气缸体设计说明书

PAGE35479Q汽油机气缸体总成设计摘要主要阐述了汽油机缸体各部分设计的要求、方法及其在479气缸体设计中的应用。对缸体重要表面的尺寸、几何形状、相互位置提出了严格的公差要求。在结构设计中通过采用龙门式缸体结构、合金铸铁材料以及结构细节的设计来保证其有足够的强度和刚度，尤其是有足够的刚度。还特别注减轻其质量，改善铸造和加工工艺性，以求尽量降低成本。关键词：汽油机,缸体,设计TheDesignof479QGasolineEngineBlockAssemblyAbstractThisthesisisconcernedwiththerequestandapproachofeachpartoftheenginecylinderblockindesignaswellastheuseofthe479QAcylinderblock‘sdesign.Itpresentsstricttoleranceintheprincipalsurfacesize,geometryandmutualposition.Whendesigning,ithassufficientintensityandrigidity,especiallythelatter.Itsatisfiestheneedbyadoptingthesemeans-thematerialofthecast-ironofalloy,detaileddesignofstructureetc.Thethesisfocusesonreducingthecostbymeansofreducingthequantity,improvingfoundryandprocessing.Keywords:gasolineengine,cylinderblock;,design目录摘要 1Abstract 2第一章概述 51.1气缸分类 61.2气缸体冷却方式 71.3气缸数量 7第二章缸体的工作情况和设计要求 92.1缸体的工作情况 92.2缸体的设计要求 9第三章气缸体方案确定 113.1缸体的结构型式的选择 113.2缸体结构细节的设计 113.3机体的支承形式 123.4气缸的排列方式 133.5曲轴箱的设计 143.6机体冷却水套 143.7机体润滑油道 163.8机体材料 193.9降噪处理方面 20第四章缸体基本尺寸的确定 21第五章气缸结构设计 22第六章缸体的结构工艺性 246.1铸造工艺性 246.2机械加工方便性 24第七章提高缸体可靠性的措施 277.1为了提高气缸套的耐磨性，可以从以下几方面选择改进措施： 277.2提高缸体铸件精度 277.21基准选择 277.22水套芯做工艺基准 287.23正确选择收缩率 287.3气缸体铸件气孔缺陷的防止措施 287.31气孔的产生分析 287.32气孔缺陷的防止措施 287.33浇注系统的设计 297.34降低造型材料的发气量，提高发气速度 29参考文献 32总结与展望 34致谢 35附录：翻译 36第一章概述气缸体是发动机的主体，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。汽缸体一般用灰铸铁铸成，汽缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支撑曲轴的曲轴箱，气内腔为衢州运动的空间，在汽缸体内部铸有许多加强肋，冷却水套和润滑油道等。气缸体应具有足够的强度和刚度，根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为以下三种形式：一般是气缸体，龙门式气缸体，隧道式气缸体。

气缸体的工作条件十分恶劣。它要承受燃烧过程中压力和温度的急剧变化以及活塞运动的强烈摩擦。因此，它应具有以下性能：

①有足够的强度和刚度，变形小，保证各运动零件位置正确，运转正常，振动噪声小。

②有良好的冷却性能，在缸筒的四周有冷却水套，以便让冷却水带走热量。

③耐磨，以保证气缸体有足够的使用寿命。

