第10章 机体、缸盖和缸套-学生

1、第十章第十章机体、缸盖、缸套机体、缸盖、缸套第一部分：机体第一部分：机体机体的总体结构（机体的总体结构（1 1）整体式机体：整体式机体： 吊挂式曲轴：最常见吊挂式曲轴：最常见 带机座的机体：潍柴带机座的机体：潍柴R6160R6160分开式的机体分开式的机体 风冷发动机，建筑机械、通机、摩托车风冷发动机，建筑机械、通机、摩托车部位名称：部位名称： 气缸体、曲轴箱气缸体、曲轴箱(裙部）、油底壳裙部）、油底壳 主轴承隔板、油底壳法兰、主轴承座、水套、主轴承隔板、油底壳法兰、主轴承座、水套、 水套、油道水套、油道机体的工作条件机体的工作条件力：力： 气体力气体力-缸盖缸盖-缸盖螺栓缸盖螺栓-机体顶面机

2、体顶面 气体力气体力+ +惯性力惯性力-活塞活塞-连杆连杆-曲轴曲轴-主轴承盖主轴承盖-主轴承主轴承螺栓螺栓-机体机体 活塞侧击力活塞侧击力-缸套缸套-机体机体-（机体倾覆力矩）（机体倾覆力矩） 缸盖螺栓、主轴承螺栓预紧力缸盖螺栓、主轴承螺栓预紧力热：热： 缸套缸套-机体冷却水套机体冷却水套磨损：磨损： 缸套和活塞组的润滑缸套和活塞组的润滑 机体刚度（机体刚度（1 1）1 1、整体刚度：主轴承隔板分割，壁厚、整体刚度：主轴承隔板分割，壁厚5mm -3mm5mm -3mm，缸孔变形，缸孔变形2 2、顶面刚度：密封（封闭式、顶面刚度：密封（封闭式 or or 开放式）开放式）3 3、气缸体刚度：缸

3、盖螺栓、主轴承螺栓力传递途径加强筋、气缸体刚度：缸盖螺栓、主轴承螺栓力传递途径加强筋4 4、主轴承隔板刚度：加强筋影响力的传递路径，主轴承孔变形、主轴承隔板刚度：加强筋影响力的传递路径，主轴承孔变形 机体刚度（机体刚度（2 2）5 5、曲轴箱刚度：龙门式（深裙式）、短裙式、曲轴箱刚度：龙门式（深裙式）、短裙式 、隧道式、隧道式6 6、主轴承盖刚度、主轴承盖刚度 螺栓数目螺栓数目 整体主轴承盖整体主轴承盖 机体刚度（机体刚度（3 3）7 7、阶梯式机体（多用于铝、阶梯式机体（多用于铝 合金机体，增加刚度）合金机体，增加刚度）8 8、其他加强刚度措施、其他加强刚度措施 机体加强台板（机体加强台板（

4、bedplatebedplate） 减少机体附加弯矩减少机体附加弯矩 （同向力尽量共线或靠近）（同向力尽量共线或靠近）机体的振动与噪声（机体的振动与噪声（1 1）主轴承盖形式主轴承盖形式 机体的振动与噪声（机体的振动与噪声（2 2）主轴承盖形式主轴承盖形式 机体的强度机体的强度材料力学分析与弹性力学（有限元分析）材料力学分析与弹性力学（有限元分析）-获得应力状态获得应力状态 1 1、受力、受力 2 2、力的施加、力的施加 3 3、约束、约束疲劳强度安全系数疲劳强度安全系数机体冷却与润滑机体冷却与润滑冷却系统冷却系统 润滑系统润滑系统机体重量与尺寸（机体重量与尺寸（1 1）材料：灰铁、铝合金材料

5、：灰铁、铝合金( (轻、刚度差）、镁合金（小件）轻、刚度差）、镁合金（小件）机体重量：轻量化。紧凑性、机体材料机体重量：轻量化。紧凑性、机体材料 （薄壁（薄壁3-5mm+3-5mm+加强筋）加强筋）机体尺寸机体尺寸 宽度：曲轴箱宽度取决于连杆大头运动轨迹宽度：曲轴箱宽度取决于连杆大头运动轨迹 高度：曲轴中心到顶面高度：曲轴中心到顶面( (曲柄半径曲柄半径+ +连杆长连杆长+ +活塞压缩高）活塞压缩高） 长度长度: :缸心距（干缸套缸心距（干缸套 or or 湿缸套、曲轴）湿缸套、曲轴）机体重量与尺寸（机体重量与尺寸（2 2）密封机油密封机油 曲轴两端（前端：齿轮室甩油盘曲轴两端（前端：齿轮室甩

