柴油机缸盖设计计算.doc

精选资料汽车与交通工程学院School of Automotive and Traffic Engineering本 科 毕 业 设 计 CY4100ZLQ柴油机缸盖设计计算The Design and Calculation of Cylinder Head of CY4100ZLQ Diesel Engine学院名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2015 年6月可修改编辑目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1内燃机气缸盖的研究及发展现状11.2 所要解决的问题和注意事项2第二章 CY4100柴油机的设计参数32.1 主要技术指标32.2 整机技术规格3第三章 气缸盖的设计43.1 气缸盖的工作条件43.2 气缸盖的设计要求53.3 气缸盖材料的选择5 3.4 气缸盖结构设计93.5 气缸盖基本尺寸的确定16第四章 曲柄连杆机构的动力学计算194.1参数选择194.2设计计算及说明20第五章 气缸盖的热力计算265.1 参数选择265.2 燃料热化学计算275.3 燃烧过程的热力计算28总结31致谢32参考文献33摘要 柴油机以其较高的热效率、扭矩特性和可靠性被广泛用作船舶、固定式装备及各种车辆。随着世界范围内燃油价格的持续升高和公众环保意识的提高，经济性优越和低污染的直喷式柴油机尤其受到越来越多用户的青睐。随着人们对柴油机要求的不断提高，发动机设计者们开始做大量细致的工作，以期在不牺牲其它指标的情况下达到提高功率，减少外形尺寸，增加使用寿命和降低制造成本的目的。这就对柴油机中的气缸盖的设计提出了更高的要求。本文通过参考柴油机设计手册，进行CY4100柴油机缸盖的设计计算。然后运用Autocad软件对其进行绘图。运用Excel软件进行活塞运动规律计算，在此基础上进行强度校核，同时，对气缸盖材料的选择、冷却水道的布置、进排气道以及缸盖螺栓的布置等问题进行了讨论，以满足现代高速发动机的要求。关键词：柴油机，气缸盖，设计，强度校核Abstract Diesel engine with its higher thermal efficiency and torque characteristics and reliability are widely used in ships, fixed equipments and a variety of vehicles. With the worldwide rise in fuel price and the continued improvement of public awareness of environmental protection, direct injection diesel engine with its economy and superior low-pollution is favored by more and more customers. As the requirements for the continuous improvement of diesel engine, engine designers have begun to do a lot of painstaking work, with a object that without sacrificing other indicators to improve power, decrease size, increase service life and reduce manufacturing costs. This makes a higher demand on the design of cylinder head of diesel engine. In this paper,the cylinder head of CY4100 Diesel