气缸体上部是并列的气缸筒，目前多镶有气缸套。气缸体的下部是曲轴箱，用来安装曲轴，其外部还可安装发电机、发动机支架等各种附件。气缸体大多用铸铁或铝合金铸造而成，铝合金缸体成本较高，但重量轻、冷却性能好，得到越来越广泛的应用。机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。1.1气缸分类水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱，也可称为气缸体。气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。气缸体应具有足够的强度和刚度，根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为以下三种形式。(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(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。(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。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。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。现代汽车上基本都采用水冷多缸发动机，对于多缸发动机，气缸的排列形式决定了发动机外型尺寸和结构特点，对发动机机体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置。按照气缸的排列方式不同，气缸体还可以分成单列式，V型和对置式三种。(1)直列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的。单列式气缸体结构简单，加工容易，但发动机长度和高度较大。一般六缸以下发动机多采用单列式。例如捷达轿车、富康轿车、红旗轿车所使用的发动机均采用这种直列式气缸体。有的汽车为了降低发动机的高度，把发动机倾斜一个角度。(2)V型气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°，称为V型发动机，V型发动机与直列发动机相比，缩短了机体长度和高度，增加了气缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状较复杂，加工困难，一般用于8缸以上的发动机，6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。(3)对置式气缸排成两列，左右两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角γ＝180°，称为对置式。它的特点是高度小，总体布置方便，有利于风冷。这种气缸应用较少。气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸，整体式气缸强度和刚度都好，能承受较大的载荷，这种气缸对材料要求高，成本高。如果将气缸制造成单独的圆筒形零件(即气缸套)，然后再装到气缸体内。这样，气缸套采用耐磨的优质材料制成，气缸体可用价格较低的一般材料制造，从而降低了制造成本。同时，气缸套可以从气缸体中取出，因而便于修理和更换，并可大大延长气缸体的使用寿命。气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种。干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁不直接与冷却水接触，而和气缸体的壁面直接接触，壁厚较薄，一般为1～3mm。它具有整体式气缸体的优点，强度和刚度都较好，但加工比较复杂，内、外表面都需要进行精加工，拆装不方便，散热不良。1.2气缸体冷却方式湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却水接触，气缸套仅在上、下各有一圆环地带和气缸体接触，壁厚一般为5～9mm。它散热良好，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，拆装方便，但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好，而且容易产生漏水现象。应该采取一些防漏措施。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。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。1.3气缸数量气缸数：汽车发动机常用缸数有3、4、5、6、8、10、12缸。排量1升以下的发动机常用三缸，1～2.5升一般为四缸发动机，3升左右的发动机一般为6缸，4升左右为8缸，5.5升以上用12缸发动机。一般来说，在同等缸径下，缸数越多，排量越大，功率越高；在同等排量下，缸数越多，缸径越小，转速可以提高，从而获得较大的提升功率。