6、油盘+ +油封，后端：甩油盘油封，后端：甩油盘+ +油封）油封） 油底壳法兰：纸垫、胶垫油底壳法兰：纸垫、胶垫油底壳：冲压钢板、铝合金油底壳：冲压钢板、铝合金 、机体底座兼油底壳、机体底座兼油底壳凸轮轴孔位置：凸轮轴孔位置： 位于机体：距离曲轴近，传动方便，成本低，但不适于高速位于机体：距离曲轴近，传动方便，成本低，但不适于高速 顶置凸轮轴：适用于高速顶置凸轮轴：适用于高速 齿轮传动、链条传动、齿形带传动齿轮传动、链条传动、齿形带传动 第二部分：缸盖第二部分：缸盖缸盖实例缸盖实例进气道、排气道、喷油器（火花塞）、电热塞、水孔、油孔、进气道、排气道、喷油器（火花塞）、电热塞、水孔、油孔、螺栓孔、

7、挺杆孔螺栓孔、挺杆孔燃烧室形式燃烧室形式柴油机分开式燃烧室（涡流、预燃）直喷柴油机燃烧室柴油机分开式燃烧室（涡流、预燃）直喷柴油机燃烧室汽油机燃烧室（楔形、顶棚）汽油机燃烧室（楔形、顶棚）缸盖综述缸盖综述-工作条件工作条件-力：交变气体力（高周）、静态压紧载荷（缸盖螺栓与机体缸垫）力：交变气体力（高周）、静态压紧载荷（缸盖螺栓与机体缸垫）高温：热应力、高温蠕变、工况变化引起低周热疲劳高温：热应力、高温蠕变、工况变化引起低周热疲劳 - -设计要求设计要求-功能方面：功能方面：足够刚度：防止挠曲、密封（烧缸垫）足够刚度：防止挠曲、密封（烧缸垫）足够的强度：机械应力足够的强度：机械应力+ +热应力热

8、应力+ +工况变化导致的低周热疲劳工况变化导致的低周热疲劳良好的散热良好的散热-材料材料-灰铁、合金铸铁（柴油机、汽油机）、铝合金（汽油机）灰铁、合金铸铁（柴油机、汽油机）、铝合金（汽油机） 缸盖的应力状态缸盖的应力状态应变片电测应力（液压油模拟气体力）应变片电测应力（液压油模拟气体力）FEAFEA分析分析缸盖的鼻梁区热裂纹缸盖的鼻梁区热裂纹1、火力面和冷却面温差引起热应力2、进气口空气冷却，排气口燃气冲刷，热应力3、车用发动机负荷频繁，热负荷变化引起的热疲劳4、过热引起塑性变形，冷却后形成残余拉应力缸盖的冷却缸盖的冷却1、冷却水从机体流入缸盖2、优先冷却鼻梁区（参见三维图和前页图）3、鼻梁区

9、水道宽度（不能太窄，防止铸造缺陷）4、防止冷却死区气泡（冷却液可达120度），自动清除气体5、冷却液流速适当（水套宽度大不一定冷却好）发动机热冲击试验规范发动机热冲击试验规范汽车最大总质量耐久试验规范（在A发动机上进行）冷热冲击试验（在B发动机进行）交变负荷混合负荷全速全负荷3吨以下400-2003吨以上，12吨以下-1000-30012吨以上-1000500*乘用车和商务车的发动机均按本表分类工况序号转速负荷冷却水出水温度工况时间（秒）1(热)标定转速np油门全开*1052或1132*tp2怠速ni0自然上升15300自然上升154（冷）最大功率转速np或高怠速转速nhi0下降至38360-

