設計指南-氣缸蓋

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 . 缸蓋設計指南 編制： 審核： 批準： 目錄 一、總成說明 1 缸蓋總成的功用 氣缸蓋用來密封氣缸的上面部分，它與活塞頂及氣缸內(nèi)壁共同組成燃燒空間。氣缸蓋上還布置有進、排氣道，同時為了潤滑裝在氣缸蓋上的配氣機構(gòu)零件，還設有潤滑油道等。在水冷式內(nèi)燃機中，氣缸蓋上設有冷卻水道，而在風冷式內(nèi)燃機中，氣缸蓋設有散熱片。同時，在氣缸蓋上還裝有噴油器或火花塞、進排氣管和氣門及其傳動件等。在采用分開式

2、燃燒室的內(nèi)燃機中，在氣缸蓋上還布置有燃燒室。 2 適用范圍 適用活塞往復式內(nèi)燃機。 3 缸蓋總成爆炸圖 鋼球 缸蓋 碗型塞 型塞 進排氣門座圈 凸輪軸蓋 軸承蓋螺栓 圖1. 缸蓋總成爆炸圖 二 缸蓋設計 1設計原則 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形狀十分復雜，承受著氣體爆發(fā)力和氣

3、缸蓋螺栓的預緊力。發(fā)動機工作時，氣缸蓋各部分溫度很不均勻，氣缸蓋底面燃燒室部分(一般稱為火力岸)溫度很高，而冷卻水套或散熱片部分的溫度很低，進氣道和排氣道的溫度也不相同，因此，氣缸蓋的機械應力和熱應力都很大。特別是由于高溫和溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱應力的反復作用。這些裂紋通常出現(xiàn)在氣門座和噴油器(或火花塞)座之間，特別是進、排氣門座之間的地區(qū)(一般稱為鼻梁區(qū)) 很容易形成熱疲勞裂紋，再加上鑄造殘余應力也很大，因此氣缸蓋的工作條件十分嚴酷。同時，氣缸蓋受熱時引起的變形如果過大，會影響與氣缸的接合面和氣門座接合面的密封，加速氣門座的磨損，產(chǎn)生氣門桿“咬死”，甚至造成漏氣、漏水和漏油等現(xiàn)象，使內(nèi)燃機

4、無法工作。 由此，對氣缸蓋的設計要求是： (1) 要根據(jù)混合氣的形成和燃燒方式，合理布置氣門和氣道。 (2) 保證高溫部分能得到較強的冷卻，使氣缸蓋的溫度分布均勻，盡可能減小熱應力，避免出現(xiàn)熱疲勞裂紋。 (3) 應具有足夠的強度和剛度，保證承受機械應力和熱應力時能可靠工作，并保證良好的密封。 (4)結(jié)構(gòu)工藝簡單、便于生產(chǎn)；對裝置在氣缸蓋上的機件要便于拆裝和維修。 2氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式及特點 水冷式內(nèi)燃機氣缸蓋的結(jié)構(gòu)型式可分為整體式、分體式、單體式以及連體式四種。 整體式是整列氣缸共用一個氣缸蓋；分體式是每兩個或三個氣缸共用一個氣缸蓋；單體式是每一個氣缸有一個單獨的氣缸蓋；連體式是氣

5、缸蓋和氣缸體不分開，連成一整體。 整體式氣缸蓋可以縮短氣缸中心距，結(jié)構(gòu)緊湊零部件數(shù)量少，內(nèi)燃機剛度好，重量輕，水腔容易布置，成本較低。但是，鑄造復雜，形狀誤差大，制造廢品率較高；氣缸蓋局部損壞時，整個氣缸蓋即成廢品；氣缸蓋總長度大，接合面的平面度在工藝上不容易保證；沿氣缸蓋長度方向的剛度差，當受力不均勻或受熱不均勻時，氣缸蓋容易翹曲變形，從而破壞對氣缸的密封性。為了克服后一缺點，有的內(nèi)燃機將整體式氣缸蓋相鄰兩缸中間銑出橫槽，以增加彈性，減小因受力或受熱不均勻而引起氣缸蓋的翹曲變形。 兩缸中間銑出的橫槽 圖2. 兩缸中間橫槽 分體式和單體式氣缸蓋(特別是單體式氣缸蓋)長度短，它與氣缸

