【文章內(nèi)容簡介】 漏氣和漏潤滑油。 為了保證內(nèi)燃機(jī)活塞、連桿、曲軸、氣缸等主要零件工作可靠、 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 耐久，它們互相之間必須嚴(yán)格保持精確的相對位置，因此在機(jī)體設(shè)計(jì)中必須對重要表面的尺寸、幾何形狀、相互位置等提出很嚴(yán)格的公差要求。 因此，為保證柴油 機(jī)可靠和耐久性的工作，應(yīng)考慮下列設(shè)計(jì)要求： 根據(jù)柴油機(jī)的用途，合理選擇機(jī)體結(jié)構(gòu)，保證有足夠的剛度強(qiáng)度，特別要有足夠的剛度。 依據(jù)受力情況，合理設(shè)計(jì)受力部位的結(jié)構(gòu)和形狀。機(jī)體壁的圓角和厚度應(yīng)無急劇變化，以免應(yīng)力集中。 要求尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單。 注意噪聲的降低和考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化問題。 機(jī)體的接近性要好（即易接近氣缸蓋、運(yùn)動件和附件等），便于零件和部件的裝拆、維修和搬運(yùn)。 工藝 性好，成本低廉；材料宜取，價廉材廣。 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 第三章 氣缸蓋設(shè)計(jì) 氣缸蓋作為發(fā)動機(jī)中結(jié) 構(gòu)形狀最為復(fù)雜、功能最為重要的部件之一，也是提高整機(jī)性能的重要結(jié)構(gòu)件之一，是發(fā)動機(jī)技術(shù)競爭的焦點(diǎn)。其內(nèi)部包含有進(jìn)氣道、排氣道、噴油器座孔、冷卻水通道和潤滑油油道等發(fā)動機(jī)工作時所必須的一些功能結(jié)構(gòu)。其外圍要與進(jìn)氣管組件、排氣管組件、配氣機(jī)構(gòu)組件、部分傳動組件、氣門室罩組件等發(fā)動機(jī)工作時所必須的一些輔助部件相連接。存在氣缸蓋內(nèi)部的眾多功能結(jié)構(gòu)和安裝于氣缸蓋外圍的眾多輔助部件，決定了氣缸蓋總體結(jié)構(gòu)的多變性機(jī)及復(fù)雜性，同時也決定了對氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式研究的困難性。 氣缸蓋的合理設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)整機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著重要影響，對 改善發(fā)動機(jī)性能起著重要作用，因此，氣缸蓋的正確設(shè)計(jì)是十分重要的。 167。 氣缸蓋的工作條件 氣缸蓋主要是用來密封氣缸，并與活塞、氣缸套共同形成燃燒空間， 并承受高溫高壓燃?xì)庾饔?。為了保證缸蓋與氣缸套之間的密封，缸蓋還要受到很大的螺栓預(yù)緊力，氣缸蓋各部分溫度很不均勻，火力面溫度最高，而冷卻水套部分溫度較低，進(jìn)氣道和排氣道溫度也不相同，因此氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力很大。 同時，為了讓內(nèi)燃機(jī)的正常工作，要在氣缸蓋內(nèi)外安裝許多零部件，所以在柴油機(jī)氣缸蓋上要布置進(jìn)排氣門、氣門座、進(jìn)排氣道、螺栓孔、噴油器及冷卻水道等等，使 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，所以鑄造殘余應(yīng)力也很大。 一、氣體壓力 氣缸蓋底面受到高壓燃?xì)庾饔脮r，氣體壓力不僅使底板受到彎曲，而且還會通過氣缸蓋內(nèi)部而傳到氣缸蓋的各個部位。氣缸蓋機(jī)械負(fù)荷的大小一般就用最高壓爆發(fā)力來衡量。由氣缸爆發(fā)壓力產(chǎn)生的壓力稱為氣缸蓋的工作壓力。它具有脈動性質(zhì)，其應(yīng)力變化周期和內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)的周期相同，頻率較高。 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 二、氣缸蓋螺栓預(yù)緊力 為了確保氣缸的密封，氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力要比最高爆發(fā)壓力大的多。由預(yù)緊力而產(chǎn)生的應(yīng)力成為氣缸蓋的安裝應(yīng)力。 工作應(yīng)力和安裝應(yīng)力通常叫做機(jī)械應(yīng)力。 三、熱應(yīng)力 氣缸蓋上各部分的溫度分布是很不均勻的，當(dāng)各部分因溫差而產(chǎn)生的變形受到限制時就產(chǎn)生熱應(yīng)力。