内燃机设计--11-14机体

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1、内燃机构造与设计,14 发动机机体,14 发动机机体,机体的组成：包括气缸盖、气缸体和曲轴箱等形成发动机机身的所有零件。 机体的作用：发动机的曲柄连杆机构、配气机构、所有的附件和附件传动机构都装在机体中或固定在机体上，各运动件的润滑和受热机件的冷却都要通过机体来实现。机体把发动机的各种机构和系统组成为一个整体，保持了它们之间必要的相互关系。同时发动机整体也是通过机体固定在汽车车架上的。 机体的工作条件：在发动机运行中，机体要承受各种载荷。其中有机械载荷气压力、惯性力载荷;热负荷高温燃气、高温废气对机件形成的热负荷;机体零件的摩擦表面的磨损气缸表面的磨损，轴承表面的磨损等。,14 发动机机体,各

2、机体零件的结构设计包括两方面：一方面应满足组成发动机整体的要求，即满足发动机总体布置设计的需要;另一方面应保证在各机械负荷和热负荷作用下有足够的可靠性和耐久性，而耗用的材料要尽可能的少。 本章主要是讨论后一方面的问题。本章将主要讨论在机体各零件的设计中如何以合理的结构设计获得必要的强度与刚度，如何使受热的机体零件热负荷不过高，以及机体作为由多个零件组成的整体如何保持气缸和曲轴箱的密封等问题。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,14.1.1 机体的受力情况与强度、刚度要求 在发动机运行时作用在机体上的力有： 各缸内气体对缸盖底面和缸筒露出部分的均布气体压力; 经活塞作用于各缸筒的侧推力; 经曲

3、轴加在各主轴承上的力; 支架对发动机的支承反力和支承反力矩。 这些力和力矩是交变载荷，使机体各部分受到交变的拉压弯扭综合载荷，产生复杂的应力应变状况。尤其是各主轴承所在的机体前、后壁和缸间各隔壁以及顶板、中间横隔板更是受力的核心部分。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,对机体的结构设计的要求：必须有足够的强度和刚度来支承上述种种机械载荷。既不能出现应力超过材料允许极限的地方而发生损坏，也不能出现过大的变形。尤其是缸体与缸盖的结合处、缸筒、主轴承座等处。若刚度不足就会产生气缸密封失效，摩擦副磨损加剧，机体纵向振动加剧，机件产生附加应力等等严重后果。 机体零件总的设计原则：在满足必要的强度和刚度

4、下，尽可能地减少材料消耗。 对于汽车发动机的铸铁机体零件的合理的设计原则是:只将一些与强度、刚度关系最大的局部(主轴承座及其支承壁、缸体顶板、缸盖底板等)适当加厚，而其余各处的基本壁厚可为铸造技术水平所能允许的最小壁厚(4-6mm)。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,14.1.2 机体的主要结构型式与尺寸 机体可以分为上中下三段：有进、排气道并装有气门组件的为上段;有活塞在其中运动的缸筒部分为中段;装有曲轴并构成曲轴和连杆活动空间的为下段。 通常把这三段分开成几个零件，具体做法有三种： 上段独立为气缸盖，中段与下段合为一件，即气缸体; 上、中、下三段分开成三件，即气缸盖、气缸体和曲轴箱体，

5、用贯穿缸盖和缸体的长螺栓把它们一起固紧在曲轴箱体上; 上、中两段合成一件气缸体，下面是曲轴箱。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,第三种机体结构刚度最高，变形小，但存在缸盖密封难题。故目前极少采用; 第二种机体结构用于风冷机; 第一种机体结构是水冷汽车发动机最常用的结构，刚度较大。 根据气缸体结构设计的不同情况，第一种机体结构又分为三种： 半分式气缸体，其底面与曲轴轴线基本齐平。主轴承座上半在缸体上，下半是独立的主轴承盖，以螺栓固紧在缸体的前、后壁和中间支承隔壁上。 龙门式气缸体，其底面低于曲轴轴线，主轴承座仍同半分式气缸体一样。 隧道式气缸体，有完整的主轴承座。,14.1 机体结构的强度与

6、刚度问题,半分式气缸体 龙门式气缸体 隧道式气缸体,14.1 机体结构的强度与刚度问题,14.1 机体结构的强度与刚度问题,以上三种缸体的共同点是都采用框架式结构。由前壁、后壁、各中间支承隔壁、左右两侧壁以及顶板、底板和中间横隔板(位于缸筒下部)组成一个箱形框架。 半分式缸体的底板就位于曲轴主轴承孔的中心线上，其纵向弯曲刚度和绕曲轴轴线的扭转刚度均不及另外两种缸体，因此只用于小客车和轻型货车的汽油机。 龙门式气缸体是汽车柴油机最常用的气缸体结构，比半分式结构刚度好，比隧道式轻，又便于采用整体曲轴。 隧道式气缸体的结构刚度最好，尤其是配用大直径滚动轴承和组合式曲轴，缸体长度短，刚度更好，但较重，