6、體之間的密封平面小，加工平面度的要求容易保證，氣缸蓋螺栓的壓緊力分布也比較均勻，受力或受熱不均勻時氣缸蓋翹曲變形相應減小，這將提高氣缸蓋密封的可靠性。而且，這兩類氣缸蓋鑄造容易，廢品率低，維修也比較方便，系列通用化高，便于大量生產(chǎn)；氣道位置精度高，對配氣有利。它們的缺點是：要求較大的氣缸中心距，增加了內(nèi)燃機的長度和重量；如果要采用較小的氣缸中距，相鄰的兩個氣缸蓋就必須用共用螺栓的辦法，但這時對相鄰氣缸蓋之間的高度公差要求高，否則會出現(xiàn)一松一緊的現(xiàn)象。另一缺點是：各氣缸蓋之間互不相連，增加了油管、水管的聯(lián)接和密封的困難，并結(jié)構(gòu)比較復雜。 單體式缸蓋 圖3. 單體式氣缸 連體式氣缸蓋保證

7、了密封的可靠性，而且剛度大，但制造工藝性差。一般氣缸直徑較小的水冷式內(nèi)燃機通常采用整體式氣缸蓋，個別采用分體式氣缸蓋。對于直徑稍大一些的水冷式內(nèi)燃機，則往往采用二缸一蓋或三缸一蓋的分體式氣缸蓋，個別也有采用單體式氣缸蓋的；但有些內(nèi)燃機為了提高結(jié)構(gòu)緊湊性和簡化工藝，還有采用整體式氣缸蓋的。對于直徑再大一些的水冷式內(nèi)燃機(D＞150mm)，大多數(shù)采用單體式氣缸蓋。連體式氣缸蓋則僅在個別強化的水冷式內(nèi)燃機中應用。 3氣缸蓋的材料 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)十分復雜，所以汽車、拖拉機、工程機械和農(nóng)用內(nèi)燃機的氣缸蓋都是采用鑄造的方法來制造。根據(jù)制造方法、工作情況和設計要求，氣缸蓋的構(gòu)料應該是：鑄造性能良好，熱強度

8、高，并價格低廉。目前制造氣缸蓋的材料通常有鑄鐵和鋁合金兩種，這兩種材料鑄造性能都良好，但熱強度和價格以及材料密度各異。眾所周知，各種材料在變形受到限制時，所產(chǎn)生的熱應力大小可以用熱應力特性數(shù)（αE/λ）來表示，其中a、E、λ分別為材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量及導熱系數(shù)。特性數(shù)越小，則材料受熱時產(chǎn)生的熱應力也越小。同時用材料的拉伸強度σb和熱應力特性數(shù)(αE/λ)的比值——熱強度系數(shù)。σb/ (αE/λ)來比較它們的熱強度。溫度低于250℃時，鋁合金具有相當高的熱強度，而溫度高于250℃以上時，鑄鐵具有較高的熱強度，不過當溫度達到400℃時，鑄鐵的熱強度也迅速下降。因此，鋁合金氣缸蓋的工作溫度一般

9、不應超過220℃，而鑄鐵氣缸蓋的工作溫度一般不應超過375—400℃。由于鑄鐵氣缸蓋的工作溫度較高，并且在常用溫度范圍內(nèi)，熱強度已能滿足設計要求。同時價格低廉，所以一般水冷式內(nèi)燃機多數(shù)采用HT21—40、HT25—47等鑄鐵來制造氣缸蓋或者采用合金鑄鐵來制造，以提高拉伸極限強度和耐熱性。只有一些汽油機：考慮到鋁合金氣缸蓋導熱性比鑄鐵好，有利于提高壓縮比，采用鋁合金來制造。目前對鋁缸蓋來說，AlSi6Cu4是比較通用和合適的材料。另外，AlSi7Mg0.3也是較為普遍的材料。雖然由于鋁合金機械強度較低，設計中須將壁厚選得比鑄鐵的大一些，但因其密度小，增加壁厚之后，其重量一般也只有鑄鐵氣缸蓋的一半