它的變化周期同內(nèi)燃機(jī)的負(fù)荷改變有關(guān)，相對工作應(yīng)力來說，熱應(yīng)力的變化頻率較低。 實(shí)踐證明，氣缸蓋底板的厚度受到鑄造條件的限制不會很薄，而且還有氣道、噴油器座、氣門導(dǎo)管座等部分加強(qiáng)了它的承載能力，所以由氣體壓力所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力并非十分危險(xiǎn)。而由溫度分布不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力要比機(jī)械應(yīng)力大得多，尤其是氣門座周圍地區(qū)有時要大到 10 倍左右，如果不采取適當(dāng)措施，往往使氣缸 蓋底板發(fā)生裂紋。 在氣門座與噴油器座孔附近，不但溫度高，而且溫度分布也不均勻，壁厚分 布也不一樣，變形也不相同，這些因素都使應(yīng)力了增加，因而在這些地方最容易產(chǎn)生裂紋。 167。 氣缸蓋的設(shè)計(jì)要求 氣缸蓋的工作條件是比較苛刻的，它要承受燃燒的高溫高壓氣體產(chǎn)生 的作用。在柴油機(jī)氣缸蓋上要布置進(jìn)排氣門、氣門座、進(jìn)排氣道、燃燒室、噴油器以及冷卻水道等等，氣缸蓋的結(jié)構(gòu)就變得很復(fù)雜，使鑄造和加工也變得困難。 從氣缸蓋的功用和工作條件出發(fā)，它應(yīng)當(dāng)滿足下列要求 [ 7 ]： 一、氣缸蓋應(yīng)具有足夠的 強(qiáng)度和剛度，工作時缸蓋變形最小并保證與氣缸的接合面和氣門座的接合面有良好的密封。缸蓋變形過大會加速氣門座磨損、氣門桿咬死和氣缸密封遭到破壞，造成嚴(yán)重漏氣、漏水和漏油，使柴油機(jī)無法工作。 二、要根據(jù)混合氣形成和燃燒方式布置出合理的燃燒室形式，氣門和氣道布置合理，力求使柴油機(jī)性能良好。 三、氣缸蓋形狀要盡可能簡單、對稱，在拐彎處要采用圓角過渡， 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 盡量使其平滑，各處相連壁厚不宜相差過大。 四、對配氣機(jī)構(gòu)、噴油器及螺栓等部件的布置，要考慮維修與調(diào)整方便。 五、清沙孔和工藝孔要合理布置， 使整個氣缸蓋具有良好的加工工藝性。 六、材料的選擇應(yīng)綜合考慮鑄造性、焊接性和耐磨性，要具有良好的強(qiáng)度及導(dǎo)熱性，熱膨脹系數(shù)要小，成本低廉。 七、氣缸蓋應(yīng)盡量消除內(nèi)應(yīng)力 和熱應(yīng)力。 冷卻合適，缸蓋溫度場分布均勻，避免氣門座之間形成裂紋。 167。 氣缸蓋的材料 選擇合適的材料是設(shè)計(jì)工作的重要環(huán)節(jié)之一。由于氣缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前主要用鑄造的方法生產(chǎn)。因此對于氣缸蓋材料的鑄造性能必須予以足夠的重視。氣缸蓋是受熱零件，其熱應(yīng)力特性數(shù)值愈小，則受熱時產(chǎn)生的熱應(yīng)力也愈小?？梢姎飧咨w材料的導(dǎo)熱系數(shù)要大，熱膨脹系 數(shù)要小。材料的熱強(qiáng)度用材料的強(qiáng)度系數(shù)表示，它是材料的拉伸極限強(qiáng)度與材料的熱應(yīng)力特性數(shù)之比值。顯然，此值愈大，則熱強(qiáng)度愈好。 對于氣缸蓋材料首先要有足夠的剛度、強(qiáng)度和抗熱疲勞性能；其次應(yīng)該價格 低廉，來源廣泛，良好的澆鑄和切削性能；對于柴油機(jī)氣缸蓋材料目前實(shí)用化的氣缸蓋材料有鑄鋁、鑄鐵和鋼三種。處在研究階段的有聚合物復(fù)合材料與蠕墨鑄鐵。然而就目前國內(nèi)而言，除了部分轎車采用鋁合金外大部分還是采有鑄鐵材料 [ 13 ]。 以新材料應(yīng)用為主要途徑的柴油機(jī)輕量化是柴油機(jī)發(fā)展的方向，它可以降低燃油消耗、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。在滿 足使用性能的條件下，盡量選用經(jīng)濟(jì)的材料，所以本次 480 柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)選擇剛度，鑄造性能都很好的合金鑄鐵作為鑄造材料 。 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 167。 氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式的選擇 水冷內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋有整體式、分塊式和單體式三種。 當(dāng)缸徑 D≤ 105 mm 時，一般多采用整體式氣缸蓋。它的特點(diǎn)是： 1）氣缸蓋內(nèi)部空間較大，水腔易布置。 氣缸中心距可取的較小，結(jié)構(gòu)緊湊，零部件數(shù)量少。