engine has been designed reference to Diesel Engine Design Manual.Then the Autocad software was used for drawing. The Excel software was used to calculate the regularity of the moving parts of pistons.On this basis items,the moving parts strength has been verified.Meanwhile the cylinder head material selection,the cooling channel collocation,collocations of intake port and exhaust port and the cylinder head bolts arrangement were also discussed to meet the requirements of modern high-speed engine.Key words：Diesel Engine,Cylinder Head,Design,Strength Verify第一章 绪论1.1内燃机气缸盖的研究及发展现状目前,柴油机技术发展的重点是加快开发与配套主机更加适应的节能、节材和高可靠性的新一代机型；现有产品提高可靠性和改善噪声、烟度等强制性指标是当务之急；直喷化、轻量化、适当强化和多缸化都是未来的发展方向。但只能根据经济形势发展逐步实现，还必须与主机的匹配性能提高、匹配合理化相结合，与配套主机的改进、提高及更新换代同步发展。 对于缸盖的气道的研究。从充气效率分析，发动机动力性与充气效率成正比，进气排气对充气效率的影响是不同的，进气的影响更大。对于柴油机本身，要求进气要带有涡流，以保证正常的燃烧效果，但是在缸盖气道方面，充气效率和涡流比是相反的，提高涡流比就会使充气效率降低。在设计时，自然吸气式发动机进排气门直径合适比例为1.2:1，并对低流阻的进气道和低流阻的排气道的结构进行了分析。 气缸盖燃烧室侧直接受到高温、高压燃气的作用。其结构复杂工况严酷，为了保证可靠性，对缸盖的承载机理做了研究。主要集中在：燃气爆发压力作用在气缸盖底板上时，机械载荷在气缸盖整体结构中的分布；气缸盖的底板作为气缸中直接承受燃气压力的机构区域，气缸内的爆发压力传递到气缸盖其他各结构部分的方式。主要研究部位为气道、气门导管座孔、中隔板和加强筋等。 气门座圈和导管压入气缸盖后的精加工作为气缸盖机械加工的关键,其加工质量将直接影响气门的密封性,对整机性能及排放起着至关重要的作用。对气门座圈加工的定位、精加工工艺、刀具的结构形式、加工工艺对精度的影响做了分析。针对不相同的结构，用不同刀具加工，及对加工精度的分析。针对不同的产品前景，对加工机床有这不同选择。提出了随刀具材料、结构形式的发展，对工艺的改进，精度提升，效率提高的展望。近年来，已开展的有关研究工作，主要集中于缸盖，冷却水腔等的三维造型设计，气道内气体流动的三维数值模拟计算以及建立完整的、以应用于实际工程设计为目的的CAD等，同时在其他方面也做了先期的预研究工作。1.2 所要解决的问题和注意事项在缸盖的设计与改进中，目前最主要的目标是优化冷却水的流动和提高结构的疲劳强度。缸盖不同位置处的冷却强度应根据不同位置处的温度和热流密度来确定，冷却不足则局部热负荷过高，由于过热容易产生裂纹等。冷却过度则不利于发动机效率的提高和对有害气体排放物的控制。同时，冷却水腔的体积应在满足冷却要求的前提下尽可能地减小，以利于尽可能缩短暖机时间。通过优化冷却水腔结构，可控制关键部位的温度，以获得较均匀的温度分布，降低损失功率及散热量，从而提高零部件的可靠性及发动机的性能。在缸盖的设计与改进中，目前最主要的目标是优化冷却水的流动和提高结构的疲劳强度。 缸盖不同位置处的冷却强度应根据不同位置处的温度和热流密度来确定，冷却不足则局部热负荷过高，由于过热容易产生裂纹等。