10、左右。由于鋁合金的工作溫度較低，必須加強冷卻，同時，由于鋁合金不能耐沖擊，耐磨性差，必須在氣門座處鑲有合金鑄鐵制造的氣門座圈。 4氣缸蓋壁厚設計 設計氣缸蓋的基本尺寸時應能保證其具有足夠的強度和剛度。影響氣缸蓋剛度最主要的尺寸是氣缸蓋的高度。加大高度，可以增加剛度，改善氣缸蓋與氣缸體之問的密封性，減少螺栓中的動應力及氣缸蓋的安裝應力。氣缸蓋的高度與氣門進、排氣道布置、燃燒室型式及水腔高度等因素有關(guān)?，F(xiàn)代內(nèi)燃機均采用頂置氣門，氣缸蓋高度一般為H＝(0.9~1.2)D，D為氣缸直徑。近代內(nèi)燃機向高速、高功率方向發(fā)展，氣缸蓋高度有適當加大的趨勢，有的高度己達1.5D，這直接影響了內(nèi)燃機的高度。在

11、氣缸蓋高度一定的情況下，為增加剛度，有些內(nèi)燃機采用帽式氣缸蓋或上部帶凸邊的氣缸蓋。此外，還可以在氣缸蓋內(nèi)壁設置適當?shù)募訌娊?，增加受力部位最大處的斷面系?shù)；也可以將氣缸蓋螺栓孔壁做成X形，以增加螺栓固定時的剛度。 氣缸蓋的最小壁厚取決于鑄造的可能性，一般最小為4mm。但是有氣門座圈的氣缸蓋底面或燃燒室壁面，其厚度要加大到10mm~15mm，以減小翹曲，保證氣門的密封性。缸蓋的剛度，需要通過FE計算來模擬。(一般的邊界條件是最大點火壓力(90bar,1.6L)，最大油溫(150℃,1.6L )和環(huán)境溫度(-30℃到+45℃,1.6L)。具體的來說，氣缸蓋的底面(火力面)的壁厚通常為(0.05~0

12、.11)D；頂面壁厚為(0.08~0.095)D；側(cè)面壁厚為(0.055~0.085)D。 在保證必要的剛度和強度的條件下，火力面壁厚盡可能取小一些，以避免發(fā)生熱疲勞裂紋，但要適當增加頂面和側(cè)面的壁厚。氣缸蓋其它部分的壁厚主要決定于鑄造工藝。在鑄造工藝許可的條件下應盡可能減薄壁厚，一般約為5~6mm。氣缸蓋水道的高度取決于冷卻的需要和鑄造砂芯的強度，一般不應小于4~5mm，尤其排氣道外壁和氣缸蓋底板之問水道的高度不能太小，以保證可靠冷卻。 對於縮孔和氣孔的直徑小於2.0mm，且兩個相鄰的單個的孔間距大於10mm的鑄造缺陷是可以接受的。氣缸蓋不允許焊接，粘接，螺塞堵頭等修復工藝。但是鑄件允許

13、噴砂處理，在無壓的油室允許進行一次滲補。 5氣缸蓋結(jié)構(gòu)工藝性考慮 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)在滿足工作要求的條件下，應盡量使工藝性良好，鑄造和機械加工方便。內(nèi)燃機氣缸蓋內(nèi)部形狀復雜，設計過程中必須考慮到型芯的分模與強度以及取放型芯的方便和清除內(nèi)部型芯的可能。分型面的位置要既能分型又不能處在加工面上。為此，氣缸蓋的側(cè)壁和上部都要開設一定大小和數(shù)目的出砂口，而在鑄造時還可以作為型芯的支撐孔。為使這些工藝孔不至過多的削弱氣缸蓋的強度，一般其直徑不大于40mm，并盡量避免開在受熱嚴重的區(qū)域。 氣缸蓋為了便于加工,其硬度不能太大,也不能太小,太大對刀具壽命有影響,太小加工的時候容易粘刀,一般在硬度控制在80HB

