0.050.1）D左右，D为气缸直径；湿套以两个凸缘定位，为便于安装，下凸缘直径D2略小于上凸缘直径D3，一般D3=D1+（24）mm,D3-D2=12mm,D1为汽缸套外径；凸肩外径D4尽可能小，以保证最小中心距，为保证压紧，一般D4-D3=68mm;工作时凸肩温度很高，与气缸水套体间应留下必要的膨胀间隙1，一般1=0.30.7mm，为保证压紧密封，凸肩顶面应略高于气缸水套体顶面2，一般2=0.050.15mm,凸肩高度h1不宜过大，但也不能太薄，否则容易变形，还会影响凸肩强度；目前一般h1=510mm；汽缸套上凸缘高度h2应尽可能短一些，因为这段高度内对汽缸壁冷却较差，对第一环的传热不利，一般h2=715mm。缸套上端水封采用凸肩下加一紫铜垫片，下端水封采用2个耐热耐油的橡胶密封圈来保证；从加工和安装方便的角度出发，密封槽做在汽缸套上，此时必须注意环槽处的壁厚不能太小，一保证足够刚度和强度。此密封部位尺寸见下表。尺寸(mm)缸径(mm)dteabcD13095.261238.5缸套长度h0应保持足够长度，下止点时活塞裙部只能露出510mm，以保证导向，但是缸套下沿不能与连杆轨迹发生干涉。b材料材料简介气缸套的材料，除了必须具有足够的机械强度和热度之外，还必须有很好的耐磨性、耐腐蚀性、保油性和润滑性，而其中最主要的是耐磨性。目前，气缸套常用的材料有球墨铸铁、高磷铸铁和合金铸铁。以下是它们的简介： 球墨铸铁 球墨铸铁具有致密强韧的珠光体基体和球状分布的石墨，强度比普通铸铁高一倍；抗穴蚀性和耐磨性也都是比普通铸铁好。但是由于球化石墨表面积较小，其保油性比石墨片状分布的普通铸铁差，在润滑条件不良时，容易出现局部干摩擦而导致“拉缸”。为获得较好的润滑条件，希望石墨球粒的尺寸越小越好。球墨铸铁气缸套经过适当的研磨和热处理，可以得到良好的研磨表面。球墨铸铁的缺点是铸造工艺比普通铸铁复杂，成本较高。 高磷铸铁 一般铸铁中添加磷的成分达到0.30.8% 时称为高磷铸铁，磷在铸铁中形成网分布的三元共晶体，从而提高硬度而获得良好的耐磨性。其耐磨性与球墨铸铁气缸套相接近，但工艺性比球模型铸铁好，省工时，而且磷还可以改变耐腐蚀性能。高磷铸铁的缺点是：由于含磷量增多，材质变脆，而且容易产生缩孔，造成废品。 合金铸铁 在铸铁中添加镍、铬、铜等合金元素后得到的各种合金铸铁。添加合金元素可以使材料组织均匀，珠光体致密，或促进高硬度的碳化物形成，进一步提高强度、耐磨性和耐腐蚀性。合金铸铁缺点是要消耗贵重金属，熔炼铸造工艺复杂，加工较困难，成本也高。 此外，制造气缸套材料还有：含硼铸铁、稀土钙铸铁、钛钒铸铁、磷钒铸铁以及奥式铸铁等。在一些强化的内燃机中，还采用氮化钢来制造气缸套。因为氮化钢的耐热性和耐腐蚀性都很好。在500时，氮化层的硬度下降很少，可以保证在工作温度下的耐磨性。 为了提高耐磨性、耐腐蚀性，还可以采用镀铬、淬硬、喷镀金属钼或其它耐磨性合金等表面的处理的方法。气缸套的材料和表面处理方法，要根据内燃机的具体用途、强化程度、使用寿命和制造成本等要求来选择。例如在使用中以磨料磨损为主的拖拉机、工程机械的内燃机气缸套，多数采用球墨铸铁、高磷铸铁或者合金铸铁等来制造；对于使用中以磨料磨损为主，同时又兼有腐蚀磨损的农用内燃机的气缸套，有时采用奥式铸铁；而磨料磨损比较严重，同时产生熔着磨损倾向又较大的车用强化内燃机，特别是坦克内燃机的气缸套则多采用钢来制造，并对其镜面氮化或镀铬。材料选择缸套一活塞作为一副密封副, 工作条件恶劣, 因此缸套是主要易损件, 选用一种具有较高韧性、抗蚀性和耐磨性的材料作为缸套材质十分必要。目前, 我国现用缸套材质大多选用高铬抗磨铸铁。c 加工工艺加工工艺流程 缸桶: 下料 -粗车 -热处理(调质)-车(平头倒角)-粗推内孔-滚压内孔-车(外圆开架窝)-车内孔止口 -焊缸底-车(外圆) 根据需要还有内部镀锌或者镀烙四、 设计参数的校核与调整1 、已知参数 机型类型选择：直列发动机；发动机缸数：4；标定功率转速：2800rmin；气缸直径（mm）：102；曲柄半径（mm）：57；连杆长度（mm）：194；缸心距（mm）：118；活塞高度（mm）：112；活塞销到活塞顶面高度（mm）：77；活塞组质量（kg）:1.74;连杆往复运动质量（kg）：0.82；连杆旋转运动质量（kg）：1.65；曲轴旋 转运动质量（kg）：8.12；发动机发火顺序：1-3-4-2；缸内燃气压力见示功图二2 根据已知参数和设计要求，参照第三步中总体分析可进行如下计算确定各个参数。