冷却过度则不利于发动机效率的提高和对有害气体排放物的控制。同时，冷却水腔的体积应在满足冷却要求的前提下尽可能地减小，以利于尽可能缩短暖机时间。通过优化冷却水腔结构，可控制关键部位的温度，以获得较均匀的温度分布，降低损失功率及散热量，从而提高零部件的可靠性及发动机的性能。缸盖上有进排气气道，水道等等。缸盖气道的性能影响着柴油机的动力性，根据自然吸气的特点，最大限度多进气，多排气，从结构上考虑，主要是气道的布置及结构能降低流动损失，同时不影响进气涡流的形成及质量。进气涡流的质量影响着燃烧室中可燃混合气的形成质量，进而影响燃烧质量，影响发动机的动力性。而进气涡流的性能会增大进气阻力损失。 在缸盖上的“鼻梁区”是热负荷比较高的地方，应力比较集中。缸盖中水道的布置不仅仅要考虑水道结构对水的流动性的影响，保证水的正常循环，同时要注意对“鼻梁区”的冷却，避免“鼻梁区”的破裂。水道的布置不仅要利于发动机的正常工作，还要能保证发动机的寿命。第二章 CY4100柴油机的设计参数2.1 主要技术指标标定功率kW70标定转速r/min3200最大扭矩N.m235最大扭矩转速r/min18002000全负荷最低燃油消耗率g/(kW.h)220机油消耗率g/(kW.h)排气烟度FSN（型式认证）排气温度（涡前）最高空车稳定转速r/min最低空载稳定转速r/min机油消耗百分比%稳态调速率%排放欧2.2 整机技术规格型式 立式直列水冷四行程废气涡轮增压中冷气缸数缸径行程 4100118mm气缸套 薄壁干式燃烧室形式直接喷射四角形燃烧室压缩比17.5:1活塞总排量 3.707L各缸工作顺序1-3-4-2旋转方向(从飞轮端看)逆时针起动方式电起动停机方式 断油式润滑方式压力润滑与飞溅润滑混合式冷却方式 强制循环闭式外形尺寸(长宽高)791mm694mm755mm净重 340kg第三章 气缸盖的设计3.1 气缸盖的工作条件气缸盖主要是用来密封气缸，并与活塞、气缸套共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气作用。为了保证缸盖与气缸套之间的密封，缸盖还要受到很大的螺栓预紧力，气缸盖各部分温度很不均匀，火力面温度最高，而冷却水套部分温度较低，进气道和排气道温度也不相同，因此气缸盖的机械应力和热应力很大。同时，为了让内燃机的正常工作，要在气缸盖内外安装许多零部件，所以在柴油机气缸盖上要布置进排气门、气门座、进排气道、螺栓孔、喷油器及冷却水道等等，使气缸盖的结构变得复杂，所以铸造残余应力也很大。一、气体压力 气缸盖底面受到高压燃气作用时，气体压力不仅使底板受到弯曲，而且还会通过气缸盖内部传到气缸盖的各个部位。气缸盖机械负荷的大小一般就用最高爆发压力来衡量。由爆发压力产生的压力称为气缸盖的工作压力。它具有脉动性质，其应力变化周期和内燃机工作循环的周期相同，频率较高。二、螺栓预紧力为了确保气缸的密封，气缸盖螺栓预紧力要比最高爆发压力大得多。由预紧力产生的应力成为气缸盖的安装应力。工作应力和安装应力通常称为机械应力。三、热应力气缸盖上各部分的温度分布是很不均匀的，当各部分因温差而产生的变形受到限制时就产生热应力。它的变化周期同内燃机的负荷改变有关，相对工作应力来说，热应力的变化频率较低。实践证明，气缸盖底板的厚度受到铸造条件的限制不会很薄，而且还有气道、喷油器座、气门导管座等部分加强了它的承载能力，所以由气体压力所产生的机械应力并非十分危险。而由温度分布不均匀所产生的热应力要比机械应力大得多，尤其是气门座周围地区有时要大到10倍左右，如果不采取适当措施，往往使气缸盖底板发生裂纹。3.2 气缸盖的设计要求 气缸盖的作用是密封汽缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受燃烧气体的高温高压作用。