1.4课题研究意义从经济学角度出发，汽车工业作为支柱产业，自从1885年德国工程师卡尔.奔驰设计制造了第一辆单缸四冲程内燃机汽车以来，世界汽车工业从当初年产量不足千台到如今汽车工业已经年产量超过5000万辆的现代大工业。在各个汽车大国中，汽车产业在其国民经济中有着很快的生产发展；它带有很强的连锁效应，诱导了许多新产业的崛起；同时它对其所处地区的经济结构和发展变化有着深刻而广泛的影响。从环境的角度讲，作为节能减排的主要手段之一，汽车的轻量化已成为各大汽车厂商所追求的目标。从发动机角度来讲机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，甚至接近1/3。如此一来，世界范围内，针对汽车发动机直至发动机机体等的很多轻量化研究和技术正在不断地被研究和改进。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。我国轿车用汽油发动机是伴随着轿车的引进而引进。目前我国轿车汽油发动机主要有三种生产方式：一种是整车生产企业自己生产发动机：如上海大众、东风本田上海通用；第二种是由专业汽油发动机厂生产供应汽车整车企业。如沈阳航天三菱汽车发动机制造有限公司生产4G63、4G64发动机供给中华2.0L、2.4L、东方之子等车。第三种是采用进口发动机，如奥迪A6、帕萨特和高尔夫等。发动机，是一种能够把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器。作为车辆的心脏，发动机对一辆车有着至关重要的意义。机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。机体必须要有足够的强度和刚度。同时由于机体中的有些部位工作环境较为恶劣，如气缸受到高温气体的影响，故还须兼具有防腐蚀散热快等特性。机体中还开有冷却液水道和油道故其结构复杂。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。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。第二章缸体的工作情况和设计要求2.1缸体的工作情况机体在内燃机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D>200mm时，受到铸铁材料强度的限制；但当D<200mm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。2.2缸体的设计要求内燃机的机体构成机器的骨架，机体内外安装着所有主要零部件和附件。为了保证活塞，连杆，曲轴，气缸套等主要零件工作可靠耐久，它们必须保持精确的相对位置。因此，必须对机体重要表面的尺寸，几何形状，相互位置等提出严格的公差要求。内燃机运转时机体承受很复杂的负荷，如各缸内气体对汽缸盖底面和气缸表面的均布气压力，活塞作用于各气缸壁的侧向力，曲轴加在各主轴承上的力，支架对内燃机的支撑反力等。这些离的大小，方向随工况和曲轴转角不断变化，有些力连作用点也在不断移动。此，即使在内燃机不运转时，各气缸盖螺栓，主轴承螺栓的预紧力也十分大，是相应部分产生很大应力和变形。以上各种力是机体受到交变的拉压弯扭，产生复杂的应力状态。因此，机体的结构设计必须保证它有足够的强度和刚度，既不产生裂纹和其他形式的损坏，也不出现过大的变形。尤其是机体与气缸盖的结合处，气缸或气缸套滑动面，主轴承座等，若刚度不足就会影响气缸的密封，加剧摩擦副的磨损，引发其他机件的附加应力等。由于机体的形状复杂，刚度强度要求高，大多用高强度灰铸铁铸造。机体的质量要占内燃机总质量的1/4左右，制造成本约占总成本的1/10，机体的设计要求要特别注意减轻其质量和改善其铸造和加工工艺性。轻型车用汽油机和某些轻柴油机，要求机体轻巧，同时它们又常在部分负荷下运转，负荷较轻，所以大多采用底面与曲轴轴线基本齐平的平分式机体。这种机体高度小，因而轻巧，但相对来说刚度较差。负荷较重的柴油机机体常采用底面大大低于曲轴轴线的机体，这种机体常称为龙门式机体。机体裙部下垂深度Ls=（0.6~1.0）D。龙门式机体虽然比较笨重，但在纵向平面中的抗弯刚度和绕曲轴轴线的扭转刚度显著提高。不过，龙门式机体向下是敞口的，两纵向侧壁会相对振动，而主轴承所在的各隔板会在纵向发生振动，增强噪声辐射，特别是激发油底壳的振动和噪声。