气缸直径D=102mm湿套壁厚 =0.0450.085D=4.598.67,取=6.00mm气缸套直径D1=D+2*=102+2*6=144mm上凸缘直径D3=D1+(24)mm=116118mm 取D3=116mm下凸缘直径D2=D3-(12)mm=116-(12)mm 取D2=115mm凸肩外径D4=D3+68mm=122124mm 取D4=124mm膨胀间隙1，一般1=0.30.7mm，取1=0.5mm凸肩顶面应略高于气缸水套体顶面2，一般2=0.050.15mm,取2=0.1mm；凸肩高度h1不宜过大，目前一般h1=510mm；取h1=8mm；汽缸套上凸缘高度h2应尽可能短一些，一般h2=715mm，取h2=14mm；已知曲柄半径R=57mm，活塞高度H3=112mm，行程H=2*R=114mm；缸套长度h0应保持足够长度，下止点时活塞裙部只能露出H4=510mm，取H4=10mm，则缸套长度 h0=行程H+活塞高度H3-下止点时露出活塞裙部高度H4 即h0=114+112-10=216mm。3 、数学模型的建立与化简（数学模型的简化，载荷边界的求取）A、利用Pro-E实体绘图软件，根据上述数据绘制出其实体结构，基本绘制过程如下： （1）、根据上述各数据，确定绘制特征及整图的最佳绘图方案。通过缸套结构特点，用旋转特征即可； （2）、打开PRO-E，新建零件文件，进入零件设计模式；（3）、旋转特征中设定的各项参数如下图2.1所示 参数设置 （3）、绘制如下截面； 草绘截面（5）、单击完成特征按钮，完成旋转特征。得到如下实体模型，如图2.3所示：缸套实体图 （6）、保存文件。 至此，用Pro-E绘制气缸套实体图的工作就完成了。B 载荷边界的求取通常边界条件可以分为三种： 第一类边界条件：给定导热体各边界上的温度分布； 第二类边界条件：给定导热体各边界上的热流密度； 第三类边界条件：给定流体温度t和对流换热系数，对于本研究的气缸套来说，其周围的介质是高温燃气和冷却水。 对于湿式气缸套,热量先由高温燃气通过对流和辐射传给气缸壁内侧表面,由于气缸壁的内侧表面以导热方式传给气缸壁的外侧表面,最后通过冷却水的对流把气缸壁的外侧表面的热量带走。为了简化分析过程,主要考虑热对流作用,热辐射的影响也计入对流换热之中。 因此，气缸套燃气侧、冷却水侧及机架侧采用第三类边界条件，缸套下部用的是第一类边界条件。2 结构刚强度的计算与评估汽缸套承受着由气体作用力，活塞侧压力以及热负荷所引起的应力。最大燃烧压力Pmax是最危险的负荷，它使沿气缸的母线以及环形截面上产生拉伸应力，其大小可按下面近似公式计算：p=Pmax*D/(2*)其中Pmax是最大燃烧压力；单位MP；D为气缸直径，单位mm；为汽缸套壁厚，单位mm；铸铁汽缸套的允许应力p在3060MP范围内，钢质汽缸套在80120MP范围；查表2已只Pmax=13.44MP，缸径D=102mm，汽缸套壁厚=6mm，将以上数据带入计算p=Pmax*D/(2*)=13.44*102/（2*6）=114MP,已经远大于铸铁汽缸套的允许应力，不能直接使用。改进方案如下：第一， 加大汽缸套壁厚；第二， 换用钢材料；在此换用钢材料并适当再加大壁厚，取=8mm，则有p =Pmax*D/(2*)=13.44*102/（2*8）=85.68MP，此拉伸应力在钢质汽缸套的允许应力范围内，满足要求。侧压力使承载式汽缸套产生弯曲应力，作用在活塞销中心位置的Nmax引起的弯矩为M=Nmax*a*b/（a+b）其中Nmax由动力计算确定的最大侧应力，单位MP；a为活塞销中心到上支承面中心的距离，单位mm；b为活塞销中心到下支承面中心的距离，单位mm；活塞销处总作用力P=Pg+Pj,其中Pg为气体作用力，Pj为往复惯性力；Pg=* D2*(P-P0)/4=3.14x1022x（13.44-0.1）/4=117116.788N其中P为缸内气体压力；P0为大气压力，一般取0.1MP;D为缸径；Pj=-mjRw2（cosa+*cos2*a）；mj=m1+m2=1.74+0.82=2.56KG;其中mj为活塞销中心作往复运动的质量；m1为活塞组质量1.74KG；m2为连杆小头代替质量0.82 