为了保证可靠性能，因此必须具备下列要求：（1） 气缸盖要有足够的强度和刚度，以保证工作时变形小，从而避免气门的磨损、气门杆咬死、气门密封失效等故障，同时缸盖变形与气缸接合面和气门座的接合面有良好的密封；（2） 设计合理的气门（数目、大小）和进排气道，保证高充气效率，对直喷式燃烧室还要求有合适的进气涡流强度；（3） 要组织好气缸盖的冷却，以防气缸盖温度过高以及温度分布不均产生热应力过大；（4） 各个零部件及气门机构要拆装方便，结构力求简单，铸造工艺性良好，布置力求对称，壁厚尽量均匀；（5） 气缸盖螺栓孔的布置要合理。气缸盖的设计包括：气缸盖形式的选择，气门数的确定，缸盖螺栓数量的选择与布局，进排气道的设计与布局，气门、燃烧室及喷油器在气缸盖中的布置以及气缸盖冷却措施的设计。3.3 气缸盖材料的选择3.3.1 选材的一般原则（1） 材料的机械性能在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标，这是零件经久耐用的先决条件。（2） 材料的工艺性能金属材料的基本加工方法有铸造、锻压、冲压、焊接、切削加工和热处理等。各种加工工艺均有其工艺性能要求。材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。（3） 材料的经济性能在满足使用性能的前提下，选用零件的还应注意降低零件的总成本。一般来说，应优先选用价格低廉的材料。如尽可能选用碳素钢和灰铸铁，在难以满足要求时再选用合金钢、球墨铸铁、铸钢或其它材料。3.3.2 零件材料的选择由于零件的工作状态，工作零件条件的要求，因此零件的材料必须具有综合机械性能，耐高温、抗氧化性和组织稳定性等。根据查阅有关资料：缸盖材料通常选用铸铁，其详细介绍如下：（1） 灰铸铁灰铸铁的显微镜组织由金属机体（铁素体和珠光体）和片状石墨所组成，相当于在纯铁或钢的基础上嵌入了大量石墨片。因其中的碳主要从游离石墨形式存在，并成片段状，断口为灰色。由于片状石墨的存在破坏了基本的连续性，石墨尖端容易造成应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度低，塑性和韧性差，属于脆性材料，不能锻造和冲压，并且焊接性能材料很差，不过其抗压强度受石墨的影响较小，但是灰铸铁铸造性能和切削性能优良。石墨的存在使其有如下优越性能：优良的减震性，耐磨性好，缺口敏感性小。a. 铁的化学成分包括C、Si、Mn、P、S以及一些其他合金元素，各成分所占比重见下表3-1（以HT250为例）。表3-1 灰铸铁HT250的主要化学成分及所占比重（%）CSiMnPS3.03.31.41.70.81.00.150.12b.对灰铸铁性能都有着重要的影响，详见机械加工工艺手册c.铸铁的牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350等6种，牌号右边的数字表示该牌号灰铸铁的抗拉强度最低值。d.铁的机械性能与铸件壁厚有关，同一牌号的灰铸铁因铸件壁厚不同具有不同的抗拉强度。各种牌号不同壁厚的灰铸铁性能达到强度参考值见机械加工工艺手册。机械性能见下表3-2以HT250为例。表3-2灰铸铁HT250的各种机械性能牌号抗拉强度（MPa）抗切强度（MPa）弹性模量E(MPa)疲劳极限（MPa）硬度HBHT25078598127710812798127143269（2） 耐磨灰铸铁在灰铸铁中由于加入少量合金元素，可不同程度地减小铁素体的数量，同时珠光体也相应的细化。而且在珠光体内的铁素体的数量中固溶数量的合金元素，石墨也一定程度的细化。由于上述组织的特点，显著地提高了铸铁的强度和硬度，具有很好地保持连续油墨的能力，即保持良好的润滑性，能抵抗咬合或擦伤，在工作温度中能保持较高的机械性能，如机床导轨、汽缸套、油塞环、凸轮轴等。耐磨灰铸铁的切削加工性能都较好，但是刀具磨损比一般灰铸铁高。含磷较高时，刨削应注意边缘处产生崩裂现象。磨削时，工时稍有增加，可采用大孔隙砂轮，磨后表面粗糙度变细。人工刮研与攻丝等较困难。（3） 球墨铸铁球墨铸铁（简称球铁）是将接近灰铸铁成分（也可包括某些合金元素）的铁水，经镁或镁合金或者其它球化剂球化处理后而获得具有球状石墨的铸铁。