14、到100HB范圍內(nèi)比較合適.由此熱處理一般采用T7處理: 1）在最高溫度525°C 下加熱6小時達到勻化。 2）T=70°C下淬火。 3）T=200°C下退火，保溫4小時。 4) 空冷。 缸蓋和氣門機構(gòu)裝配在一起，要保證氣門機構(gòu)正常的工作，缸蓋和氣門機構(gòu)件之間的間隙配合必須合適。一般說來，缸蓋和凸輪軸的軸承的配合選用H7(f7)；缸蓋和氣門導管之間采用過盈配合；缸蓋和氣門座圈采用過盈配合。 6 缸蓋重要部分設計 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)與氣門和氣道的布置以及冷卻水套或散熱片的安排等有密切關(guān)系，同時，還要考慮裝在氣缸蓋上的機件的布置問題。以下分別介紹缸蓋重要部位設計中應考慮的一些問題。

15、6.1 氣道設計 6.1.1 設計要求 進排氣道的設計對內(nèi)燃機的性能有很大的影響，進氣道影響進氣阻力和充氣效率ηv，排氣道影響排氣阻力和廢氣能量的利用（如廢氣渦輪增壓）。 為了保證內(nèi)燃機有盡可能高的充氣效率，進排氣道通常有足夠大的面積，氣道斷面要避免突變，最好由氣道口起向進氣道的進口和排氣道的出口通道面積分別均勻增大20％左右，同時鑄出的氣道表面要盡量光滑。因此，要選若干進排氣道截面，繪制圖形，計算通過面積，并按要求對它們的形狀和大小進行修正設計，直到滿足要求為止。 試驗表明，氣門口的前面在氣流拐彎的中心一側(cè)增加一塊圓滑的突起，可以減小進氣阻力。這個突起使進氣流擠向彎道的外壁，使氣流轉(zhuǎn)

16、彎更好，并使進氣門環(huán)狀開口更均勻地為氣流所通過，實際上提高了進氣門通過斷面的利用率。在進氣門口加一文氏管形環(huán)，可使高速時的進氣量顯著增加。文氏管斷面的收縮率對空氣流量的影響如圖（3）所示。 圖4. 進氣道喉管中文氏管形狀對氣流量的影響 （試驗發(fā)動機單缸排量0.33升） 一般來說，對契形燃燒室，較扁平的氣門頭較有利；對半球形燃燒室，過渡半徑較大的氣門頭有利。適當?shù)募哟筮M氣道后可以減小進氣阻力，避免急劇轉(zhuǎn)彎也能減小氣流的阻力?，F(xiàn)代設計師們業(yè)已利用CAE技術(shù)來進行充量更換計算，設計進排氣管路系統(tǒng)。但有時候由于布置而放棄較理想的設計方案。 6.1.2 典型氣道及其優(yōu)缺點 氣道有切向氣道，

17、螺旋氣道和帶導向屏的氣道。 切向氣道：切向氣道比較平直，在氣門座前強烈收縮，引導氣流以單邊切線方向進入汽缸。切向氣道結(jié)構(gòu)較簡單，由於在氣門口速度分布不均，氣門的流通面積實際得不到充分利用，在渦流高時，進氣阻力將會很快增加。所以，切向氣道一般用在渦流要求不高的發(fā)動機。 螺旋氣道：在氣門座上方的氣門腔內(nèi)形成做成螺旋形.使氣流在螺旋氣道內(nèi)就形成一定強度的旋轉(zhuǎn),其氣門口處的氣流情況相當于在平直氣道出口速度分布的基礎上增加一個切向速度.螺旋渦流氣道對鑄造工藝和加工的要求較高。 帶導氣屏的氣道：強制空氣從導氣屏前面流出，依靠汽缸壁約束產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流。導氣屏氣道在試驗時調(diào)整比較容易，但是由於它的流通阻力

