【文章內容簡介】 的安裝應力。 工作應力和安裝應力通常叫做機械應力。 三、熱應力 氣缸蓋上各部分的溫度分布是很不均勻的，當各部分因溫差而產生的變形受到限制時就產生熱應力。它的變化周期同內燃機的負荷改變有關，相對工作應力來說，熱應力的變化頻率較低。 實踐證明，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、氣門導管座等部分加強了它的承載能力，所以由氣體壓力所產生的機械應力并非十分危險。而由溫度分布不均勻所產生的熱應力要比機械應力大得多，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，這些因素都使應力了增加，因而在這些地方最容易產生裂紋。 167。 氣缸蓋的設計要求 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生 的作用。在柴油機氣缸蓋上要布置進排氣門、氣門座、進排氣道、燃燒室、噴油器以及冷卻水道等等，氣缸蓋的結構就變得很復雜，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)，它應當滿足下列要求 [7]： 一、氣缸蓋應具有足夠的強度和剛度，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，造成嚴重漏氣、漏水和漏油，使柴油機無法工作。 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， 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 16 盡量使其平滑，各處相連壁厚不宜相差過大。 四、對配氣機構、噴油器及螺栓等部件的布置，要考慮維修與調整方便。 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、材料的選擇應綜合考慮鑄造性、焊接性和耐磨性，要具有良好的強度及導熱性，熱膨脹系數(shù)要小，成本低廉。 七、氣缸蓋應盡量消除內應力 和熱應力。 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計工作的重要環(huán)節(jié)之一。由于氣缸蓋的結構復雜，目前主要用鑄造的方法生產。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，其熱應力特性數(shù)值愈小，則受熱時產生的熱應力也愈小?？梢姎飧咨w材料的導熱系數(shù)要大，熱膨脹系數(shù)要小。材料的熱強度用材料的強度系數(shù)表示， 它是材料的拉伸極限強度與材料的熱應力特性數(shù)之比值。顯然，此值愈大，則熱強度愈好。 對于氣缸蓋材料首先要有足夠的剛度、強度和抗熱疲勞性能；其次應該價格 低廉，來源廣泛，良好的澆鑄和切削性能；對于柴油機氣缸蓋材料目前實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合材料與蠕墨鑄鐵。然而就目前國內而言，除了部分轎車采用鋁合金外大部分還是采有鑄鐵材料 [13]。 以新材料應用為主要途徑的柴油機輕量化是柴油機發(fā)展的方向，它可以降低燃油消耗、節(jié)約能源、保護環(huán)境。在滿足使用性能的條件下，盡量選用經濟的材料，所 以本次 480 柴油機氣缸蓋的設計選擇剛度，鑄造性能都很好的合金鑄鐵作為鑄造材料 。 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 17 167。 氣缸蓋結構形式的選擇 水冷內燃機的氣缸蓋有整體式、分塊式和單體式三種。 當缸徑 D≤ 105mm 時，一般多采用整體式氣缸蓋。它的特點是： 1）氣缸蓋內部空間較大，水腔易布置。 氣缸中心距可取的較小，結構緊湊，零部件數(shù)量少。柴油機剛度有所改善。 2）氣缸蓋上的油、水管路布置簡單。 3）氣缸蓋局部損壞時，整個氣缸蓋易報廢。 4）受力不均勻，熱應力較高，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 內燃機廣泛采用。 從保證氣缸密封來看，單體式的氣缸蓋好，因為氣缸蓋壓緊時互不干擾，對每一個單獨的氣缸蓋來說壓力均勻。但是單體式氣缸蓋 在結構上就比較困難，因為各部分壁厚與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?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，它多用于六缸機以上的發(fā)動機。這次設計的 480 柴油機采用的是整體式氣缸蓋，這樣有利于制造和批量生產。 167。3. 5 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、強度、冷卻效果以及缸蓋墊密封性、螺栓動應力和氣缸蓋安裝應力。同時，氣缸蓋高度也取決于氣道、水腔、壁厚、燃燒室結構和噴油器尺寸的布置。 頂置氣門內燃機由于有進排氣道，高度較大，一般采用經驗公式H=(~)D。現(xiàn)代中小型高速柴油機氣缸蓋的高度，特別是多缸整體氣缸蓋的高度，有適當加大的趨勢。因為內燃機向高速高功率方向發(fā)展，使氣缸蓋熱負荷不斷增加，適當加大氣缸蓋的高度，對氣缸蓋設計時加強冷卻、 提高剛度、合 理設計進排氣道三者都有利。氣缸蓋 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 18 高度的適當提高，其內腔高度也相應增大，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。當然，這樣做要增加一 些內燃機高度和重量，但綜合效果還是利多于弊。 綜上所述，本次設計的 480 高速柴油機的缸蓋高度取 H=90mm。 167。 