设计指南气缸盖Word文档下载推荐.docx

设计指南气缸盖Word文档下载推荐.docx

《设计指南气缸盖Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《设计指南气缸盖Word文档下载推荐.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

发动机工作时，气缸盖各部分温度很不均匀，气缸盖底面燃烧室部分（一般称为火力岸）温度很高，而冷却水套或散热片部分的温度很低，进气道和排气道的温度也不相同，因此，气缸盖的机械应力和热应力都很大。

特别是由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用。

这些裂纹通常出现在气门座和喷油器（或火花塞）座之间，特别是进、排气门座之间的地区（一般称为鼻梁区）很容易形成热疲劳裂纹，再加上铸造残余应力也很大，因此气缸盖的工作条件十分严酷。

同时，气缸盖受热时引起的变形如果过大，会影响与气缸的接合面和气门座接合面的密封，加速气门座的磨损，产生气门杆“咬死”，甚至造成漏气、漏水和漏油等现象，使内燃机无法工作。

由此，对气缸盖的设计要求是：

（1）要根据混合气的形成和燃烧方式，合理布置气门和气道。

（2）保证高温部分能得到较强的冷却，使气缸盖的温度分布均匀，尽可能减小热应力，避免出现热疲劳裂纹。

（3）应具有足够的强度和刚度，保证承受机械应力和热应力时能可靠工作，并保证良好的密封。

（4）结构工艺简单、便于生产；

对装置在气缸盖上的机件要便于拆装和维修。

2气缸盖结构形式及特点

水冷式内燃机气缸盖的结构型式可分为整体式、分体式、单体式以及连体式四种。

整体式是整列气缸共用一个气缸盖；

分体式是每两个或三个气缸共用一个气缸盖；

单体式是每一个气缸有一个单独的气缸盖；

连体式是气缸盖和气缸体不分开，连成一整体。

整体式气缸盖可以缩短气缸中心距，结构紧凑零部件数量少，内燃机刚度好，重量轻，水腔容易布置，成本较低。

但是，铸造复杂，形状误差大，制造废品率较高；

气缸盖局部损坏时，整个气缸盖即成废品；

气缸盖总长度大，接合面的平面度在工艺上不容易保证；

沿气缸盖长度方向的刚度差，当受力不均匀或受热不均匀时，气缸盖容易翘曲变形，从而破坏对气缸的密封性。

为了克服后一缺点，有的内燃机将整体式气缸盖相邻两缸中间铣出横槽，以增加弹性，减小因受力或受热不均匀而引起气缸盖的翘曲变形。

图2.两缸中间横槽

分体式和单体式气缸盖（特别是单体式气缸盖）长度短，它与气缸体之间的密封平面小，加工平面度的要求容易保证，气缸盖螺栓的压紧力分布也比较均匀，受力或受热不均匀时气缸盖翘曲变形相应减小，这将提高气缸盖密封的可靠性。

