缸体设计指南.ppt

1 缸体设计指南 2 目录 1 简述 2 功能 3 结构 4 设计要点 3 1结构形式 3 2主要零件 4 1整机布置 4 2结构强度和刚度 4 3冷却问题 4 4通风要求 4 5减轻重量 3 5 设计步骤 5 1结构参数的确定 5 2主要零部件设计 5 2 1气缸体 曲轴箱 水套 油路 回油和通风 砂芯 轮系的布置 4 5 2 2缸套 5 2 3框架 5 2 4主轴承盖 5 1 简述 就目前公司对商用车的发展规划 结合商用车搭载柴油发动机的设计开发趋势 编写此缸体设计指南 本指南主要涉及 商用车搭载的柴油发动机缸体的功能 结构 工艺 材料 设计要点 设计步骤等诸多方面 并对缸体设计所引用的设计标准 基本参数的选用以及缸体所需进行的实验 检测等进行规范 描述 从而统一商用车柴油发动机的设计和开发工作 6 2 功能 缸体是发动机的外壳与骨架 缸体的内部与外部布置安装了发动机基本上所有主要零部件 缸体内部安装布置有 润滑油道 冷却水腔 曲柄连杆机构等 外部安装布置有 气缸盖总成 齿轮室 或链轮室 飞轮壳 或变速箱总成 机油冷却与滤清器 油底壳 机油收集器附件驱动轮系 悬置支架等零部件 7 3 结构 3 1结构形式 缸体结构一般分为 平分式曲轴中心线和缸体底平面在同一平面上 龙门式曲轴中心线与缸体底平面不在同一平面上 隧道式曲轴中心孔完全置于缸体内部 就结构强度而言 隧道式最佳 龙门式次之 平分式最差 就结构形式而言 平分式最简单 龙门式次之 隧道是最复杂 商用车用柴油机的热负荷重 机械负荷重 并且工作运行环境较恶劣 因此商用车用柴油机缸体材料基本都是使用铸铁 设计上采用闭式水套结构 采用干式缸套或者湿式缸套 也有无缸套结构 如我们部门开发的第一款柴油机496A缸体 8 3 2主要零件 截止目前 我们部门开发并进入试制阶段的仅有496A型发动机 因此 在缸体主要零件部分仅就496A缸体进行简要的介绍 9 4 设计要点 4 1整机布置 整机布置大致概括为 发动机在整车上的布置 缸体上零部件的布置 发动机在整车上的布置 由于发动机运转时产生振动 要求发动机上的缸体等零部件与整车机舱内部各零部件之间必须保证有一定的间隙 设计经验值基本上为前后间隙25mm 上下间隙25mm 左右间隙19mm 缸体上零部件的布置 缸体内部 曲柄连杆机构等运动件与缸体之间最小间隙应保持在5mm以上 10 缸体外部 高压燃油泵 空调压缩机 动力转向泵 起动机 发电机等外围附件与缸体之间也应该保持一定的合理间隙 发动机悬置支架一般都固定在缸体上 因此必须在缸体上保证足够的外部空间来设计悬置支架的螺栓与定位用搭子 结合以上几方面条件约束 在缸体的布置设计阶段 应充分考虑到整车与发动机各零部件的空间布置情况 11 4 2结构强度与刚度 柴油发动机的燃烧爆发压力高 决定了缸体受力情况较为复杂 缸体拥有足够的强度和刚度 以保证缸体的几何形状 缸体与各零部件之间正确的配合关系 这显得尤为重要 缸体强度弱造成缸体过早形成裂纹 损坏 缸体刚度弱导致各受力部位产生变形 进而破坏各零部件间的合理的配合关系 加速零部件损坏 将低发动机性能 甚至损坏发动机 12 如何在设计初期来分析 测算缸体的强度与刚度尽量避免上述情况的发生呢 合理借鉴设计经验值 成熟的经验帮助设计工作少走弯路 并且能够提高设计开发效率 对设计完成的缸体模型进行有限元分析 针对薄弱部位做出适当的修正 进而提高缸体的强度与刚度 13 4 3冷却问题 柴油机的热负荷比汽油机高 保证流向各个气缸的冷却水量与水温均匀一致十分必要 因此 设计出合理 高效的缸体水套是解决发动机冷却问题的先决条件 循环冷却水既要带走缸孔 或者缸套 内壁上的热量 又要保证不因过度冷却将低工质燃烧产生的热量 水套内不应该存在滞留水或水蒸气的死区 因此在有潜在产生这种死区的区域增加设计水孔通向缸盖 