为此，可用横向螺栓把龙门式机体悬空的裙部牢固联接到主轴承盖上，以提高机体下部的横向刚度。用铸造的下机座加强机体显然特别有效，但比较笨重，且使拆卸曲轴较麻烦。用梯子形的加强板也可达到加强龙门式机体下端刚度的目的。l）要有足够的强度，以承受高温高压下的机械应力和热应力。应有足够的刚度．以保证在任何情况下气缸体的变形较小。2）要有良好的抗磨性能。其内表面有一定的珩磨沟纹和贮油孔隙，以保证可靠的润滑。3）气缸套的结构设计和材料选择，应避免拉缸或咬缸。4）气缸体应制造简单，维修方便，价格低廉。缸体的设计要求可概括为：合理选择缸体的结构型式和使用材料；合理设计受力部位的结构及形状；组织好缸体的冷却和润滑；缸体的外廓尺寸紧凑，质量轻；结构简单，便于制造，以有利于“三化”，便于拆装和维修。第三章气缸体方案确定3.1缸体的结构型式的选择缸体的结构形式主要取决于曲柄连杆机构的运动件、配气机构、驱动机构、辅助系统的型式及其零件尺寸。水冷汽油机大都采用把气缸体与上曲轴箱连成整体的缸体型式。这种形式刚度比较大，由于缸体与上曲轴箱之间没有分箱面，减少了机械加工量，也减少了缸体与上曲轴箱结合面处凸缘的支承壁厚，加上由于整个结构具有较大的刚度，外壁与内部隔板都允许薄一些，所有这一切都使整个结构的质量比较轻金属消耗量较少。缸体的结构型式主要有：平分式，即机体采用底面与曲轴轴线基本齐平的结构；龙门式，即底面比曲轴低（0.6～1.0）D的结构；隧道式，即曲轴箱的主轴承设计在上曲轴箱横隔板上的结构。这几种缸体结构在不同程度和范围内得到了广泛的应用。平分式曲轴箱的缸体质量轻，但刚度较差，一般只用于小功率汽油机上。龙门式曲轴箱缸体刚度较大，常用于中小型汽油机和一般柴油机中。隧道式曲轴箱的缸体结构刚度最大，常用于一般柴油机、单缸柴油机和功率较大的汽油机。而本设计的479发动机缸体工作负荷大，要求刚度高，所以采用“龙门式”缸体结构。因为这种缸体总体高度较大，在纵向平面的弯曲刚度和绕曲轴线的扭转刚度显著提高，同时缸体底面可以以一个完整的平面与油底壳相配，密封比较简单。它的壁厚较厚，能适应在大负荷下工作的要求。这个措施可能会增加一些缸体的质量，但曲轴箱有更多金属和更大的断面系数来承受力和力矩，因而增加了缸体的刚度。气缸体采用单体式，曲轴箱设计成隧道式，使曲轴箱保持有一定的刚度。气缸体的结构为压入式气缸体，气缸套为合金铸铁制造，压入到铝合金气缸体中，铸铁气缸套具有较高的耐磨性，铝合金散热片有较好的散热效果。气缸体壁的结构设计成凹形，顶部和下部较厚、中间较薄。因为气缸盖上的一部分热量需要通过气缸上部传递出去，为了更好地传热，将气缸上部做得厚一些，同时，作支承也减少了此处的应力集中。气缸盖与气缸体的接触面积约为活塞顶面积的35％～40％。在下部与曲轴箱支承的地方，为了提高强度，避免应力集中，用大的圆弧逐渐加厚支承凸缘。散热片沿气缸轴线方向的布置要从最佳散热状态出发，上端应尽可能接近气缸盖底平面开始布置，这样可使气缸盖的一部分热量通过气缸体上的散热片传向外界；而下端散热片布置到活塞在下止点时活塞环所在的位置，以保证活塞环有效的冷却。散热片沿气缸轴线布置的长度约占气缸长度的45％～55％。气缸体与气缸盖和曲轴箱之间采用长螺栓直接连接。螺栓要用柔性螺栓，螺栓的布置应尽可能均匀，每个螺栓所负担的压紧面积尽可能相等，并靠近气缸外壁。3.2缸体结构细节的设计汽油机缸体的强度和刚度主要取决于金属的分布，因此必须仔细进行结构细节的设计，以求最大限度地利用金属。在缸体各壁面布置加强筋是进一步提高缸体刚度的主要措施，首先应该布置在有较大的集中力通过的地方。缸体壁面上的加强筋，设计成不易歪曲的三角形。传递路线上也设计有加强筋。设计中每缸采用4个气缸盖螺栓，因为从力直线传递的角度看，每气缸周围布置4个气缸盖螺栓最好，螺栓再多，就不可能实现这一原则。还应使气缸盖螺栓与主轴承螺栓位于同一直线上，并且用加强筋连起来。气缸盖螺栓的布置除了保证气缸盖与气缸体之间的密封外，还应该使气缸体在受到气压力的拉伸力时变形最小，所以将冷却水套的外壁靠近缸盖螺栓布置。当气缸盖螺栓的布置由于燃烧室密封的需要而不能与主轴承盖螺栓在同一平面时，螺栓搭子应当通过加强筋将力传递到主轴承座。当气缸盖螺栓的中心线距离主轴承盖螺栓中心线较远时，则将螺栓搭子通过加强筋将力传递至气缸套的下支承隔板。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。气缸套和缸体壁之间的最小距离不应低于5~6mm，本设计为6mm。