缸体设计

第三章主要部件设计

3.1缸体设计

图3-1 6135Q-2型柴油机缸体主要定位尺寸

H6135Q-2型柴油机缸体长宽高为1094.1×398×557.7，采用龙门式缸体（如图3-1），刚度比平分式机体好，随着下沉量的增加，提高了缸体本体的刚度。目前，车辆的尺寸和重量都在增加，对于降低燃油耗和排放的基础上，同时满足用户对车辆性能和噪声、震动、平顺性的要求是巨大的工程挑战。增压技术和米勒循环发动机在改善燃油经济性、发动机响应效率和输出功率等方面显示出众多优越性[4-6]。

设计基准选择主轴承孔中心线。材料选取HT250牌号灰铸铁(最小抗拉强度在250MPa)，常

规五元素的含量范围基本在：ω(C)为3.00%~3.55%，ω(Si)为1.70%~2.50%，ω(Mn)为0.60%~0.90%，ω(S)＜0.15%，ω(P)＜0.15%，铸件材质的成分偏差要根据企业具体要求。加工前进行时效处理，加工后其硬度要达到170~241HBS(布式硬度)，尽量减少金相组织中铁素体含量，增加渗碳体量较少的珠光体质量分数，缸体重量约为610kg。本次设计课题为原有6135Q的改进型，工作负荷较改进之前更大。比较原有的隧道式缸体，龙门式金属分布更为合理，在缸体结构、重量变小时缸体的刚度更高。曲轴回转轴线比缸体下平面高出116mm，同时下平面为完整平面便于与油底壳的配合。

缸心距L0是缸体的一个重要参数，发动机结构的紧凑性直接受到它的影响。

影响因素为：

1.气缸间的主轴承宽度。

2.主轴颈、曲柄销、曲柄臂的宽度。

3.气缸套的型式分为干缸套或湿缸套。区别是湿缸套上端由于有定位凸缘的，L0要比干缸套的大。

4.相邻气缸间的水套的厚度一般至少在4～5mm。

缸心距公式L0=L p+L j+2h （3-1）式中：L p——曲轴主轴颈的长度

L j——曲轴连杆轴颈的长度

h——曲臂的厚度

带入设计尺寸得L0=47+84+2×22=175 mm

以下是缸体设计中考虑到的影响因素：车用柴油机机缸体包括气缸体、曲轴箱和油底壳。缸体是整机的骨架，为各零部件的装配提供了空间。同时由于内燃机构件太多，内燃机运行时使得缸体承受很复杂的载荷作用。

气缸体承受的机械载荷有：

1.主轴承支撑力、推力轴承的推力及扭力矩、侧推力和固紧力。

2.气体压力与往复惯性力使缸体受拉伸作用，导致力传递过程中缸体不同部分承受附加的弯曲和扭转应力。

3.受燃烧过程中气体爆发压力的影响，缸体上平面密封处受到极大地冲击载荷。

4.由于缸体结构尺寸太大，所以振动较大。

气缸体承受的热负荷有：

1.通过气缸盖与气缸套传递的气体的热量。

2.各个运动副之间的摩擦产生的热量。

通过以上分析，缸体结构形状复杂，在加工上更是有三大平面（作为其他零部件的装配基准）和三大孔系（气缸孔、主轴承孔、凸轮轴轴承孔），以及油道孔和螺栓孔。

为解决以上问题，提高缸体的可靠性，降低故障率，现对缸体设计提出以下几点要求：

1.刚度要够。可在气缸孔之间与缸体顶面一直延伸到上曲轴箱壁的下沿设主轴承座，这样也能提高曲轴受力点的数量，受使得力均布。

2.采用全支撑曲轴，进一步改善缸体受力及力矩的均布情况。

3.为增加缸体中各受力部位的刚度，可在沿缸体传力方向设置加强筋。

4.将气缸体与上曲轴箱整体浇铸，构成刚度较好的刚架组合结构。

5.在缸体水道布置上，分析冷却水切向流向，防止出现流动死区。

为体现“刚性设计思想”同时结合实际工况，机体结构形式设计为龙门式，这样能保证在机械负荷大的工况下有足够的机体刚度，同时减轻整机重量，降低噪声和振动。

3.2气缸套的设计

综合考虑本机型柴油机缸套为湿式气缸套，冷却效果好，虽然这样会使缸体的刚度有所降低，但因选择龙门式缸体有足够的刚度来弥补此处刚度的损失。缸套支撑采用上置式和中置式支撑。径向定位是一主一辅两个定位带（如图3-2），轴向定位采用环形支撑凸肩定位。另外，为保证其与活塞、活塞环的接触良好，其圆柱度不应超过0.02mm。

