缸體設(shè)計(jì)指南ppt課件

缸體設(shè)計(jì)指南,1,目錄,1、簡(jiǎn)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,2,5、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,3,5.2.2缸套,5.2.3框架,5.2.4主軸承蓋,4,1、簡(jiǎn)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。,5,2、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(rùn)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。,6,3、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，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(jiǎn)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(wú)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）。,7,3.2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(jiǎn)要的介紹。,8,4、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)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；,9,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(lái)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)充分考慮到整車與發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的空間布置情況。,10,4.2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)。,11,如何在設(shè)計(jì)初期來(lái)分析、測(cè)算缸體的強(qiáng)度與剛度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)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?，進(jìn)而提高缸體的強(qiáng)度與剛度。,12,4.3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。,13,4.4通風(fēng)要求,油氣的來(lái)源,缸體內(nèi)高溫潤(rùn)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)？,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；,14,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),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)減小壁厚（鑄鐵缸體壁厚的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值為5mm）、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。,15,5、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,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)比理論值稍微大一些；,緊湊的缸體結(jié)構(gòu)。,16,5.2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5mm以上；,曲軸箱內(nèi)部橫剖面圖,連桿的運(yùn)動(dòng)軌跡,17,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(lái)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)。,18,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(rùn)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(lái)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(rùn)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)。,19,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(rùn)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；,20,砂芯,砂芯構(gòu)成,水套芯、通風(fēng)回油孔芯、內(nèi)模、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)的復(fù)雜程度而定。,在砂芯設(shè)計(jì)過程中，分型線和拔模角的選擇必須保證各個(gè)芯能夠自由開模，具體數(shù)值需要根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況確定。,21,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。,22,5.2.2缸套,缸套形式,干式缸套、濕式缸套或者無(wú)缸套,缸套作用,增加缸孔的耐磨性，提高缸體的剛度和強(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。,23,5.2.3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)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)、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。,24,5.2.4主軸承蓋,主軸承蓋的功能與框架一樣，承受曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用力。,