柴油機(jī)剛度有所改善。 2）氣缸蓋上的油、水管路布置簡單。 3）氣缸蓋局部損壞時，整個氣缸蓋易報(bào)廢。 4）受力不均勻，熱應(yīng)力較高，易翹曲，變形大，密封 性差。 5）若采用四氣門氣缸蓋時，“鼻梁區(qū)”不能鉆冷卻水孔。 因此被小型和高速輕型水冷式 內(nèi)燃機(jī)廣泛采用。 從保證氣缸密封來看，單體式的氣缸蓋好，因?yàn)闅飧咨w壓緊時互不干擾，對每一個單獨(dú)的氣缸蓋來說壓力均勻。但是單體式氣缸蓋 在結(jié)構(gòu)上就比較困難，因?yàn)楦鞑糠直诤衽c泥芯截面尺寸受到造型和澆鑄條件的限制而不能按缸徑比例縮小，這樣就不能在保證有適當(dāng)?shù)谋诤窈湍嘈境叽绲臈l件下得到既有足夠的氣道面積又有先進(jìn)的氣缸中心距。分塊式氣缸蓋介于整體式和單體式之間，它多用于六缸機(jī)以上的發(fā)動機(jī)。這次設(shè)計(jì)的 480 柴油機(jī)采用的是整體式氣 缸蓋，這樣有利于制造和批量生產(chǎn)。 167。 氣缸蓋主要尺寸的確定 167。 氣缸蓋高度 氣缸蓋高度是重要尺寸之一 ,影響剛度、強(qiáng)度、冷卻效果以及缸蓋墊密封性、螺栓動應(yīng)力和氣缸蓋安裝應(yīng)力。同時，氣缸蓋高度也取決于氣道、水腔、壁厚、燃燒室結(jié)構(gòu)和噴油器尺寸的布置。 頂置氣門內(nèi)燃機(jī)由于有進(jìn)排氣道，高度較大，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式H=(~)D。現(xiàn)代中小型高速柴油機(jī)氣缸蓋的高度，特別是多缸整體氣缸蓋的高度，有適當(dāng)加大的趨勢。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)向高速高功率方向發(fā)展，使氣缸蓋熱負(fù)荷不斷增加，適當(dāng)加大氣缸蓋的 高度，對氣缸蓋設(shè)計(jì)時加強(qiáng)冷卻、 提高剛度、合理設(shè)計(jì)進(jìn)排氣道三者都有利。氣缸蓋 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 高度的適當(dāng)提高，其內(nèi)腔高度也相應(yīng)增大，冷卻水阻力減小，流量增大。同時，缸蓋的剛度增大，對防止變形和防止三漏十分有利。當(dāng)然，這樣做要增加一 些內(nèi)燃機(jī)高度和重量，但綜合效果還是利多于弊。 綜上所述，本次設(shè)計(jì)的 480 高速柴油機(jī)的缸蓋高度取 H=90 mm。 167。 氣缸底面壁厚 氣缸蓋底面壁厚與缸徑和柴油機(jī)強(qiáng)化程度密切相關(guān)，選擇恰當(dāng)與否，影響著柴油機(jī)工作的可靠性。 目前多數(shù) 柴油機(jī)缸蓋按缸徑大小來選擇底面壁厚。一般鑄鐵材料的氣缸蓋按照圖 31 中δ = + 為 宜。 圖 31 缸蓋底板厚度與缸徑的關(guān)系 ? ? 指缸蓋底面厚度范圍 查圖 31，缸蓋厚度δ取 9mm。 167。 缸蓋其余尺寸確定 小型柴油機(jī)氣缸蓋頂面有 1176。～２176。傾斜，可排除冷卻水中的氣泡，有助于搖臂機(jī)構(gòu)潤滑油流回曲軸箱。推薦的氣缸蓋其余部分尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，及 480 柴油機(jī)其他尺寸的取值見表 33 車輛與動力工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 名稱 符號 經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)公式 480 柴油機(jī)取值（ mm） 頂面壁厚 δ a δ a=（適用于D140mm 以下） 5 氣門導(dǎo)桿孔壁厚 δ v 4～ 5（ 65≤ D＜ 105）（ mm） 5 氣道壁厚 δ k 4～ 5（ 65≤ D＜ 105）（ mm） 5 螺栓孔壁厚 δ s δ s=(～ )D 5 側(cè)面壁厚 δ T δ T=(～ )D 5 安裝噴油器壁厚 δ n δ n=(～ )D 5 氣門偏離氣缸e1 e1 一般 e 1 =10～ 15 mm，最小為3～ 5mm 5 氣門中心距 q q=(～ )D 40 總長 l 446 總寬 B 199 表 33 氣缸蓋其余尺寸表 [ 10 ] 167。 氣缸蓋火力面的布置 氣缸蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)從火力面的布置開始。火力面布置包括：燃燒室的布置；喉口尺寸的選擇和布置；噴油器的布置。 167。 燃燒室的選擇 燃燒室的布置決定于混合氣的形成方式。本次設(shè)計(jì)的 480 高速柴油機(jī)要求為直接噴射式柴油機(jī)。由于它的轉(zhuǎn)速高，混合氣形成和燃燒的時間極短，每循環(huán)供油量又很少，單靠霧化混合，則噴孔直徑必須做得很小，噴油壓力很高，使燃油系統(tǒng)制造困難。為