而且，这两类气缸盖铸造容易，废品率低，维修也比较方便，系列通用化高，便于大量生产；

气道位置精度高，对配气有利。

它们的缺点是：

要求较大的气缸中心距，增加了内燃机的长度和重量；

如果要采用较小的气缸中距，相邻的两个气缸盖就必须用共用螺栓的办法，但这时对相邻气缸盖之间的高度公差要求高，否则会出现一松一紧的现象。

另一缺点是：

各气缸盖之间互不相连，增加了油管、水管的联接和密封的困难，并结构比较复杂。

图3.单体式气缸

连体式气缸盖保证了密封的可靠性，而且刚度大，但制造工艺性差。

一般气缸直径较小的水冷式内燃机通常采用整体式气缸盖，个别采用分体式气缸盖。

对于直径稍大一些的水冷式内燃机，则往往采用二缸一盖或三缸一盖的分体式气缸盖，个别也有采用单体式气缸盖的；

但有些内燃机为了提高结构紧凑性和简化工艺，还有采用整体式气缸盖的。

对于直径再大一些的水冷式内燃机（D＞150mm），大多数采用单体式气缸盖。

连体式气缸盖则仅在个别强化的水冷式内燃机中应用。

3气缸盖的材料

气缸盖的结构十分复杂，所以汽车、拖拉机、工程机械和农用内燃机的气缸盖都是采用铸造的方法来制造。

根据制造方法、工作情况和设计要求，气缸盖的构料应该是：

铸造性能良好，热强度高，并价格低廉。

目前制造气缸盖的材料通常有铸铁和铝合金两种，这两种材料铸造性能都良好，但热强度和价格以及材料密度各异。

众所周知，各种材料在变形受到限制时，所产生的热应力大小可以用热应力特性数（αE/λ）来表示，其中a、E、λ分别为材料的线膨胀系数、弹性模量及导热系数。

特性数越小，则材料受热时产生的热应力也越小。

同时用材料的拉伸强度σb和热应力特性数（αE/λ）的比值——热强度系数。

σb/（αE/λ）来比较它们的热强度。

温度低于250℃时，铝合金具有相当高的热强度，而温度高于250℃以上时，铸铁具有较高的热强度，不过当温度达到400℃时，铸铁的热强度也迅速下降。

因此，铝合金气缸盖的工作温度一般不应超过220℃，而铸铁气缸盖的工作温度一般不应超过375—400℃。

由于铸铁气缸盖的工作温度较高，并且在常用温度范围内，热强度已能满足设计要求。

同时价格低廉，所以一般水冷式内燃机多数采用HT21—40、HT25—47等铸铁来制造气缸盖或者采用合金铸铁来制造，以提高拉伸极限强度和耐热性。

只有一些汽油机：

考虑到铝合金气缸盖导热性比铸铁好，有利于提高压缩比，采用铝合金来制造。

目前对铝缸盖来说，AlSi6Cu4是比较通用和合适的材料。

另外，AlSi7Mg0.3也是较为普遍的材料。

虽然由于铝合金机械强度较低，设计中须将壁厚选得比铸铁的大一些，但因其密度小，增加壁厚之后，其重量一般也只有铸铁气缸盖的一半左右。

由于铝合金的工作温度较低，必须加强冷却，同时，由于铝合金不能耐冲击，耐磨性差，必须在气门座处镶有合金铸铁制造的气门座圈。

4气缸盖壁厚设计

设计气缸盖的基本尺寸时应能保证其具有足够的强度和刚度。

影响气缸盖刚度最主要的尺寸是气缸盖的高度。

加大高度，可以增加刚度，改善气缸盖与气缸体之问的密封性，减少螺栓中的动应力及气缸盖的安装应力。

气缸盖的高度与气门进、排气道布置、燃烧室型式及水腔高度等因素有关。

现代内燃机均采用顶置气门，气缸盖高度一般为H＝（0.9~1.2）D，D为气缸直径。

近代内燃机向高速、高功率方向发展，气缸盖高度有适当加大的趋势，有的高度己达1.5D，这直接影响了内燃机的高度。