水套的设计也可以通过对设计模型进行换热系数 流速的分析 修正优化设计结构 改善缸体的冷却效果 14 4 4通风要求 油气的来源 缸体内高温润滑油产生蒸汽 燃烧室内部高温高压燃气 从活塞环口少量串入曲轴箱内部 为何要做通风结构设计 串入曲轴箱内部的油气使得内部压力升高 失去与外界环境的压力平衡 压力失衡后油气外泄入大气 甚至会带出机油 严重时会影响发动机正常工作 15 通风回油结构设计要点 曲轴箱内压力要低于环境压力约25mbar左右 回油通道避开温度较高的排气侧 尽量设计在进气侧 通风管路将油气引入进气管路至燃烧室内烧掉 4 5减轻重量 整车轻量化的设计趋势 商用车柴油发动机的缸体材料是采用强度高 铸造性能好 成本低的铸铁 缸体的重量占整机重量的比例较大 约为40 左右 合理缸体结构 充分利用金属材料抗变形能力 保证刚度的前提下适当减小壁厚 铸铁缸体壁厚的经验数值为5mm 减小缸体外形尺寸等措施 都是减轻缸体乃至整机重量的有效手段 16 5 设计步骤 5 1结构参数的确定 缸体形式 缸数 冲程 缸径 缸心距 鼻梁区 商用柴油机设计倾向 大缸径小冲程冲程缸径比一般为0 92 1 08之间 产品进行系列化生产考虑后续对缸体进行扩缸提供可能 鼻梁区设计比理论值稍微大一些 紧凑的缸体结构 17 5 2主要零部件设计 5 2 1气缸体 曲轴箱 曲轴箱结构设计 一个重要影响因素就是连杆的整个运动轨迹 即连杆的包络线 曲轴箱内壁与连杆包络线间隙的设计经验值在5mm以上 曲轴箱内部横剖面图 连杆的运动轨迹 18 水套 水套形式开式 闭式 水套设计要求 1 活塞处于上止点时 第一道活塞环处必须有水套进行冷却 2 闭式水套不利于开模 常增加清砂孔 两缸间也应有水套存在 3 闭式水套不利于开模 常增加清砂孔 两缸间也应有水套存在 目前主流的设计思路 两缸之间加工斜水孔来代替常规意义上的水套 4 水泵一般设计在缸体前端 水流从水泵首先进入缸体 经缸体顶面水孔流入缸盖 实现对整机冷却 商用柴油机热负荷 机械负荷均较大 结构强度与刚度又大 基本上都采用闭式水套结构 19 油路 油路功能 为缸孔 主轴承孔 摇臂轴 摇臂 增压器 发电机真空泵等需要润滑的零部件提供高压油通道 根据实际设计布置的需要 有时会在主油道以外 增加设计一个副油道来满足供油需求 油路布置 1 机油泵一般设计布置缸体上 由曲轴前端直接驱动 2 为避免机油温度过高影响润滑效果 主油道和机油滤清器通常布置在缸体的进气侧 20 回油和通风 通风回油的重要性 1 让输送到缸盖上的润滑油回流到油底壳 2 保持缸体内部与外界环境的压力平衡 21 砂芯 砂芯构成 水套芯 通风回油孔芯 内模 外模等部分 构成需要根据实际生产浇注的方法 制造工艺以及所开发产品结构的复杂程度而定 在砂芯设计过程中 分型线和拔模角的选择必须保证各个芯能够自由开模 具体数值需要根据实际设计情况确定 22 轮系的布置 匹配整车的需要 变速箱布置在缸体的后端 方便动力输出 整机驱动的需要 各零部件的空间布置 确保相互之间有一定的合理间隙存在 23 5 2 2缸套 缸套形式 干式缸套 湿式缸套或者无缸套 缸套作用 增加缸孔的耐磨性 提高缸体的刚度和强度 材料与结构 材料一般为灰铁 薄壁缸套为钢质 壁厚必需大于2mm 缸套高度一般为冲程的1 5倍 24 5 2 3框架 框架的设计需求 缸体结构尺寸较大 龙门式结构的缸体 不采用框架结构 1 尺寸大的框架 加工过程中的平面度是制约加工质量的重要因素 故不易采用框架结构 2 龙门式缸体本身的结构决定了不采用框架 框架上需要安装主轴承盖螺栓及框架螺栓 框架设计要保证缸体的强度和刚度 而且要在结构上充分考虑减轻整机重量 框架做为缸体的一部分 结构设计 功能等方面都需要在缸体设计开发过程中考虑 其模型的分析也将同缸体一起进行 25 5 2 4主轴承盖 主轴承盖的功能与框架一样 承受曲柄连杆机构的作