18、較大，沖量系數(shù)低，對進氣門要裝導向裝置，以防氣門工作時轉(zhuǎn)動，使結(jié)構(gòu)復雜，成本增加。且氣門易偏磨，密封不好。 6.1.3 氣道布置設計 發(fā)動機中為了減輕進氣被預熱的程度，提高充量系數(shù)，通常把進氣道和排氣道分別布置在氣缸蓋的兩側(cè)。在以前使用化油器的汽油機中，為了加快燃油與空氣的混合，利用排氣的熱量加熱進氣，將進排氣道一般布置在氣缸蓋的同側(cè)。 為了防止氣門導管的變形以及保持與氣門座的同心度，氣門導管孔不宜鉆在氣道的斜壁上，如果它一定要通過斜壁，則應該在斜壁上做出一個直徑稍大的下沉支承面。進氣門的導管可以伸到氣道中，而排氣門導管則最好不要伸到排氣道中，因為導管的下端會因受熱脹大，在脹大的導管間隙

19、中容易形成積碳，導致氣門桿卡死在氣門導管中。 6.2水套設計 6.2.1 設計要求 冷卻水道的設計，應能使冷卻水首先進入熱負荷較高的地方，然后再流向熱負荷較低的地方。為此，有些氣缸蓋上制有導水筋片或噴水管。噴水管可埋鑄在氣缸蓋中或與氣缸蓋鑄成一體。氣門座之間的鼻梁區(qū)以及噴油器座或火花塞座與氣門之間，或氣門與渦流室、預燃室之間的狹壁，是氣缸蓋中最容易產(chǎn)生熱裂的地方，應首先保證有足夠的冷卻，其冷卻水通道的最小半徑R應不小于3mm，狹壁也不宜過高，或者在鼻梁區(qū)中鉆水孔以加強冷卻。 圖5. 冷卻水套 在設計水腔時，水流不應有死區(qū)，否則會使局部溫度過高；也應防止水流短路，流進水腔的水應

20、經(jīng)過有組織的冷卻后再從出水口流出。布置進水口位置與各股冷卻水流時，不應使其互相作用而形成很強的渦流。因為在渦流區(qū)易形成蒸氣，引起局部過熱。布置進水口時，還必須注意要與氣缸蓋螺栓孔或機油通道有適當距離，否則不易互相密封。氣缸蓋頂板應略有傾斜，出水口應該布置在最高處，以避免形成空氣囊和蒸氣囊而影響散熱，如果出水口不是布置在最高處，為了避免形成空氣囊和蒸氣囊而影響散熱，則應該在水套的最高部位加工一個出氣口。水腔最熱部分的通道不應太窄(不窄于4mm)否則就會有強烈的蒸氣產(chǎn)生，使水垢加速形成而堵塞通道。必須注意，過分增加通道斷面會使水的流速減低影響散熱而使局部溫度增加。 6.2.2 水套的主要設計參數(shù)

21、 缸蓋需要將燃燒產(chǎn)生的熱量部分傳導到整機的冷卻系統(tǒng)中，保證發(fā)動機在一定的 溫度下工作，避免由於過高的溫度將發(fā)動機的零部件損壞或產(chǎn)生老化變形。缸蓋水套主要作用是冷卻氣缸蓋，避免缸蓋過熱。水套的設計要考慮到本身的容積和流通性能。同時考慮缸蓋的最小壁厚等因素。在水套的流通能力需要經(jīng)過FEA計算，找出臨界點并進行優(yōu)化，主要是優(yōu)化圓角增加流通性。 6.3潤滑油路的設計 缸蓋需要潤滑和它裝配在一起的氣門機構(gòu)。對于有VVT系統(tǒng)的發(fā)動機缸蓋必須有專門的油路來潤滑和驅(qū)動VVT系統(tǒng)。(如**1.6NA_CBR VVT發(fā)動機) 缸蓋的油路一般布置是有一個油道和缸體油道相連，潤滑油從此油道進入缸蓋。如果沒有