氣缸底面壁厚 氣缸蓋底面壁厚與缸徑和柴油機強化程度密切相關，選擇恰當與否，影響著柴油機工作的可靠性。 目前多數(shù) 柴油機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 小型柴油機氣缸蓋頂面有 1176?！?76。傾斜，可排除冷卻水中的氣泡，有助于搖臂機構潤滑油流回曲軸箱。推薦的氣缸蓋其余部分尺寸的經驗公式及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，及 480 柴油機其他尺寸的取值見表 33 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 19 名稱 符號 經驗或統(tǒng)計公式 480 柴油機取值（ mm） 頂面壁厚 δ a δ a=（適用于D140mm 以下） 5 氣門導桿孔壁厚 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 e1=10～ 15mm，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 [ 1 0] 167。 氣 缸蓋火力面的布置 氣缸蓋的設計應從火力面的布置開始?；鹆γ娌贾冒ǎ喝紵业牟贾?；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。本次設計的 480 高速柴油機要求為直接噴射式柴油機。由于它的轉速高，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。為了獲得較好的性能指標，須在較小的過量空氣系數(shù) Ф a 時有較好的燃燒過程，則需采 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 20 用有渦流的深坑形燃燒室 [12]。 167。 喉口尺寸的選擇和布 置 氣缸蓋底板上的氣門座孔通常叫做喉口。從保證有盡可能大的進排氣時間 截面積和盡可能小的氣流阻力出發(fā)，總是力求加大喉口直徑。但增大喉口直徑受到一定限制，首先應使同一氣缸的所有氣門能在氣缸底板這一有限尺寸內安排的下，同時還須安排噴油器。喉口到氣缸壁之間的距離不能太小，否則接近氣缸壁面部分的氣門通過面積實際流通效率顯著下降，阻力增加，加大喉口所取得的效果也受到影響。根據(jù)統(tǒng)計，這個距離一般取 為宜 [3]。喉口之間的距離不能太小，否則這里型芯強度不夠，易造成金屬堆積。兩氣門之間或氣門與噴油器座之間的冷卻水套 空間曲面最小半徑應取 3 毫米左右，澆鑄壁厚一般取 5 毫米。 在非增壓柴油機中，因為進氣阻力對內燃機性能的影響比排氣的大，所以進氣門喉口直徑 sid 一般比排氣門喉口直徑 sed 大 [1]。通過經驗公式 : Ddsi )~(? Ddse )~(? 取 30?sid ； 26?sed 。 167。 噴油器的布置 噴油器可布置在氣缸中心線上，或做很小的偏移。豎直方向上與氣缸中心線夾角 ?? 30~20 ，偏置在燃燒室喉口邊緣，順氣流傾斜噴射。 燃燒室、噴油器與氣缸最好同心布置，但在二氣門 的氣缸蓋上對稱布置有困難，三者中心線不得不互相錯開，并且由于進氣門比排氣門大，使燃燒室中心和噴油器向排氣門一側偏移（見圖 32） [14]。一般偏移量為 ?De , ?De 。 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 21 圖 32 噴油器與燃燒室的位置關系 167。 進、排氣道的布置 進、排氣道的設計對內燃機性能有很大的影響，進氣道影響進氣阻力和充氣效率，排氣道影響 排氣阻力和廢氣能量的利用。為了氣門驅動方便，當采用兩氣門時，一般都將氣門中心線的連接線放在平行 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 22 曲軸軸線方向。在柴油機中，為了減小排氣通道對進氣的加熱，以提高充氣系數(shù)，一般采用將進排氣通道布置在氣缸兩側，而且在總布置上經常將凸輪軸布置在排氣道一側，將噴油泵和噴油器布置在進氣道一側。 氣道設計要符合下列空氣動力學的要求：氣道截面積要大，變化要緩慢，拐彎圓角要順，表面要盡量光滑。 （一）排氣道 從排氣門座到氣道喉口之間應有一個逐漸收縮的過渡區(qū)作為引流段。氣道喉口直徑為排氣門直徑的 92～ 96%。從喉口到排 氣道的出口用一個大圓弧過渡，這一段的面積要逐漸擴大，排氣道出口面積一般是喉口面積的 ～ 倍。排氣道在氣缸蓋內必須盡可能短，以減少向冷卻水的傳熱。 （二）進氣道 氣流在進氣道內的流動過程和排氣道正好相反，要求進氣口有盡可能大的面積，然后逐漸收縮至喉口。喉口處的面積為進口面積的 80～ 90%，從喉口到氣門座應有一段引流，進氣道喉口直徑為進氣門直徑的 92～ 96%。氣道進口面積約為進氣門面積的～ 倍。進氣道不但要求阻力小，根據(jù)不同機型的實際情況，還要求進入氣缸后的氣流具有一定的渦流 運動。 167。 氣缸蓋的冷卻 氣 缸蓋結構復雜，各點間的溫差很大，熱應力比機械應力還大。因此，必須重視冷卻水套的設計，合理地布置水道和組織冷卻水流，排除水的流動死區(qū)。 為了使氣缸蓋各部分溫度分布盡可能均勻，避免局部溫差過大產生熱應力，造成變形和裂紋，對冷卻水道的設計，應遵循下列原則 [6]： 加快冷卻水的流速 提高水的流速可是層流層減薄，有利于傳熱，從而減小底板兩側的溫差，以降低熱應力；并且降低受熱面的最高溫度值，使材料處在較低的溫度下工作，以保持較高的抗蠕變能力。 加強高溫區(qū)的冷卻 氣門座之間和 氣門座與噴油器之間的底板部分，不但受高溫燃氣 車輛與動力工程學院畢業(yè)設計說明書 23 的沖刷，而且氣門和噴油器也向這里散熱，因此溫度很高。加上這里金屬的厚薄差別很大，溫度分布不均勻，往往出現(xiàn)裂紋。設計時，對這些地方的冷卻需要采取適當措施。 （ 1） 進排氣門之間的“鼻梁區(qū)”