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。同时相邻两缸间的气缸盖螺栓的轴间也靠近刚度较大的侧壁和下面主轴承螺栓的轴线。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479供油的需要，设计确定主油道孔径为12㎜，分油道孔径为6㎜。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。3缸体基本尺寸的确定缸体的基本尺寸主要表现为缸体的宽度、长度及总体高度。3.3机体的支承形式机体的支承形式采用全曲轴支承，即在相邻的两缸之间都设置有轴承。如此结构，可使沿曲轴传来的力和力矩分布较均匀，应力集中和轴承负荷也小，提高了机体的强度和刚度，对降低机体噪声也有很大的帮助。479Q机体加强筋的分布在设计中，汽油机的机体选用封闭水套的空间钢架结构双层结构，它的强度和刚度主要取决于金属的分布，因此在设计时，两者通过气缸壁下支承隔板相连，进行力的分配和传递。同时按其受力情况和刚度与强度的要求布置各种加强筋，并按需要在局部地方加强壁厚，以优化材料的利用，避免应力集中。即在发动机刚度和强度满足的条件下，设计时应尽可能地减轻机体质量，机体加强筋的分布见图!。3.4气缸的排列方式按照气缸的排列方式不同，气缸体还可以分成单列式，V型和对置式三种。V型：气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°，称为V型发动机，V型发动机与直列发动机相比，缩短了机体长度和高度，增加了气缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状较复杂，加工困难，一般用于8缸以上的发动机，6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。3.5曲轴箱的设计气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。3.6机体冷却水套发动机是车辆的动力源，其工作可靠性在很大程度上决定着车辆工作的可靠性。而影响发动机工作可靠性和耐久性的重要因素之一就是热负荷。如果发动机受热零部件的温度过高，就可能发生烧蚀、变形、材料的硬度和强度急剧下降，以及润滑油膜被破坏甚至结焦，从而失去工作能力；或者由于活塞顶、气缸盖底部和阀座等处的温度梯度过大引起较大的热应力，使零部件产生破坏。因此，内燃机受热零部件的适度冷却是极其必要的。水套不仅可以对发动机零部件进行合理冷却，而且能够在冷起动和运行工况下减少CO和HC污染物排放，降低燃料消耗。研究发动机机体及缸盖内冷却水的流动状况的方法主要有数值模拟计算和实验测试两种。在设计中，为了冷却气缸，在机体上部设置有冷却水套。冷却水套沿气缸轴向长度，保证活塞环（主要是气图$曲轴箱的结构形式环）在下止点位置时，仍在水套范围之内，保证活塞有效地冷却。水套的结构还使得整个发动机的冷却尽可能均匀。同时为了使多缸发动机各缸冷却均匀和水流速度一致，在机体内设计有布水道与分水孔，并且让水流沿气缸切线方向或半切线方向流过缸体外壁面.水腔水腔3.7机体润滑油道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)，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（2334），整机的润滑示意图见图。进油道进油道主油道主油道主油道主油道回油孔回油孔3.8机体材料机体运行中受到复杂的机械应力和热应力，因此机体的材料应具有足够的强度和良好的铸造性能，且便于机械加工，同时成本低廉。随着铸造工艺的提高，铸铁机体诸如散热性差、摩擦系数高等问题都已不再制约铸铁机体的发展，故机体的材料仍选为铸铁。采用整体式结构后，气缸壁面工作时会受到强烈的磨损，又经常会遇到润滑不良，进气脏污，冷启动以及不正常燃烧的情况，这些都会造成气缸壁面的强烈磨损。所以在气缸工作面的热处理中添加56，27，,8，29等合金元素，使金相组织均匀，珠光体细密，高硬度碳化物形成。这能改善气缸壁面的强度，增加气缸体的强度。3.9降噪处理方面设计479Q汽油机的过程中，在根据经验选取比较成熟设计方案的同时，也大胆地进行了创新，在降噪处理方面采用了一些新型的结构设计。