22、VVT系統(tǒng)，則直接分配到需潤滑的元件。如果有VVT系統(tǒng)，則通過一個節(jié)流閥把潤滑油分成高壓油路系統(tǒng)和低壓油路系統(tǒng)。高壓油路系統(tǒng)是潤滑和驅(qū)動VVT系統(tǒng)，低壓油路系統(tǒng)是潤滑凸輪軸和氣門機構(gòu)元件。另外缸蓋上還需要有泄油孔，讓潤滑油回到油底殼中。 6.4氣缸蓋螺栓布置設計 氣缸蓋上的氣缸蓋螺栓數(shù)目及其布置不僅關(guān)系到氣缸蓋本身的構(gòu)造，而且涉及內(nèi)燃機的長度尺寸和剛度，還對氣缸蓋和氣缸體的受力情況、氣缸套與氣缸體之間的密封性以及氣缸套的變形大小有直接影響，因此氣缸蓋螺栓的數(shù)目及其布置直接影響內(nèi)燃機工作的可靠性和耐久性。 氣缸蓋螺的栓數(shù)目應該盡可能多一些。因為，氣缸蓋總預緊力是一定的，螺栓數(shù)日愈多，則分配

23、給每一個螺栓的預緊力就愈小，這樣可以避免由于氣缸體中產(chǎn)生安裝應力而引起氣缸蓋底面的變形以及氣門座的變形。同時，螺栓數(shù)目多時，螺栓直徑可以相應減小，相對于氣缸蓋的柔性變大，這可以減小螺栓負荷的交變分量，因而可以減小預緊力。此外，螺栓數(shù)目多，兩螺栓之間的距離減小，對氣缸蓋襯墊的壓緊力就較均勻，從而保證氣缸蓋襯墊的密封性。但螺栓數(shù)目過多，不僅會使氣缸蓋的結(jié)構(gòu)及安裝復雜，而且在氣缸中的布置也有困難，因為這受到氣道、水道、挺桿孔以及氣缸中心距等很多條件的限制。通常每缸的螺栓數(shù)目在4—8個之間，多數(shù)為5—6個。在氣體壓力較低、氣缸直徑較小時，宜采用較少的螺栓數(shù)。螺栓數(shù)目也可根據(jù)每缸螺栓最小的總斷面積和活塞

24、面積比值來選擇，此比值一般為，0.065—0.158，多數(shù)取為0.08—0.1。 氣缸蓋螺栓的布置應盡量靠近氣缸中心線以減小螺栓之間的距周，從而減小氣缸蓋的彎曲應力和變形，但不能大靠近氣缸中心線，因為太靠近了又會引起氣缸套上部的變形。螺栓的布置還應盡量對氣缸中心均勻分布，否則，可能使氣缸體因受力不均勻產(chǎn)生局部變形，引起漏水、漏氣等現(xiàn)象，導致沖壞氣缸蓋襯墊。各螺栓所分配的壓緊面也要基本相同，以保證壓力的均勻性。在分體式和整體式氣缸蓋中，由于兩缸之間共用的螺栓要比其它螺栓承受更大的力，它們之間的距離應該小一些?，F(xiàn)代內(nèi)燃機氣缸蓋螺栓的間距一般在(0.32—0.875)D之間，D為氣缸直徑。 氣缸蓋螺栓的預緊力要足夠大，以保證必要的密封壓力．防止長期工作后發(fā)生松動，但預緊力過大則會使氣缸蓋、氣缸體過度變形，反而影響密封。經(jīng)驗表明，當每缸周圍所有螺栓的總預緊力等于作用在此缸氣缸蓋上最大的氣體作用力的3倍以上時，才能保證得到可靠的密封。 三、參考文獻 1. 相連生，內(nèi)燃機設計，中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981.8。 2. 吳兆漢，車輛發(fā)動機設計，國防工業(yè)出版社，1982.6。。 3. 西安交通大學內(nèi)燃機教研室，柴油機設計，西安交通大學出版社 。 4. 泰勒，內(nèi)燃機（上冊、下冊），人民交通出版社，1982、1983。 專心---專注---專業(yè)