在气缸盖高度一定的情况下，为增加刚度，有些内燃机采用帽式气缸盖或上部带凸边的气缸盖。

此外，还可以在气缸盖内壁设置适当的加强筋，增加受力部位最大处的断面系数；

也可以将气缸盖螺栓孔壁做成X形，以增加螺栓固定时的刚度。

气缸盖的最小壁厚取决于铸造的可能性，一般最小为4mm。

但是有气门座圈的气缸盖底面或燃烧室壁面，其厚度要加大到10mm~15mm，以减小翘曲，保证气门的密封性。

缸盖的刚度，需要通过FE计算来模拟。

（一般的边界条件是最大点火压力（90bar,1.6L），最大油温（150℃,1.6L）和环境温度（-30℃到+45℃,1.6L）。

具体的来说，气缸盖的底面（火力面）的壁厚通常为（0.05~0.11）D；

顶面壁厚为（0.08~0.095）D；

侧面壁厚为（0.055~0.085）D。

在保证必要的刚度和强度的条件下，火力面壁厚尽可能取小一些，以避免发生热疲劳裂纹，但要适当增加顶面和侧面的壁厚。

气缸盖其它部分的壁厚主要决定于铸造工艺。

在铸造工艺许可的条件下应尽可能减薄壁厚，一般约为5~6mm。

气缸盖水道的高度取决于冷却的需要和铸造砂芯的强度，一般不应小于4~5mm，尤其排气道外壁和气缸盖底板之问水道的高度不能太小，以保证可靠冷却。

对於缩孔和气孔的直径小於2.0mm，且两个相邻的单个的孔间距大於10mm的铸造缺陷是可以接受的。

气缸盖不允许焊接，粘接，螺塞堵头等修复工艺。

但是铸件允许喷砂处理，在无压的油室允许进行一次渗补。

5气缸盖结构工艺性考虑

气缸盖的结构在满足工作要求的条件下，应尽量使工艺性良好，铸造和机械加工方便。

内燃机气缸盖内部形状复杂，设计过程中必须考虑到型芯的分模与强度以及取放型芯的方便和清除内部型芯的可能。

分型面的位置要既能分型又不能处在加工面上。

为此，气缸盖的侧壁和上部都要开设一定大小和数目的出砂口，而在铸造时还可以作为型芯的支撑孔。

为使这些工艺孔不至过多的削弱气缸盖的强度，一般其直径不大于40mm，并尽量避免开在受热严重的区域。

气缸盖为了便于加工,其硬度不能太大,也不能太小,太大对刀具寿命有影响,太小加工的时候容易粘刀,一般在硬度控制在80HB到100HB范围内比较合适.由此热处理一般采用T7处理:

1）在最高温度525°

C下加热6小时达到匀化。

2）T=70°

C下淬火。

3）T=200°

C下退火，保温4小时。

4）空冷。

缸盖和气门机构装配在一起，要保证气门机构正常的工作，缸盖和气门机构件之间的间隙配合必须合适。

一般说来，缸盖和凸轮轴的轴承的配合选用H7（f7）；

缸盖和气门导管之间采用过盈配合；

缸盖和气门座圈采用过盈配合。

6缸盖重要部分设计

气缸盖的结构与气门和气道的布置以及冷却水套或散热片的安排等有密切关系，同时，还要考虑装在气缸盖上的机件的布置问题。

以下分别介绍缸盖重要部位设计中应考虑的一些问题。

6.1气道设计

6.1.1设计要求

进排气道的设计对内燃机的性能有很大的影响，进气道影响进气阻力和充气效率ηv，排气道影响排气阻力和废气能量的利用（如废气涡轮增压）。

为了保证内燃机有尽可能高的充气效率，进排气道通常有足够大的面积，气道断面要避免突变，最好由气道口起向进气道的进口和排气道的出口通道面积分别均匀增大20％左右，同时铸出的气道表面要尽量光滑。