由于这种铸铁中的石墨呈球状，所以大大减轻了石墨对基体的分割作用和尖口作用。球墨铸铁具有灰铸铁的优良性能，又兼有钢的高强度性能，有比钢更好的耐磨性、抗氧化性、减震性及小的缺口敏感性。它可以进行多种热处理以提高强度。（4）可锻铸铁可锻铸铁是将一定成分的白口铸铁经过石墨化退火（或脱碳退火）处理的一种铸铁，也称韧铁或马铁。石墨退火时把共晶渗碳体和二次渗碳体全部分解，而共析渗碳体则不可分解货部分分解货全部分解。因此，按基体组织又可分为铁素体可锻铸铁和珠光体可锻铸铁。可锻铸铁的性能优于灰铸铁，适用于动态载荷下要求塑性和韧性较高的铸件，尤其是复杂薄壁的小件。厚度大的铸件需要采用复杂孕育处理。可锻铸铁的切削性能好，车削加工性能优于易切钢。退火时产生的表层优于组织不均匀，对可锻铸铁的切削性极为有害。可断铸铁有较好的减震性能优于球墨铸铁，低于灰铸铁，适用于承受振动的零件，尤其是黑心可锻铸铁的，它的减震能力约为铸钢的3倍，球墨铸铁的2倍。（5）蠕墨铸铁蠕虫状石墨铸铁的石墨形似蠕虫，较短而厚，头部较圆蠕墨铸铁。国内过去将这种铸铁称为稀土铸铁或稀土高强度铸铁，现称蠕墨铸铁。宏观断口呈暗墨色至浅灰色。蠕墨铸铁的机械性能介于基本组织的相同的优质灰铸铁和球墨铸铁之间。优于石墨形态岁基体的破坏小，且具有一定的韧性。另一方面，又由于石墨是相互连接的，强度和韧性都不如球墨铸铁。蠕墨铸铁主要用于： 经受热循环载荷的铸件，如钢锭模、玻璃模具、柴油机缸盖、排气歧管等 要组织致密、耐压的铸件，如齿轮泵体、叶片泵体、换向阀体等。 要求强度高、形状复杂、断面尺寸差别大，用球墨铸铁、高牌号合金灰铸铁都不易浇成的铸件。（6）特种铸铁特种铸铁是特殊性能铸铁的简称，它是在腐蚀介质中，高温条件下或剧烈摩擦、磨损等场合使用的铸铁，与相似条件下使用的合金钢相比，熔炼简便，成本廉价，有很好的使用性能。特种铸铁的缺点是机械性能比合金钢低，脆性较大，容易破碎。（7）合金铸铁合金铸铁是指在普通铸铁中加入合金元素而具有特殊性能的铸铁。通常加入的合金元素有硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、钛、锑、锡等。合金铸铁根据合金元素的加入量分为低合金铸铁 (合金元素含量10%）。合金元素能使铸铁基体组织发生变化，从而使铸铁获得特殊的耐热、耐磨、耐腐蚀、无磁和耐低温等物理-化学性能，因此这种铸铁也叫“特殊性能铸铁”。合金铸铁广泛用于机器制造、冶金矿山、化工、仪表工业以及冷冻技术等部门。根据选材的一般原则以及发动机缸盖工作的需要，结合各种铸铁材料的性能特性及应用范围，发动机缸盖的材料选为合金铸铁。3.4 气缸盖结构设计3.4.1 气缸盖结构形式的选择水冷内燃机对的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。当缸径时，一般多采用整体式气缸盖，它的优点是零件数少，使内燃机的气缸中心距缩短，结构紧凑，质量轻，制造成本低。如果选用单体式气缸盖在结构上就比较困难，因为各部分壁厚与泥芯截面尺寸受到造型和浇铸条件的限制而不能按缸径比例缩小这样就不能在保证有适当的壁厚和型芯尺寸的条件下得到既有足够的起到面积又有先进的气缸中心距。综上，本次设计的4100柴油机气缸盖是采用的四缸一体式结构。3.4.2 结构的工艺性气缸盖的结构工艺性能影响其生产率和经济性，及生产的顺利进行。在保证产品使用要求的前提下，提高生产率，减少劳动量及材料消耗，降低生产成本。零件结构要素标准化，不仅简化了设计工作，而且减少了工艺装备的规格，还由于不需要专门的工艺装备而缩短了零件的生产周期，降低制造成本。尽量采用标准件和通用件，例如缸盖上的喷油器。这样一来，减少了产品中的零件种类，减少了刀具和量具的种类，简化了工艺过程，降低了缸盖的制造成本，扩大了零件制造的批量。零件的结构要有可靠的定位面和夹紧面，要保证零件易于加工。尽量保证缸盖的加工次数和安装次数，尽量减少缸盖的加工表面，要保证刀具能够正常工作，不能因为结构工艺而损坏刀具。结构工艺性能应满足缸盖在装配过程中零件的相互位置关系。