10、tp-15-15*散热器盖绝对压力150kPa放气时冷却水出水温度为1052，190kPa放气时为1132*tp为发动机自行加热至规定出水温度所需要的时间进排气道的布置进排气道的布置1 1、进气道产生的涡流与滚流（、进气道产生的涡流与滚流（swirl & tumbleswirl & tumble）GDIGDI活塞活塞2 2、柴油机与汽油机进排气道布置、柴油机与汽油机进排气道布置 柴油机进气和进气分开，减小对新鲜空气加热柴油机进气和进气分开，减小对新鲜空气加热 汽油机进排气同侧布置，加热进气，汽油蒸发汽油机进排气同侧布置，加热进气，汽油蒸发3 3、汽油机与柴油机的进气脉冲与排气脉

11、冲的利用（不讲）、汽油机与柴油机的进气脉冲与排气脉冲的利用（不讲）缸盖的结构形式缸盖的结构形式1 1、整体式、整体式 or or 分开式分开式 整机一缸盖：小缸径（整机一缸盖：小缸径（130130）、紧凑、刚度差、密封面）、紧凑、刚度差、密封面 1 1缸、缸、2 2缸或缸或3 3缸共用一盖：刚度大，缸心距大（缸共用一盖：刚度大，缸心距大（R160R160） 第三部分：缸套第三部分：缸套缸套的工作条件缸套的工作条件1 1、燃烧室气体压力、压紧载荷（减小缸套的变形）、活塞敲击、燃烧室气体压力、压紧载荷（减小缸套的变形）、活塞敲击2 2、燃烧室高温：（缸套的温度场）、燃烧室高温：（缸套的温度场）3

12、3、活塞（环）组的磨损、活塞（环）组的磨损 ：（缸套的润滑和表面处理）：（缸套的润滑和表面处理） 缸套磨损量达到：缸套磨损量达到：0.25-0.5mm0.25-0.5mm大修，镗缸孔，大修，镗缸孔， 缸套的结构形式缸套的结构形式1 1、湿缸套：冷却好，更换方便。大缸径（、湿缸套：冷却好，更换方便。大缸径（D135D135）2 2、干缸套：刚度大，散热差，加工精度高（、干缸套：刚度大，散热差，加工精度高（D3000)D3000)3 3、无缸套：成本低，结构紧凑，不能更换、无缸套：成本低，结构紧凑，不能更换 过去低速机：低速磨损小过去低速机：低速磨损小 现小汽车用汽油机现小汽车用汽油机湿缸套湿缸套

13、1 1、灰铁、合金铸铁、灰铁、合金铸铁 2 2、大缸径、大缸径D135mmD135mm，冷却好，更换方便，刚度差，冷却好，更换方便，刚度差 3 3、轴向定位、周向定位、密封水、密封燃气、轴向定位、周向定位、密封水、密封燃气3 3、干缸套干缸套 1 1、 小型高速机，小型高速机，D3000 rpmD3000 rpm 2 2、合金铸铁、合金铸铁2-3mm2-3mm，压入铸铁缸套，压入铸铁缸套 3 3、灰铁（、灰铁（GrayCastIronGrayCastIron）缸套铸入铝合金机体）缸套铸入铝合金机体 4 4、铝合金缸套压入铝合金机体、铝合金缸套压入铝合金机体无缸套无缸套 1 1、过去低速机，活塞

14、平均速度小、过去低速机，活塞平均速度小 2 2、汽油机：结构紧凑，加工简单、汽油机：结构紧凑，加工简单 3 3、采用耐磨合金铸铁机体或者铝合金机体，缸孔镀多孔性铬、采用耐磨合金铸铁机体或者铝合金机体，缸孔镀多孔性铬 气缸垫气缸垫 1 1、功能、功能 密封燃气、水、机油密封燃气、水、机油 2 2、工作条件、工作条件 高压气体、压紧载荷、高温高压气体、压紧载荷、高温 3 3、要求、要求 不烧损、有一定弹性、不烧损、有一定弹性、 可重复使用可重复使用4 4、结构形式、结构形式 铜皮铜皮+ +石棉、多层钢片组合、铝垫石棉、多层钢片组合、铝垫 高增压发动机双气缸垫高增压发动机双气缸垫机体、缸盖、缸套的连