KG ；a为对应最大压力时的曲柄转角，R为曲柄半径，w为角速度，w=n/30 rad/s，已知n=2800r/min，w=3.14x2800/30=293.1 rad/s， 为连杆比，=R/L=57/194=0.291;则Pj=-2.56x0.057x293.12（0.98+0.291x0.92）=-15633.8N则最大侧压力Nmax=Ptan；k=1-2sin2aSin=sina，cos=k，则tan=sin/ cos；sina=sin3720=0.98,sin2a=sin7440=0.92Sin=sina=0.291x.98=0.2852,k=1-2sin2a=1-0.2912xsin23720=0.996 , cos=k=0.998tan=sin/ cos=0.2852/0.998=0.286;Nmax=Ptan=( Pg+Pj) tan=(117116.788-15633.8)x0.286=27924.5N=0.028MN由于转过的角度较小，且刚从上止点开始向下运动的速度小，所以简化为活塞在上止点即可，已知活塞销到活塞顶高度h、=77mm，则a= h、-h1-（h2-h1）/2=77-8-（14-8）/2=66mm=0.066m；b=0.7h0- h、+（c+b+c+b+c）/2=0.7x216-77+（6+2+6+2+6）/2=85.2mm=0.0852m；M= Nmaxab/（a+b）=0.028x0.066x0.0852/（0.066+0.0852）=1.04x10-3MN*m；W为汽缸套横截面的截面系数，单位m3, W=3.14x(D14-D4)/ (16xD1)其中D1为汽缸套外径，D1=118mm ，D为缸径，D=102mm；则W=3.14x(D14-D4)/ (16xD1)=3.14x（0.1184-0.1024）/(0.118x16)=1.43x10-4m3；弯曲应力w=M/W=1.04x10-3MN*m /1.43x10-4m3=7.27MP;则拉伸弯曲的复合应力为总=p+w ，对于钢质材料该数值不该超过110MP,验证总=p+w=85.68+7.27=92.95MP110MP,故强度满足。内燃机工作时，汽缸套内外壁之间有很大温差，产生的热应力为t=E/2*(1-)其中E为材料弹性模量，单位MP，钢E=1.0x105MP；为线胀系数，钢的=11x10-6；为温差，据试验资料汽缸套上部表面，一般在100150摄氏之间；取=1400C为泊松比，钢=0.250.33，,取=0.3，分别将其带入公式t=E/2*(1-)得t=1.0x10511x10-6140/2*(1-0.3)=110MP；汽缸套外表面的拉伸应力取正号，内表面的压缩应力取负号，汽缸套外表面上由气体压力和温差造成的复合应力为1=t+p=110+85.68=195.68MP内表面复合应力2=p-t=85.68-110=-24.32MP对于复合应力1，钢质汽缸套不应超过180200MP即可，故设计满足要求。根据以上校核，重新优化结构尺寸如下：气缸直径D=102mm湿套壁厚 =0.0450.085D=4.598.67,取=8.00mm气缸套直径D1=D+2*=102+2*8=118mm上凸缘直径D3=D1+(24)mm=120122mm 取D3=122mm下凸缘直径D2=D3-(12)mm=122-(12)mm 取D2=120mm凸肩外径D4=D3+68mm=128130mm 取D4=130mm膨胀间隙1，一般1=0.30.7mm，取1=0.5mm凸肩顶面应略高于气缸水套体顶面2，一般2=0.050.15mm,取2=0.1mm；凸肩高度h1不宜过大，目前一般h1=510mm；取h1=8mm；汽缸套上凸缘高度h2应尽可能短一些，一般h2=715mm，取h2=14mm；已知曲柄半径R=57mm，活塞高度H3=112mm，行程H=2*R=114mm；缸套长度h0应保持足够长度，下止点时活塞裙部只能露出H4=510mm，取H4=10mm，则缸套长度 h0=行程H+活塞高度H3-下止点时露出活塞裙部高度H4 即h0=114+112-10=216mm。故最终结构参数如下：气缸直径D=102mm 湿套壁厚=8.00mm气缸套直径D1=118mm 上凸缘直径D3=122mm下凸缘直径D2=120mm 凸肩外径D4=130mm膨胀间隙1=0.5mm 凸