缸盖的尺寸应该满足总的装配精度要求；应使零件机械加工时易于安装、调整和测量等。3.4.3 气门的布置气门数目的确定是缸盖设计的重要环节。目前采用的大多是2、4气门的结构形式。表3-3显示了不同气门数的优缺点：表3-3 不同气门数的优缺点气门数目优点缺点两气门1.气门结构简单2.型芯相对简单，铸造工艺好3.成本低1.充量更换差2.喷油器偏置，影响性能四气门1.充量更换潜力大2.喷油器垂直放在中央3.气门小，机械强度和热强度高4.热应力分布比较均匀1.气门机构复杂2.气道复杂，进气道研制时间长3.型芯复杂且空间很小4.要增加气缸中心距又因为对于小型低增压柴油机，宜选用二气门气缸盖结构。因此，本次4100柴油机的设计是采用的两气门结构，如图3-1。图3-1 两气门布置的缸盖3.4.4 燃烧室的选择燃烧室的布置决定于混合气的形成方式。本次设计的4100柴油机要求为直接喷射式柴油机。由于它的转速高，混合气的形成和燃烧的时间极短，每循环的供油量又很少，单靠雾化混合，则喷孔直径必须做的很小，喷油压力很高，使燃油系统制造困难。为了获得较好的性能指标，须在较小的过量空气系数a时有较好的燃烧过程，则需要采用有涡流的深坑型燃烧室。3.4.5 喉口尺寸的选择和布置气缸盖底板上的气门座孔通常叫做喉口。从保证有尽可能大的进排气时间-截面积和尽可能小的气流阻力出发，总是力求加大喉直径。但增大喉口直径受到一定的限制，首先应使同一气缸的所有气门能在气缸盖底板这一有限尺寸内安排的下，同时还需安排喷油器。喉口到气缸壁之间的距离不能太小。否则接近气缸壁面部分的气门通过面积实际流通效率显著下降，阻力增加，加到喉口面积所取得的效果也受到影响。根据统计，这个距离一般取0.02个D为宜。喉口之间的距离不能太小，否则这里型芯强度不够，易造成金属堆积。两气门或气门与喷油器座之间的冷却水套空间曲面最小半径应取3mm左右，浇铸壁厚一般取5mm。3.4.6 喷油器的布置喷油器可布置在气缸中心线上，或作很小的偏移。竖直方向上与气缸中心线的夹角为宜，偏置在燃烧室喉口边缘，顺气流倾斜喷射。燃烧室、喷油器与气缸最好同心布置，但在二气门的气缸盖上对称布置有困难，三者中心线不得不互相错开，并且由于进气门比排气门大，使燃烧室中心和喷油器向排气门一侧偏移（见图3-2）一般偏移量为。图3-2 喷油器与燃烧室的位置关系3.4.7 气道的布置柴油机相邻两气缸的排气道在气缸内一般是不连通的，而是各个气缸单独布置，这是为了避免排气道管壁与炽热气体接触时间过长。两个相邻的进气道有的机型是连通的，有的不连通。在多缸柴油机中，一般是把缸体两端的两个缸排气管放在最外边，离内燃机中点最远，这样进气门离中点相对较近，缩短了新鲜充量至两端气缸的路程，从而提高各缸的充气均匀性。柴油机中为了减轻进气被预热的程度，常把进、排气道分置在气缸两侧。4100柴油机采取进排、排气道布置为异侧的方案，可避免进气管受到排气管的预热，增加进入气缸内的新鲜充量，从而提高发动机的性能。一、 排气道从排气门座到气道喉口之间应有一个逐渐收缩的过度区作为引流段。气道喉口直径为排气门直径的92%96%,取28mm。从喉口到排气道的出口用一个大圆弧过渡，这一段的面积要逐渐扩大，排气道出口面积一般是喉口面积的1.11.2倍。排气道在气缸盖内必须尽可能的短，以减少向冷却水的传热。二、 进气道气流在进气道内的过程与排气道刚好相反，要求进气口要有尽可能大的面积，然后逐渐收缩至喉口。喉口处面积为进口处面积的80%90%,从喉口到气门座有一段引流，进气道喉口直径为进气门直径的92%96%，取32mm。气道进口面积约为进气门面积的1.21.4倍。进气道不但要求阻力小，根据不同机型的实际情况，还要求进入气缸内的气流具有一定的涡流运动。设计见图3-3：图3-3 进、排气道的设计3.4.8 气缸盖螺栓的布置气缸盖螺栓及布置方案，与气缸盖的结构形式、气道、水孔、推杆孔位置及缸心距有关。影响着柴油机结构的紧凑性和气缸垫片的密封性，同时也影响着柴油机的性能、可靠性和寿命。一般柴油机每缸螺栓数量为48个。