15、接处（机体、缸盖、缸套的连接处（1 1） 1 1、机体、缸套、缸盖、缸垫连接处是最有挑战性设计部位之一、机体、缸套、缸盖、缸垫连接处是最有挑战性设计部位之一 密封燃气、水、机油，气体力、热负荷对压紧载荷的影响密封燃气、水、机油，气体力、热负荷对压紧载荷的影响 2 2、缸盖螺栓的总预紧力为、缸盖螺栓的总预紧力为2.6-3.22.6-3.2倍气缸最高爆发压力倍气缸最高爆发压力 3 3、缸盖螺栓受热伸长引起压紧载荷变化，长缸盖螺栓（柔性螺栓）、缸盖螺栓受热伸长引起压紧载荷变化，长缸盖螺栓（柔性螺栓） 单位长度变化引起的载荷变化小，适用于热负荷变化。单位长度变化引起的载荷变化小，适用于热负荷变化。 4

16、 4、气体力使得缸盖螺栓伸长，压紧载荷减小，长缸盖螺栓在单位、气体力使得缸盖螺栓伸长，压紧载荷减小，长缸盖螺栓在单位拉力下伸长量大，压紧载荷减少大，和热负荷变化影响相矛盾，拉力下伸长量大，压紧载荷减少大，和热负荷变化影响相矛盾，要综合考虑。（潍柴柔性缸盖螺栓）要综合考虑。（潍柴柔性缸盖螺栓）5 5、湿缸套定位位置对压紧载荷的影响。（参见后面图）、湿缸套定位位置对压紧载荷的影响。（参见后面图）机体、缸盖、缸套的连接处（机体、缸盖、缸套的连接处（2 2） 6 6、压紧载荷分布的测量：压感膜、带应变的缸垫、压紧载荷分布的测量：压感膜、带应变的缸垫 拧紧力矩和螺栓载荷关联性差拧紧力矩和螺栓载荷关联性差

17、7 7、该连接处疲劳寿命分析、该连接处疲劳寿命分析 液压脉动疲劳试验（难考虑温度）液压脉动疲劳试验（难考虑温度） FEA FEA分析困难（边界条件困难）分析困难（边界条件困难） 8 8、连接处热负荷引起的应力、连接处热负荷引起的应力 缸盖中央温度高，外周温度低，产生压应力缸盖中央温度高，外周温度低，产生压应力 缸盖热膨胀大，机体顶面热膨胀小，产生拉、压应力缸盖热膨胀大，机体顶面热膨胀小，产生拉、压应力缸套的失效形式缸套的失效形式 1 1、缸套凸肩处裂纹：减少附加弯矩、缸套凸肩处裂纹：减少附加弯矩 2 2、缸套的磨损：（包括拉缸）、缸套的磨损：（包括拉缸） 3 3、湿缸套的穴蚀、湿缸套的穴蚀缸套

18、的磨损缸套的磨损1 1、摩擦磨损（磨料磨损）：进气、机油杂质、摩擦磨损（磨料磨损）：进气、机油杂质2 2、腐蚀磨损：（亚）硫酸、腐蚀磨损：（亚）硫酸+ +水汽，一般不严重水汽，一般不严重 上止点第一环对应处油膜覆盖不足、高温、磨损大上止点第一环对应处油膜覆盖不足、高温、磨损大 低温启动水汽凝结，形成酸低温启动水汽凝结，形成酸 汽油机进气口对面缸套机油膜被冲刷汽油机进气口对面缸套机油膜被冲刷 缸套温度要高于缸套温度要高于100100，防止水汽凝结（冷却水温不过低），防止水汽凝结（冷却水温不过低） 3 3、粘着磨损：拉伤、拉缸、咬缸，高温微焊，防止、粘着磨损：拉伤、拉缸、咬缸，高温微焊，防止 活塞上止点处高温、润滑差、活塞速度低（油膜薄）活塞上止点处高温、润滑差、活塞速度低（油膜薄）4 4、减少拉伤的措施、减少拉伤的措施 a a、活塞与缸套配合，减少缸套变形（螺栓拧紧）、活塞与缸套配合，减少缸套变形（螺栓拧紧） b b、良好润、良好润滑滑 c c、表面镀铬、氮化处理、表面镀铬、氮化处理 d d、粗糙度纹理、粗糙度纹理 缸套的磨损缸套的磨损 1 1、缸套的绗磨纹理、缸套的绗磨纹理缸套的变形