7、同时滚动轴承的许用圆周速度限制了发动机转速的提高，因此应用不多。 龙门式缸体和隧道式缸体都能以完整的平面与油底壳接合，便于密封。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,缸体后端有飞轮壳，或与缸体铸成一体，或者用螺钉固紧于缸体后壁，缸体前端固定着正时齿轮室盖，缸盖上面有气门室盖，曲轴箱下面有油底壳，这些都可以看成是机体的延伸部分。 发动机机体的外形尺寸在很大程度上取决于曲柄连杆机构的设计，其长度还与机体自身的结构形式有关。当水冷发动机采用湿缸套结构时，为保证气缸体上半段的结构刚度，在相邻两缸之间缸体应有隔板，此外还要安排缸套上、下端的支承与定位凸肩，因此，其缸心距与缸径之比L0/D大于采用干缸套(

8、或无缸套)的水冷机，前者的L0/D多为1.24-1.3，后者的L0/D则多为1.16-1.22，风冷发动机为了在气缸四周安排散热肋片，其缸心距大约要1.32D左右。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,机体下端（曲轴箱）的外形尺寸由连杆运动轨迹外包络线所决定。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,有些无缸套或干缸套 的发动机采用相邻气 缸筒外壁相连的结构 方式，使缸心距进一 步缩小到1.157D， 但在采用这种安排时 必须十分仔细地设计 缸筒周围的冷却水 道，以保证缸筒四周 的温度仍较均匀，防 止过大的热变形。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,14.1.3 机体的结构强度与刚度设计 对于目

9、前的车用水冷发动机，应用最多的机体结构形式就是缸盖独立，而缸体与曲轴箱上部合为一体的结构。因此，机体结构强度与刚度设计的核心部分是缸体中间部分的框架结构，然后是主轴承座、缸筒以及缸盖。 14.1.3.1 缸体的框架结构 由发动机机体的受力情况可知，当缸内燃气燃烧时，缸体中间部分的结构承受着最大载荷。这时，作用在缸盖底平面上的燃气压力通过缸盖和缸盖螺栓使缸体中部结构向上拉伸。因此，为了使缸体中间部分有足够的承载能力，必须使这些结构在受到上述拉力时具有足够的强度和刚度。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,图14-7所示为一直列发动机缸体的框架结构。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,为了尽量减

10、少上述拉力对缸 体顶板、侧壁和缸间隔板的 弯曲作用，宜将缸盖螺栓孔 中心线布置在缸体侧壁和缸 间隔板的中心上，至少也要 尽量靠近侧壁，螺栓孔周围 要有足够的壁厚构成所谓 “螺栓搭子”，而螺栓搭子要 以缓慢的坡度过渡到缸体壁 上，或者用比较宽厚的加强 筋，要使螺栓传来的拉力尽 量直接而无转折地传到缸体 侧壁和缸间隔板上。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,处于相邻两缸间的两个缸盖螺栓的中心线还宜尽可能与两个主轴承盖螺栓中心线上下相对。 图14-9给出一直列缸体结构的改进情况。改进后的缸体具有弯曲的外壁，因而结构刚度加大，噪声发散减少，同时相邻两缸间的缸盖螺栓的中心线也靠近了侧壁和下面主轴承螺栓

11、的中心线。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,14.1 机体结构的强度与刚度问题,对于多数水冷发动机的缸体，缸盖螺栓都直接布置在缸体的顶板上，同时缸筒的顶端也直接与缸体顶板相连。为了使螺栓传来的力不致造成缸筒的局部变形，一方面要使缸体顶板有足够的厚度(0.15-0.2)D，另一方面应尽量使螺栓孔的位置下沉并远离缸筒上缘(或湿缸套的环形支承凸肩)，螺栓搭子绝不能连在缸筒壁上。 14.1.3.2 主轴承座的受力结构 主轴承座是缸体下端的主要受力部位，承受着曲柄连杆机构传过来的缸内气体作用力和惯性力。 主轴承座一般都采用剖分式结构，其中的一半与缸体铸在一起，另一半形成主轴承盖。,14.1 机体结构