每缸六个螺栓布置方案较好，可均匀布置为正六角形，螺栓最好均匀分布，但距离不宜缸径。相邻螺栓中心线以相切于气缸孔位最好。螺栓预紧力不宜偏大，以避免气缸盖变形和螺栓断裂。螺栓布置时要留足够的套筒扳手活动的余地。在气缸盖上螺栓宜采用同一直径。4100柴油机缸盖六螺栓中心分布半径为70mm。3.4.9 气缸盖清砂孔的布置气缸盖清砂孔的布置,直接影响铸造工艺，如果设计不当，清砂孔难净，水流不畅，形成局部过热，导致气缸盖损坏。设计要求如下：（1） 气缸盖四侧面和顶面，可布置清砂孔，而底面尽量不设置清砂孔。（2） 整体式气缸盖，在两侧面每一个进、排气道附近可布置清砂孔，而前后两个侧面可布置大水孔或不少于两个以上的清砂孔。（3） 清砂孔应布置于狭长水套或拐弯转角和其他清砂不便的地方。（4） 布置清砂孔时注意应少削弱气缸盖的强度和刚度。本次4100柴油机的清砂孔的布置如图3-4：图3-4 清砂孔的布置3.4.10 冷却水道的布置由于高温和温度分布不均所引起的热应力往往是气缸盖故障的原因，因此，对气缸盖进行合理的冷却，是保证气缸盖工作可靠的重要环节。要组织良好的冷却，对冷却水道的设计，应遵循下列原则：一、加快冷却水的流速提高水的流速可使层流层减薄，有利于传热，从而减小底板两侧的温差，以降低热应力；并且降低受热面的最高温度值，使材料在较低的温度下工作，以保持较高的抗蠕变能力。二、 加强高温区的冷却气门座之间和气门座与喷油器之间的底板部分，不但受高温燃气的冲刷，而且气门和喷油器也向这里散热，因此温度很高。加上这里的金属厚薄差别很大，温度分布不均匀，往往出现裂纹。设计时，对这些地方的冷却需要采取适当措施；（1）进、排气门间的“鼻梁区”应尽可能大一些，使水的流量加大，以便很好的冷却进、排气道的壁面；（2） 从铸造工艺角度出发，这里也不能太薄，不允许以尖角的形状通到气门间的底板，尖角的最小半径R不得小于3mm。（3） 将进排气门座之间加工成R圆弧的小坑，以减薄此处的火力面壁厚，有利于热量的传递，同时，还可减少热应力而避免热疲劳裂纹。三、 清除死水区冷却水不流动的地方传热效果差，会使温度升高。如果由于温度升高出现沸腾状态，传热会进一步恶化，温度会进一步升高。如此恶性循环，使材料强度下降而出现裂纹。所以要在气缸盖的横隔板上的进气道上的最高处开设小孔，用来沟通用来沟通隔板上下水腔，以免聚集气泡和出现死水区。3.4.11 气缸盖垫片的设计要求为了保证燃烧室密封，必须选用合适的气缸盖衬垫，同时注意气缸盖螺栓的布置，保证均匀可靠的亚压紧力。一个良好的气缸盖衬垫应满足以下的主要要求：（1） 具有良好的弹性、导热性、防腐性、抗粘性和抗老化稳定性。足够的抗拉与抗剪强度，有耐高温高压燃气的性能。与缸垫接触的零件不应发生化学和电解作用。（2） 缸垫的设计要考虑螺栓拧紧后，缸垫承受的气缸盖底面的比压差愈小愈好，以减小气缸盖的变形和漏气。（3） 拆装方便可重复使用。（4） 造价低廉，在运输，贮存和安装中不易损坏和生锈。（5） 缸垫变形不应小于机体等各部分弹性形变的总和，同时考虑固紧螺栓不应有超负荷现象。（6） 中小型高速柴油机缸垫厚度一般为0.71.5mm，强化柴油机缸垫约为1.22.2mm。大功率中速柴油机应采用缸垫厚度约为16mm的铜或铜制圆环。中小型高速柴油机用铜或钢和铝皮制成油、水和气孔的卷边板厚度一般为0.10.3mm。3.5 气缸盖基本尺寸的确定3.5.1 气缸盖的高度气缸盖的高度是重要的尺寸之一，影响刚度，强度，冷却效果以及缸盖垫的密封性、螺栓动应力以及气缸盖安装应力。同时气缸盖高度也取决于气道、水腔、壁厚、燃烧室结构和喷油器尺寸的布置。顶置气门内燃机由于有进排气道，高度较大一般采用经验公式H=（0.91.2）D。现代中小型告高速柴油机的高度，特别是多缸整体柴油机的高度，有适当加大的趋势。因为内燃机向高速高功率方向发展，使气缸盖热负荷不断增加，适当加大缸盖的高度，对气缸盖设计时加强冷却、提高刚度、合理设计进排气道三者都有利。气缸盖高度的适当提高，其内腔高度也相应增大，冷却水阻力也相应减小，流量增大。