在整机方面采用了柔性传动，清除间隙，减少传统运动件等措施(既简化了工艺，方便维修(又降低了噪声；连杆小头孔与活塞销过盈配合，往复运动质量小；凸轮轴同步齿轮采用斜齿、自动补偿消除啮合间隙的主辅齿轮重叠式结构，配气机构无挺杆、摇臂(同时采用齿形皮带传动等措施；原材料选用吸音降噪效果好的铸铁、铝合金、塑料、橡胶和粉未冶金件等。在机体部分则是采用双曲面拱形薄壁的结构设计，即机体曲轴箱裙部设计成圆弧状的结构，这样在机体中形成前后、左右互拱的曲面，类似曲轴箱表面噪声阻尼板。同时，曲轴的第二、四主轴承座上，在保证机体具有足够刚度和强度时，在其内部铸出了一个通孔，既能有效地降低机体的质量，又使机体第一、二缸和第三、四缸相通，这样能保证发动机一缸第四章缸体基本尺寸的确定缸体的基本尺寸主要表现为缸体的宽度、长度及总体高度。发动机缸体在曲轴箱部分的基本尺寸决定于连杆曲轴组件旋转运动的需要，使它们能在气缸内自由运动，另一方面使气缸体外形尽可能紧凑。为此，设计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。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5～10mm。本次设计取5㎜。应该指出，在单列式内燃机中，借加大宽度来提高上曲轴箱的刚度是不合理的，因为这将使外形尺寸和质量加大。曲轴箱的宽度决定于连杆螺栓头部最外点轨迹，从而也决定了气缸体的宽度。多缸汽油机的缸体在纵向的主要尺寸是气缸轴线间的距离L（简称气缸轴距或缸距），为了表征不同缸径发动机的紧凑程度，常用气缸轴距与气缸直径之比L/D作为发动机紧凑性的评价指标。比值L/D主要决定于气缸或缸套的结构。气缸单列布置的汽油机，L主要决定于气缸的布置。汽车用水冷四冲程汽油机，为了结构简单，通常直接在气缸体中加工出气缸孔。根据一般铸造工艺条件的可能性，气缸壁最小厚度为4～6mm。这样，本次设计取消了气缸之间的水套，把相邻两气缸联系在一起后，其最小气缸轴距Lmin=D+(10～12)mm,相对应的最小比值L/D为1.10～1.13。本次设计取缸距L=79+9=88mm，这一尺寸决定了气缸体的长度。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。本次设计的缸径为79mm，活塞行程为90mm，压缩比为11，从活塞顶面到活塞上裙部下端为53mm，所以缸套总高H=90+13=103mm。上曲轴箱的高度为（0.6～1.0）H，本次设计取136mm，所以缸体的总体高度为239mm。第五章气缸结构设计气缸体的刚度在很大程度上取决于缸套的型式及其安装方式。在现代汽油机上，气缸的型式有无缸套气缸、干式气缸套、湿式气缸套。经过比较，本设计中选用了无缸套设计，因为绝大多数汽油机气缸体采用封闭水套结构，它的结构简单紧凑，省去缸套装配面的机械加工工序，即在水套很薄的情况下也能得到较大的整体刚度，所以两气缸之间不需要再加一个横隔板。考虑到大修时重镗气缸的可能性，气缸壁厚为6~7mm。为了提高气缸的耐磨性，在机体材料中加入镍、铬、钼和铜等元素。由于它的结构简单紧凑，气缸加工面少，制造成本低，在寿命方面也能满足经常在较轻负荷下使用汽油机的要求。而干式气缸套在制造过程中必须对气缸体上的座孔进行珩磨和对气缸套的外圆进行精磨，而且缸套加工要求高，缸套壁又薄，使加工和装配困难；湿式气缸套使缸体的整体刚度下降，且容易产生穴蚀，所以没有采用。气缸套一般都用耐磨性好以及铸造方便、成本低的合金铸铁制造。实践证明，铸铁的金相组织对耐磨性影响很大，而向铸铁加入不同的合金可以使铸铁的金相组织得到改变，所以设计中也采用合金铸铁材料。缸套缸套第六章缸体的结构工艺性缸体的尺寸大，形状复杂，加工精度和光洁度要求高，是发动机生产中工序最多、加工最复杂的零件。因此改善它的结构工艺性，尤其是铸造工艺性，是十分重要的。6.1铸造工艺性铸件设计应当力求生产时造型简单，起模方便，要有利于大量生产。型芯数量要尽可能少，且应具有足够的强度，厚度不应小于4mm，同时要安排一定数量的工艺孔，使型芯定位，支承可靠，出气通畅，清砂方便。铸件目前最小壁厚不应小于3～5mm，铸件壁厚尽可能均匀，避免金属堆积，以防止冷却缓慢区域形成缩孔或疏松等缺陷。当缸体有局部加厚地方时，从薄断面到厚断面过度圆滑。铸造圆角要适当，以避免应力集中。断面形状急剧变化或过渡圆角半径小于3mm，可能会使铸件冷却收缩时形成裂纹。但铸件圆角过大会造成多余的金属堆积，形成收缩孔。6.2机械加工方便性缸体设计中也应充分考虑机械加工的方便性。现代中小型内燃机一般都是大批生产的，缸体都用专用机床流水线或自动线加工，因此，缸体外形尽可能紧凑、整齐、避免不规则的突出部位。