为保证气缸套装配压紧，缸套上端与气缸盖衬垫压紧部分突出缸体顶面1mm。为防止因穴蚀导致缸套穿透，缸套厚度为7mm发生下部依靠辅助支撑处的2个O型密封圈密封。缸套材料为高磷铸铁，ω(P)为0.3~0.8%，ω(C)为3.0~3.4%，ω(Si)为2.4~2.8%，ω(Cr)为0.3~0.5%，ω(Mn)为0.7~1.0%，形成三元磷共晶，硬度在54~61HRC（洛氏硬度）在缸套内表面进行氮化处理，提高内表面的强度和耐久性。为降低第一活塞环温度，并有效控制冷却水中气泡导致的穴蚀，在缸套外壁表面铸有螺旋筋槽，使冷却水螺旋式上升对缸套进行周向冷却。下面是设计气缸套时所考虑的影响因素。

图3-2 H6135Q-2气缸套如图所示

3.2.1气缸套工作情况与设计要求

1.气缸套与活塞之间有高速的相对运动，二者之间构成了一对摩擦副。因此。气缸内壁表面是内燃机中磨损最为严重的表面。

2.在内燃机里，气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，对活塞起导向作用，直接受侧压力挤压作用。同时由于缸套外冷却水（大循环85℃）的作用，内外壁温差相当大（尤其是上止点附近）如燃烧终点温度1808.5℃，所以气缸套承受相当大的机械应力与热应力的作用。一般规定，气缸套最大周向温差不应超过40~50℃，最大轴向温差不应超过70℃。

3.由于缸套径向振动引起的“电化作用”与“穴蚀作用”，与冷却水接触的气缸套外表面会逐渐剥落形成小孔，逐步穿透缸套。

为此提出缸套的设计要求：

1.足够的刚度与强度，尽可能减少热变形与安装变形。为此采取壁厚不均匀原则。

从缸套壁厚来看，沿轴线方向是不均匀的为两头厚中间薄。因活塞在上止点附近时，缸套要承受最大爆发压力，顶部壁厚要求最后，以后逐渐减薄；在下止点附近时，要承受较大的侧向力，其下部壁厚也应设计的较大，甚至比顶部更厚。壁厚的这种变化，有利于加强缸套上、下截面的刚度，并可提高他的抗弯刚度。同时，上部壁厚较厚可使缸套与缸盖有较大的密封面，并有利于传热。

2.合理控制缸套温度。根据统计数据分析显示，气缸套内壁温最好控制在在100~200℃，以避免低温腐蚀磨损。

3.为避免应缸套受热导致的气缸套不规则变形，造成局部磨损，缸套内壁面周向温度分布应尽量均匀，最大周向温差不超过40~50℃。

3.2.2缸套的穴蚀

缸套在使用后会在外表面的活塞主推力面、进水口处和冷却水拐弯处，有很多针状孔洞，最终会使缸套被穿通。现普遍认为水流的交变压力及冲击作用为穴蚀产生的主要外因。

为减小水冷却缸套的穴蚀常采用以下措施：

1.缸套的厚度设计至关重要，在保证缸心距合适的情况下，缸套厚度大一点能提高刚度；

2.台间定位间隙采用最小，辅助支撑减少时也能降低穴蚀现象；

3.适当增加缸套厚度，把缸套辅助支撑适当向上移动，增加缸套的支撑刚度，减小缸套振动；

4.穴蚀产生原因一部分和径向拍击有关，缩小活塞与缸套间隙可降低排挤力度；

5.活塞销偏心设计也是从减小侧向力的角度，减轻穴蚀；

6.在冷却水道设计中，避免水流方向正对气缸套，减小水流对气缸的冲击；

7.在缸套外壁表面铸有螺旋筋槽，有效控制冷却水中气泡产生。

8.在缸套外表面镀铬，厚度在20~25μm；

9.一般车用发动机水套的宽度应为4~10mm，保证缸套与缸体件的水腔合理，避免因水腔过小导致穴蚀加剧。