因此，要选若干进排气道截面，绘制图形，计算通过面积，并按要求对它们的形状和大小进行修正设计，直到满足要求为止。

试验表明，气门口的前面在气流拐弯的中心一侧增加一块圆滑的突起，可以减小进气阻力。

这个突起使进气流挤向弯道的外壁，使气流转弯更好，并使进气门环状开口更均匀地为气流所通过，实际上提高了进气门通过断面的利用率。

在进气门口加一文氏管形环，可使高速时的进气量显著增加。

文氏管断面的收缩率对空气流量的影响如图（3）所示。

图4.进气道喉管中文氏管形状对气流量的影响

（试验发动机单缸排量0.33升）

一般来说，对契形燃烧室，较扁平的气门头较有利；

对半球形燃烧室，过渡半径较大的气门头有利。

适当的加大进气道后可以减小进气阻力，避免急剧转弯也能减小气流的阻力。

现代设计师们业已利用CAE技术来进行充量更换计算，设计进排气管路系统。

但有时候由于布置而放弃较理想的设计方案。

6.1.2典型气道及其优缺点

气道有切向气道，螺旋气道和带导向屏的气道。

切向气道：

切向气道比较平直，在气门座前强烈收缩，引导气流以单边切线方向进入汽缸。

切向气道结构较简单，由於在气门口速度分布不均，气门的流通面积实际得不到充分利用，在涡流高时，进气阻力将会很快增加。

所以，切向气道一般用在涡流要求不高的发动机。

螺旋气道：

在气门座上方的气门腔内形成做成螺旋形.使气流在螺旋气道内就形成一定强度的旋转,其气门口处的气流情况相当于在平直气道出口速度分布的基础上增加一个切向速度.螺旋涡流气道对铸造工艺和加工的要求较高。

带导气屏的气道：

强制空气从导气屏前面流出，依靠汽缸壁约束产生旋转气流。

导气屏气道在试验时调整比较容易，但是由於它的流通阻力较大，冲量系数低，对进气门要装导向装置，以防气门工作时转动，使结构复杂，成本增加。

且气门易偏磨，密封不好。

6.1.3气道布置设计

发动机中为了减轻进气被预热的程度，提高充量系数，通常把进气道和排气道分别布置在气缸盖的两侧。

在以前使用化油器的汽油机中，为了加快燃油与空气的混合，利用排气的热量加热进气，将进排气道一般布置在气缸盖的同侧。

为了防止气门导管的变形以及保持与气门座的同心度，气门导管孔不宜钻在气道的斜壁上，如果它一定要通过斜壁，则应该在斜壁上做出一个直径稍大的下沉支承面。

进气门的导管可以伸到气道中，而排气门导管则最好不要伸到排气道中，因为导管的下端会因受热胀大，在胀大的导管间隙中容易形成积碳，导致气门杆卡死在气门导管中。

6.2水套设计

6.2.1设计要求

冷却水道的设计，应能使冷却水首先进入热负荷较高的地方，然后再流向热负荷较低的地方。

为此，有些气缸盖上制有导水筋片或喷水管。

喷水管可埋铸在气缸盖中或与气缸盖铸成一体。

气门座之间的鼻梁区以及喷油器座或火花塞座与气门之间，或气门与涡流室、预燃室之间的狭壁，是气缸盖中最容易产生热裂的地方，应首先保证有足够的冷却，其冷却水通道的最小半径R应不小于3mm，狭壁也不宜过高，或者在鼻梁区中钻水孔以加强冷却。

图5.冷却水套

在设计水腔时，水流不应有死区，否则会使局部温度过高；

也应防止水流短路，流进水腔的水应经过有组织的冷却后再从出水口流出。

布置进水口位置与各股冷却水流时，不应使其互相作用而形成很强的涡流。

因为在涡流区易形成蒸气，引起局部过热。

布置进水口时，还必须注意要与气缸盖螺栓孔或机油通道有适当距离，否则不易互相密封。

气缸盖顶板应略有倾斜，出水口应该布置在最高处，以避免形成空气囊和蒸气囊而影响散热，如果出水口不是布置在最高处，为了避免形成空气囊和蒸气囊而影响散热，则应该在水套的最高部位加工一个出气口。