各附件的安装面尽量要在水平的或铅直的平面内，避免不必要的高低，更尽量不要用倾斜的平面或孔，以便于加工。同一面上的各孔深度最好相同，孔距不能过小，以便用多轴加工，设计缸体外形时要考虑加工时可靠定位和夹紧的需要，布置好定位夹紧面或凸台、定位孔等工艺性结构元件。壁厚都保证9mm.保证散热均匀壁厚都保证9mm.保证散热均匀第七章提高缸体可靠性的措施7.1为了提高气缸套的耐磨性，可以从以下几方面选择改进措施（1）提高气缸套内表面几何精度气缸套内孔加工几何形状精度高，若与活塞组配合良好，漏气少，可减少磨损。气缸套内径尺寸公差为IT7级，内表面的圆度为7级，内表面粗糙度应不大于Ra0.25μm。（2）合理选择珩磨沟纹珩磨沟纹对气缸套磨损有影响。交叉珩磨沟纹的夹角为22°～32°，每条沟纹必须切削得很光滑，不得有碎落或叠积物质损伤。沟纹平均宽度为10～16Pm，净度为4～6.5μm，间距为20～30μm。在珩磨沟纹之间凸起“小方块”是通过一定压力所产生的。珩磨的沟纹，深宽相宜，且分布均匀。凸起的“小方块”面积占整个部分的1/2～1/3，“小方块”表面不进行抛光或磨光，保留原先加工网纹。采用此种珩磨，能使油膜均匀分布，往复运动件得到足够润滑，可在最小磨损下迅速形成较好的贴合面，同时机油消耗量小，寿命延长。（3）气缸套内表面处理气缸套内表面处理主要用镀铬、氮化、表面淬硬、喷镀等。（4）控制气缸套壁温气缸套温度高于酸性燃烧产物的露点，可减少腐蚀磨损。考虑到缸套的冷却要求，第一环在上止点处不宜超过180℃，一般情况下，要求气缸套上部温度在140℃左右，下部约为100～120℃。（5）改进气缸体结构对于风冷发动机，气缸体应该使温度场分布均匀，增加刚度，减少气缸体变形，有利于减少磨损。（6）适当选择气缸套与活塞环的匹配铸铁气缸套与铸铁活塞环的硬度比值在1～1.12为宜。活塞环压力太高，刮油能力强，但环周的局部压力过高，会使油膜破坏造成于摩擦。环压力太低，容易漏气，造成熔着磨损。第一环镀铬或喷钼，可以提高环的寿命3～5倍、缸套寿命1～1.5倍。（7）其他措施改进空气和润滑油的滤清器结构，提高滤清效果。活塞裙部镀锡，喷涂石墨对防止拉缸有较好的作用。活塞裙部采用变椭圆形或桶形可减少缸套变形，改善贴合面积，减轻磨损。7.2提高缸体铸件精度7.21基准选择铸造和机加工都需要工艺基准面。缸体上有上千个尺寸，每个尺寸在生产中都会有偏差，构成的尺寸链有时很大，这在设计上是不被允许的。基准的选择就是从哪点量起，通过它可严格控制外模尺寸，芯子尺寸、下芯位置以及毛坯几何形状精度。加工基准则用来确定毛坯加工的定位点。基准的选择要合理而且前后应当一致。缸体主要是照顾几个缸筒尺寸，涉及芯子的精度。水套芯形成缸筒外壁，圆棒芯形成缸筒内壁，选用基准就是要使前后几个缸筒尺寸变化最小。7.22水套芯做工艺基准缸体水套中间工艺孔（出砂孔）中心（即#(/缸中间楔形块定位）作缸体前后方向基准，这样的基准可将尺寸链减为最小，保证了缸筒壁厚的均匀性（即以缸筒外壁加工内孔），一般偏差小于1mm)。上下方向靠基准芯（缸顶芯又称枕头芯）定位，即在水套芯上做出与缸盖通水孔小芯头，严格控制芯头高度、水套芯与缸顶面距离为33.7+_1mm，将水套芯与缸顶面芯胶合或螺栓固定，水套芯两端头也做出大的工艺孔，（距缸顶面19.2mm)）该孔不仅出砂出气，还作为高度和宽度方向的加工基准。该工艺孔的芯头分别固定在缸体前后端面芯的窝座上，最后锁合成联体，这样所有砂芯构成部位都能保证尺寸精度。本公司铸造一厂在上世纪80年代去掉了缸顶芯，直接用装配夹具将芯头定位固定在外型上，由于工艺夹具活动件多，精度要求又高，生产中夹具误差再加上芯子误差，芯子受力较难均衡，砂型中再调整固定的工作量也大，水套芯破损严重，铸件砂眼气孔废品居高不下。7.23正确选择收缩率受铁液成分的影响，正确选择工装的收缩率很重要。对高压造型而言，其经验是：长度方向取0.8%高度方向取1%，长度方向受复杂型芯严重阻碍，故收缩较小。可靠的作法是参照同类型铸件，先选用某一收缩量值，等试验后再予修正。7.3气缸体铸件气孔缺陷的防止措施7.31气孔的产生分析以479气缸体为例，此气缸体属于典型的干式缸套结构，材质是HT250，加铜、铬。生产过程采用湿型砂工艺，Z148造型机造型，一箱一件，型砂透气性为90～140；筒子芯，边芯为KD100+合脂芯砂、水套芯，穿皮芯为覆膜芯砂和自硬芯砂。