同时，缸盖的刚度增大，对防止变形和渗漏十分有利。当然这样做要增加内燃机的高度和重量但综合效果还是利多余弊。目前，铸铁材料的柴油机一般气缸盖的高度在（0.751.03）D的范围内，小型或中等强化程度的柴油机一般。 气缸盖的高度=。3.5.2 气缸盖底面壁厚气缸盖底面壁厚与缸径和柴油机强化程度密切相关，选择恰当与否，影响着柴油机工作的可靠性。目前，多数柴油机气缸盖按缸径大小来选择底面壁厚。一般铸铁材料的气缸盖按照图中所示，按照为宜。表3-4 缸盖底板厚度与缸径的关系综上，本次4100柴油机的壁厚取10mm。3.5.3 气缸盖其余尺寸的确定小型柴油机气缸盖顶面有的倾斜，可排除冷却水中的气泡，有助于摇臂机构润滑油流回曲轴箱。推荐的气缸盖其余尺寸的经验公式及统计数据，以及4100柴油机其他尺寸的取值见表3-5：表3-5 缸盖其余尺寸的确定名称符号经验或统计公式4100柴油机取值顶面壁厚（适用于D140mm以下）8mm气门到导管孔壁厚45（）5mm气道壁厚45（）5mm螺栓孔壁厚=（0.0450.05）D5mm侧面壁厚=（0.040.08）D8mm安装喷油器壁厚=（0.0350.04）D4mm气门偏离气缸一般取1015mm，最小35mm3mm气门中心距qq=（0.450.55）D52mm总长l528mm总宽B203mm第四章 曲柄连杆机构的动力学计算4.1参数选择1.气缸直径：D = 100 mm2.活塞行程：S = 118 mm3.标定转速：n = 3200 r/min4.标定功率：P = 70 KW5.压缩比： = 17.56.曲柄半径：r = 59 mm7.连杆大小头中心距：L = 200 mm 图4-1 曲柄连杆机构简化图 其中： , , , - 活塞组质量 （） - 连杆小头质量 () -连杆大头端质量 （）4.2设计计算及说明4.2.1活塞位移由S=118mm，可知曲柄半径R=S/2=59mm。则连杆比=R/L=59/200。由标定转速n=3200r/min，可得曲轴旋转角速度=n/30=335.1rad/s代入活塞位移公式X=R(1-cos)+(R/4)(1-cos2),得X=59(1-cos)+（3481/800）(1-cos2) mm经部分计算，所得结果展示如图4-1：图4-2 活塞位移4.2.2 活塞速度由活塞速度公式V=Rsin+(/2)Rsin2,得V=19.771sin+2.92sin2 m/s经部分计算，所得结果展示如下：图4-3 活塞速度4.2.3 活塞加速度由活塞加速度公式a=R2cos+R2cos2，得a=6625.2cos+1954.44cos2 m/s2经部分计算，所得结果展示如下：图4-4 活塞加速度4.2.4 往复惯性力活塞质量mp=0.9597kg，连杆小头质量m1=0.36kg，则往复运动部分的质量mj=mp+ m1=1.3197kgPj=-mjR2(cos+cos2)=-8743.3cos-2579.27cos2 N经计算，所得结果展示如下：图4-5 往复惯性力4.2.5 气体力由已知资料可知：图4-6 气体力4.2.6 连杆力图 4-7 曲柄连杆机构受力分析作用在活塞上的总作用力P=Pj+Pg, P随曲轴转角的分布请参见下表：由图 4-2可见，连杆力S=P/cos（N),计算结果展示如下： 图4-8 连杆力4.2.7 侧压力由图 1得，侧压力N=Ptan(N)，计算结果展示如下：图4-9 侧压力4.2.8 切向力由图 1可知，T=Psin(+)/cos N计算结果见下表：图4-10 切向力4.2.9 径向力由图1，K=Pcos(+)/cos N经计算，所得结果见下表：图4-11 径向力4.2.10 单缸输出转矩由公式得，Mi=TR=0.05T Nm计算结果见下表：图4-12 单缸输出转矩第五章 气缸盖的热力计算5.1 参数选择5.1.1 已知参数1、 缸径 D=100mm2、 行程 S=118mm3、 缸数 i=44、 转速 n=3200rad/s5、 压缩比 =17.56、 单缸工作容积 7、 连杆比 =R/S=59/200=0.2958、 大气状态