水腔最热部分的通道不应太窄（不窄于4mm）否则就会有强烈的蒸气产生，使水垢加速形成而堵塞通道。

必须注意，过分增加通道断面会使水的流速减低影响散热而使局部温度增加。

6.2.2水套的主要设计参数

缸盖需要将燃烧产生的热量部分传导到整机的冷却系统中，保证发动机在一定的

温度下工作，避免由於过高的温度将发动机的零部件损坏或产生老化变形。

缸盖水套主要作用是冷却气缸盖，避免缸盖过热。

水套的设计要考虑到本身的容积和流通性能。

同时考虑缸盖的最小壁厚等因素。

在水套的流通能力需要经过FEA计算，找出临界点并进行优化，主要是优化圆角增加流通性。

6.3润滑油路的设计

缸盖需要润滑和它装配在一起的气门机构。

对于有VVT系统的发动机缸盖必须有专门的油路来润滑和驱动VVT系统。

（如**1.6NA_CBRVVT发动机）

缸盖的油路一般布置是有一个油道和缸体油道相连，润滑油从此油道进入缸盖。

如果没有VVT系统，则直接分配到需润滑的元件。

如果有VVT系统，则通过一个节流阀把润滑油分成高压油路系统和低压油路系统。

高压油路系统是润滑和驱动VVT系统，低压油路系统是润滑凸轮轴和气门机构元件。

另外缸盖上还需要有泄油孔，让润滑油回到油底壳中。

6.4气缸盖螺栓布置设计

气缸盖上的气缸盖螺栓数目及其布置不仅关系到气缸盖本身的构造，而且涉及内燃机的长度尺寸和刚度，还对气缸盖和气缸体的受力情况、气缸套与气缸体之间的密封性以及气缸套的变形大小有直接影响，因此气缸盖螺栓的数目及其布置直接影响内燃机工作的可靠性和耐久性。

气缸盖螺的栓数目应该尽可能多一些。

因为，气缸盖总预紧力是一定的，螺栓数日愈多，则分配给每一个螺栓的预紧力就愈小，这样可以避免由于气缸体中产生安装应力而引起气缸盖底面的变形以及气门座的变形。

同时，螺栓数目多时，螺栓直径可以相应减小，相对于气缸盖的柔性变大，这可以减小螺栓负荷的交变分量，因而可以减小预紧力。

此外，螺栓数目多，两螺栓之间的距离减小，对气缸盖衬垫的压紧力就较均匀，从而保证气缸盖衬垫的密封性。

但螺栓数目过多，不仅会使气缸盖的结构及安装复杂，而且在气缸中的布置也有困难，因为这受到气道、水道、挺杆孔以及气缸中心距等很多条件的限制。

通常每缸的螺栓数目在4—8个之间，多数为5—6个。

在气体压力较低、气缸直径较小时，宜采用较少的螺栓数。

螺栓数目也可根据每缸螺栓最小的总断面积和活塞面积比值来选择，此比值一般为，0.065—0.158，多数取为0.08—0.1。

气缸盖螺栓的布置应尽量靠近气缸中心线以减小螺栓之间的距周，从而减小气缸盖的弯曲应力和变形，但不能大靠近气缸中心线，因为太靠近了又会引起气缸套上部的变形。

螺栓的布置还应尽量对气缸中心均匀分布，否则，可能使气缸体因受力不均匀产生局部变形，引起漏水、漏气等现象，导致冲坏气缸盖衬垫。

各螺栓所分配的压紧面也要基本相同，以保证压力的均匀性。

在分体式和整体式气缸盖中，由于两缸之间共用的螺栓要比其它螺栓承受更大的力，它们之间的距离应该小一些。

现代内燃机气缸盖螺栓的间距一般在（0.32—0.875）D之间，D为气缸直径。

气缸盖螺栓的预紧力要足够大，以保证必要的密封压力．防止长期工作后发生松动，但预紧力过大则会使气缸盖、气缸体过度变形，反而影响密封。

经验表明，当每缸周围所有螺栓的总预紧力等于作用在此缸气缸盖上最大的气体作用力的3倍以上时，才能保证得到可靠的密封。

三、参考文献

1.相连生，内燃机设计，中国农业机械出版社，1981.8。

2.吴兆汉，车辆发动机设计，国防工业出版社，1982.6。

。

3.西安交通大学内燃机教研室，柴油机设计，西安交通大学出版社。

4.泰勒，内燃机（上册、下册），人民交通出版社，1982、1983。