由于气缸体内腔形状复杂，浇注时铁液在浇道和型腔里呈紊流状态，极易卷入气体；铁液上升时，由于流动的铁液液面表面张力小，使背压很大的气体侵入；气缸体的水套芯完全浸泡在铁液中，砂芯只能靠芯头向外排气，若排气不畅则易形成高压使气体侵入铁液；首流铁液的界面与型砂中的附加物和水分发生反应，产生的气体极易使铁液含气量增大；砂芯未完全干燥或吸潮后浇注时也将增加发气量。浇注时铁液卷入和型芯发气侵入到铁液内的气体，呈气泡状存在于流动的铁液中，当铁液静止时，铁液表面首先凝固，将未逸出的部分气泡留在皮下，形成气孔缺陷。7.32气孔缺陷的防止措施通过以上分析，我们主要从以下几个方面着手：①砂芯结构的设计：以大排气为指导思想，加大芯头完善砂芯的出气系统；②浇注系统的设计：调整浇注工艺，以大孔出流[1]的原则计算ΣF内，合理设置冒口，调整ΣF排和ΣF内的比例；③造型材料方面，降低造型材料的发气量，提高发气速度。a砂芯结构的设计（1）大芯头的应用。传统的小芯头结构特点是砂芯的芯头沿铸件“内轮廓”延伸而成（图la）。生产实践证明小芯头不利于型腔、冒口排气。小芯头结构使得砂型与砂芯的配合界面低于铸件相应处的最高轮廓，从而使这一界面对型腔的自然排气作用能力不能充分发挥。改用如图l（b）所示大芯头结构，就克服了小芯头结构的不足。b完善砂芯的出气系统。为了完善砂芯、芯头、芯座的出气系统，制芯时留出连续的出气通道，组芯时保证出气通道贯通。砂芯的出气通道通过芯头与芯座的压砂环和上芯头的封火泥条构成，防止铁液钻芯头而堵塞出气通道。7.33浇注系统的设计（1）采用中注式进液。采用中注式浇注系统可使铁液从上下主轴座进入（见图2），最后充满前部冒口位置，这样铁液流动平稳，又能较好的满足型腔内铁液充满后上高下低的良好温度梯度分布，以提高铸型上表面的铁液温度，延缓上表面凝固时间，使气泡能够逸出。（2）合理的最小截面积ΣF。为了防止铁液氧化卷入气体，采用半封闭浇注系统：ΣF直:ΣF横:ΣF内=1.2:1.5:1,浇注系统最小截面积ΣF采用大流量原则计算。保证大孔进铁液，加快充型速度，在浇注温度为1390～1420℃时，经试验发现浇注时间在25s以上时，铸件出现气孔较多。把浇注时间控制在18～20s，气孔明显减少。（3）冒口系统的设计。合理设置冒口是解决气孔缺陷重要的措施。我们采用了两种冒口：一种是排气冒口，另一种是溢流冒口。前者是为了排除型腔内气体而设置的，一般要通出型外，分型面上的排气槽和出气针也属这种性质。后者的作用是排除型腔的气体和承接最终充型的前部冷铁液，并使铁液中的大部分气体漂入，还可使铸件上部的低温铁液流出而补充进高温铁液。溢流冒口设置在浇口相反的另一端。这种冒口直径要粗，并通出型外，与铸件搭接的过道截面积也要尽可能的大，并以一定角度（10°～15°）爬坡形式进入冒口，且铸件与冒口间的距离不要太大。另外，在两冒口间的平面外补贴上宽10mm，10°～15°的V形爬坡（如图3），使气泡顺利进入冒口也是一项有效的措施。冒口的最小总排气面积ΣF排过小难以提高浇注速度，易使铸件产生气孔缺陷。ΣF排应大于浇注截面积ΣF内，即ΣF排≥1.3ΣF内，顺畅排出型腔中的气体，有利于克服气孔缺陷。7.34降低造型材料的发气量，提高发气速度（1）严格控制湿型砂的湿度。湿型砂含有水分，浇注时水分气化体积急剧膨大1700倍，如果排气不畅，型腔内的气压增高，增大了气孔倾向。所以必须严格控制湿型砂的湿度＜4.5%。（2）砂芯的二次烘干。水套芯是用酚醛树脂覆膜砂制成的，硬化层仅约6mm，硬化后的芯砂发气量约15ml，而未硬化部分的芯砂发气量＞20ml。为了减少水套芯发气量，把砂芯再经190~200℃烘烤1h，表面成棕黑色，发气量接近低发气覆膜砂。砂芯表面涂料为醇基快干涂料。由于涂料中含有少量水，涂刷后点火干燥，若干燥不彻底，砂芯存放密集，残留水分不能完全散失，也会增加发气量。因此，规定在干燥季节里，砂芯涂料干燥后必须再存放24h以上才能使用；在多雨季节里，砂芯需在130～150℃烘干1h后下芯浇注。（3）涂料的使用。生产实际中发现，涂料不仅防止铸件粘砂，还可减少铸件气孔。这是因为气体要侵入铸件中必须满足P气＞P静+P型+P阻。砂芯被高温铁液包裹，产生的气体很容易进入铁液中，如果表面有涂料，可增大P阻，减少气体进入铁液中。所以，不论覆膜砂芯、自硬砂芯，还是油砂芯都须上涂料，涂料层厚0.3～0.5mm，不得漏涂。（4）选用发气速度快的芯砂。发气速度快的芯砂其发气峰值提前，所产生的气体完全能在铁液凝固结壳前排出。为此采用发气速度快的KD100+合脂芯砂制作曲轴箱芯、圆筒芯，效果良好。发动机曲轴盖加工工序：工序号工序内容定位基准机床夹紧位置量具1铣轴承盖底面以上表面为基准卧式铣床左右两端面游标卡尺2轴承盖上表面以下表面为基准卧式铣床左右两端面游标