传动轴设计流程
气缸盖设计流程图
二、 设计规范
1主要功能描述
密封气缸,并与活塞共同形成燃烧空间,并承受高温高压燃气的作用。合理的气道布置为发动机工作过程提供所需要的新鲜空气和适合的旋流强度,并排出废气并为废气涡轮增压器提供驱动能量。
2设计原则
气缸盖应具有足够的强度和刚度,工作时缸盖变形最小并保证与其缸的结合面和气门的结合面有良好的密封。根据混合气形成方式使气门和气道布置合理,力求使内燃机性能良好。结构力求简单、铸造工艺良好;冷却合适,缸盖温度场分部均匀尽可能减小热应力,避免产生裂纹。缸盖鼻梁区是热负荷和机械符合最大的部位,应该从设计上确保该部位的强度、刚度和冷却效果。
3设计的边界条件
发动机最大功率、最大扭矩、压缩比、气缸直径、缸心距、缸盖螺栓位置、缸盖厚度、宽度、长度、冷却水孔位置。
4重要结构及性能参数
缸盖底板厚度、缸盖高度、气门个数及位置、喷油器(火花塞)位置、气道喉口直径、进排气道的位置;进气道流量系数旋流数、排气道流量系数。
5重要结构及参数的确定
1)底板厚度:缸盖底板厚度对气缸盖的可靠性有很大影响,底板同时承受机械负荷和热负荷。对于承受机械负荷要求底板有足够的厚
度,为了减小热应力底板应当减薄,因此气缸盖的可靠性就取决于对热负荷和机械负荷二者的协调。下列原则可以用来确定缸盖底面的最大厚度:
缸盖底板内部热传导的公式为:
twi-twa
qδ=∆t=
Fλ
twi(ºC)是缸盖底板燃烧室一侧的温度,twa(ºC)是缸盖底板冷却水一侧的温度,q/F(千卡/米小时)是缸盖底板局部地区的热负荷,
λ(千克/米小时度)是缸盖材料的导热系数, δ(米)是缸盖底板的局部厚度,将上式改写后便得出求底板局部厚度的公式:
twi-twa
qδ=∆t=
Fλ
用此公式便可大致确定缸盖底板的最大厚度。
2) 缸盖高度在某种意义上决定了缸盖的刚度,但是缸盖高度受到整机总布置的限制。
3) 进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响, 进气道影响进气阻力和充气效率,排气道影响排气阻力和废气能量的利用。进气道
直段要尽可能直顺光滑,减小进气阻力,螺旋段要根据发动机的性能和燃烧系统的要求开发出合适的旋流强度。排气道的布置要尽量平顺,减小进气阻力。对于增压机,排气道的截面应设计成圆形,以减少向冷却系统的传热,减小能量损失。在柴油机中,为了减少排气道对进气的加热以提高充气系数,将进排气道部置在气缸两侧。
4)气门位置的确定:进气门与气缸壁的间隙为0.01D-0.02D,排气门与气缸壁的间隙为0.01D-0.015D。 FEV公司认为喷油器与排气门
座间的壁厚≥5mm。与进气门座间的壁厚≥4mm,是可以满足可靠性要求的。气门间距不能太小,否则鼻梁区的型芯强度不够,容易造成烧结、夹渣等铸造缺陷。鼻梁区水套最小厚度应≥5mm。 5)喷油器的位置对发动机性能,排放有很大影响。对于四气门发动机,喷油器位于气缸中心线上,是最佳布置。对于两气门发动机喷嘴要尽量靠近气缸中心。通常情况下对于两气门柴油机,欧I排放的发动机喷嘴与气缸中心直线距离要小于10mm,欧II排放发动机该直线距离小于7mm。
6)进排气门大小的确定:根据经验和Benchmarking可以确定气门的大小,对于卡车发动机进排气门的取值范围是:进气门,
0.41
6典型的形状及位置公差
缸盖顶面、底面粗糙度、喷油器位置度、进排气道位置度、定位销孔位置度;气门导管与气门座圈密封带的同轴度;气门座圈密封带的跳动、粗糙度;
7典型结构及技术要求
气缸盖有整体式、分体式和单体式。对于缸径D150mm 时采用单体式(一缸一盖);当120≤D≤150时采用单体、分体或整体视其他条件而定。
对于气门数量有每缸两气门、每缸四气门。
气缸盖的高度一般取H=(0.9-1.2)D,现代内燃机气缸盖有增高的趋势。适当增加气缸盖的高度,使H=(1.4-1.5)D,对气缸该设计使加强冷却、提高刚度、合理设计进排气道三者都有利。
8典型材料牌号
根据工作条件,气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。各种材料的热强度用热强度系数来表示
抗拉强度 σb
热强度系数=---------------------------- = ----------------------- 热应力特性数 αE/λ
E—弹性模数 λ—导热系数 σb—抗拉强度
热强度系数愈大,热强度也愈大。铸铁气缸盖的工作温度不应超过375-400(380)℃,否则鼻梁区由于热膨胀产生应力而在高温下发生塑性变形,在冷态时又因冷缩受到拉伸,这样热胀冷缩交变作用,由于热疲劳而发生裂纹。铝合金气缸盖的工作温度不应超过220℃,铝合金由于高温而使强度迅速下降。所以要采取有效的冷却措施,使鼻梁区温度不要超过上述数值。