12、的强度与刚度问题,主轴承座的结构和工作情况与连杆大头非常相似，装配时施加足够的螺钉预紧力，以保证主轴承座的两半不会分开。为保证主轴承座整体刚度好，除了其上半部应有足够壁厚外，主轴承盖受力时的变形也应尽量小，与对连杆盖的要求一样。 对于一些强化程度较高的发动机特别是 一些V型发动机，由于主轴承受力较大， 为了进一步提高主轴承座以及整个龙门 式曲轴箱下部的刚度，常常采用横向螺 钉使主轴承盖与曲轴箱形成一个整体。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,主轴承座螺钉的受力分析和设计原则与连杆螺钉一样，即在一定的螺钉预紧力下，其工作载荷的变化幅度和相应的应力变化幅度随着螺钉柔度和主轴承座刚度的增大而减小。

13、因而要采用柔性长螺钉和刚性厚结构的主轴承盖，以减小螺钉的最大工作应力和应力幅，提高其可靠度。刚性厚主轴承盖也有利于减小其自身的弯曲应力和弯曲变形。 14.1.3.3 缸筒的结构与缸套 在发动机工作过程中，主要是由于受力和受热使缸筒的几何形状产生变形和失圆。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,使缸筒发生受力变形的主要因素有：发动机运转时活塞组件对缸壁的侧推力;缸盖底面对于缸筒的压紧力以及缸盖螺栓通过缸体顶板间接作用于缸筒的力。 使缸筒发生受热变形的主要因素有：主要是因缸筒及周围零件温度不均匀而产生的热应力。 在上述诸多因素中，缸盖螺栓通过缸体顶板间接作用于缸筒的力常常是引起缸筒变形和失圆的主要

14、因素。因此，缸筒设计中的一个重要原则是：尽量使缸盖螺栓的作用力，包括装配时的预紧力和工作中的拉力，都尽可能地直接通过与缸筒分开的那些框架结构传递给主轴承座，而使缸筒少受那些传力结构的影响。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,发动机缸筒的具体结构可以分为整体式(无缸套或干缸套)和缸套式(湿缸套)两大类。 整体式缸筒是缸体的一部分，与缸体完全铸成一个整体。优点是缸筒的刚度较好，散热也容易。有时为了加强缸筒内表面的耐磨和耐腐蚀性能，可以在缸筒内部镶入一个用合金铸铁制造的耐磨薄壁缸套，这种薄缸套的厚度多为1.5-2.5mm。这种薄缸套外圆与原缸筒内孔的配合在冷态装配时可取为间隙滑配，有时也采取少量过

15、盈配合。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,对于缸径较大(大于120mm)的发动机，特别是柴油机，一方面为了在缸壁磨损后换修方便，另一方面也考虑到缸体的铸造方便，常采用湿缸套。图中(a)是最常用的湿缸套结构，其上端有一凸肩用于纵向定位。为了保证凸肩抗压缩和弯曲的强度，凸肩应有足够高度，约等于(0.08-0.1)D。缸套装入缸体后，其上端面一般应高出缸体顶面0.05-0.1mm，以便使缸垫能在缸筒四周被压得更紧，保证气缸密封。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,湿缸套的优点是安装方便和刚度相对较好，所以应用最多;缺点是这种缸套上部的几何形状常受缸体顶板变形的影响。 因此，采用湿缸套结构时，缸

16、体顶板上承压凸肩部分必须具有均匀的足够的刚度，缸盖螺栓孔的螺纹部分要沉入缸体顶面以下，并且螺栓孔的布置要尽可能向外离开缸套凸肩。 另一种湿缸套的结构是采用缸套下部或中部定位 凸肩的结构。这种结构的优点是缸套上部内孔可 以基本上不受螺栓作用力的影响，但缸套上部刚 度较差。为了使这种缸套能承受活塞侧推力，必 须使缸套顶端四周保留一些部分与缸体顶板上的 孔有圆周方面的接触，此外，这种缸套的拆装也 不如前一种方便，因此应用较少。,14.1 机体结构的强度与刚度问题,湿缸套的穴蚀：气缸套外表面在连杆摆动平面内的活塞主推力面一侧或在进水口及水流转弯处，有很多针状孔洞发生，这些孔洞逐渐扩大、深化，最后使缸套穿透。 引起穴蚀的原因：缸套的高频振动所引起的冷却水中的交变压力和水流的冲击是产生穴蚀破坏的主要外因，而缸套材料本身存在着微观的小孔、裂纹、沟槽是产生穴蚀破坏的主要内因。 当缸套外的冷却水跟不上缸套的快速振动时，就在缸套外壁表面附近的冷却水中形