柴油机通常情况下使用HT250。对于轿车用汽油发动机通常用铝合金。 9需要进行的计算验证
气缸盖冷却水流动分析,换热分析、刚度、强度计算 10计算验证方法
CFD流动计算、FE刚度、强度、温度场分布 11典型工艺
铸造
12典型的表面处理工艺
时效处理 13典型的加工工艺 14常见的失效模式
1)鼻梁区裂纹; 2)气门密封不严; 3)气门下陷; 4)气门早磨; 5)烧机油;
15针对失效模式采取的措施
16需要进行的试验验证
1)发动机台架性能试验(按 )
2)发动机可靠和耐久性试验(按 ) 3)冷热冲击试验(按 ) 4)气道性能试验
5)整车可靠和耐久性试验(按 )
17试验验证规范
三. 相关数据库(Benchmarking)
气缸垫设计流程图
11
1003030-11
二.设计规范
1. 主要功能描述
对气缸盖与气缸体之间的高压燃气、冷却水、机油提供有效的密封; 2. 设计原则
根据发动机类型及强化程度,确定采用金属垫或非金属垫,通过结构设计合理分配面压,确保燃气、机油、冷却水的密封,垫片要有很好的压缩回弹性,以确保密封的可靠性; 3. 设计的边界条件
首先确定上水由缸体控制,还是由缸盖或缸垫控制,来确定气缸垫的水孔大小,其余条件见气缸垫片设计调查书; 4. 重要结构及性能参数
压缩厚度,面压分配比,压缩回弹性; 5. 重要结构及参数的确定
根据经验及总布置的输入条件确定压缩厚度,通过气缸垫密封性分析计算进行优化设计; 6. 典型的形状及位置公差
缸口护圈及定位销孔位置度; 7. 典型结构及技术要求
对于气缸垫来说,最难密封的是高压燃气,因此气缸垫的缸口周围都有护圈,以提高缸口周围的面压;两缸之间的鼻梁区,是最易窜气的地方,一般靠局部材料加厚,进一步提高该处的面压。另外面压的分配还要考虑到螺栓的位置,和缸体、缸盖变形等因素对气缸垫密封性的影响; 8. 典型材料牌号
非金属垫:FW522 金属垫:0Cr19Ni9 08Al 等 9. 需要进行的计算验证 气缸垫密封性分析; 10. 计算验证方法
11. 典型工艺
12
冲压
12. 典型的表面处理工艺
表面涂层,提高气缸垫的微密封性能;
13. 典型的加工工艺
14. 常见的失效模式 窜气、油水混
15. 针对失效模式采取的措施 16. 需要进行的试验验证 17. 试验验证规范
三.主参数BENCHMARK表
附:气缸垫设计调查书
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16
气缸盖螺栓设计流程图
17
二 .设计规范
1主要功能描述
气缸盖螺栓式气缸盖与气缸体之间的连接件,主要承受预紧力所造成的机械应力。它的位置和数量对于气缸盖和气缸体的受力情况气缸盖与机体之间接合面密封的可靠程度、以及气缸套的变形大小都有很大的影响。
2设计原则
气缸盖螺栓应具有足够的强度。螺栓数目要足够,以保证压紧均匀,减小局部变形,密封可靠。
3设计的边界条件
发动机最大功率、最大扭矩、最大爆发压力、压缩比、气缸直径、缸盖螺栓位置、缸盖厚度。
4重要结构及性能参数
每缸螺栓数目、预紧力、覆盖系数、螺纹规格和长度,螺纹接合长度、螺栓长度。
5重要结构及参数的确定
每缸螺栓数目多,螺栓直径可以相应减小,相对缸盖的柔性变大,故能减小螺栓上载荷的交变分量,因而相应可以降低预紧力。但是螺栓的布置又受到气道推杆孔、水孔和气缸中心距等具体结构的限制,所以螺栓数目也不能随意增多。 螺纹的规格由螺栓的预紧力和螺栓的覆盖系数的计算结果确定。
螺栓的预紧力要足够,以保证必要的密封压力,但预紧力过大会使机体气缸盖过度变形,反而损坏密封。螺栓的覆盖系数应≥2.7。 计算公式:
Fz=Pz*S
Cf=nFb/Fz
Fz—燃气作用在气缸盖上力 Pz--最大爆发压力
S----燃气作用在缸盖上的投影面积。
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Cf—覆盖系数
n---每缸等效螺栓数 Fb—螺栓力
螺纹的接合长度应大于等于螺纹直径的2倍。 螺栓的长度根据缸盖高度,缸体的结构确定。
6典型的形状及位置公差
螺栓的直线度、螺纹的精度、螺栓头法兰相对螺杆的垂直度。
7典型结构及技术要求
六角头导颈螺栓、双六角头导颈螺栓 8典型材料牌号
40Cr
9需要进行的计算验证
气缸盖螺栓刚度、强度分析 10计算验证方法
11典型工艺
12典型的表面处理工艺
磷化
13典型的加工工艺
螺纹滚丝,搓丝 14常见的失效模式
断裂
15针对失效模式采取的措施
采用合适的材料和结构 16需要进行的试验验证
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拉伸试验 17试验验证规范
三. 气缸盖螺栓相关数据库(Benchmarking)
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