某汽油機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)開發(fā)

陳思穎

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某汽油機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)開發(fā)

陳思穎

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，其內(nèi)外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件和重要附件。機(jī)體工作環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中、冷卻不良等現(xiàn)象，所以在機(jī)體設(shè)計(jì)階段規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)問題，提高其可靠性尤為重要。

汽油機(jī)；機(jī)體設(shè)計(jì)；3D建模

前言

能源供應(yīng)的日益趨緊，環(huán)境保護(hù)的日趨重視，這使得乘用車向小排量、高功率、低油耗、低排放方向發(fā)展。同時(shí)顧客對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和舒適性等方面也有了更高的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的動(dòng)力裝置，是汽車的心臟。各運(yùn)動(dòng)件的潤滑和冷卻也都是通過機(jī)體得以實(shí)現(xiàn)。因此在機(jī)體設(shè)計(jì)時(shí)必須對重要的尺寸、幾何形狀、相互位置等提出嚴(yán)格的要求。

本文主要闡述某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、三維建模等內(nèi)容，并結(jié)合其實(shí)際情況應(yīng)用該設(shè)計(jì)過程。

1 機(jī)體的工作環(huán)境及布置形式

1.1 機(jī)體的工作環(huán)境

機(jī)體在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)承受非常復(fù)雜的負(fù)荷，其主要包括機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和附加其上的外載荷。

在作功沖程中，高溫高壓氣體會(huì)使氣缸受到拉伸，在此力的傳遞過程中會(huì)使機(jī)體的不同部位承受彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。同時(shí)往復(fù)慣性力和離心力在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的汽油機(jī)中會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，它們也會(huì)使機(jī)體承受彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)曲軸對外輸出扭矩時(shí)，機(jī)體主軸承座受到由側(cè)壓力構(gòu)成的反扭矩作用。對于四缸發(fā)動(dòng)機(jī)來說，在同一時(shí)刻所受的該反扭矩的大小和方向都是不同的，因此曲軸箱位置受到扭轉(zhuǎn)作用。

另一方面，氣缸的內(nèi)壁直接與高溫高壓氣體接觸，外壁又受到冷卻液的冷卻。在內(nèi)外壁溫差的作用下，機(jī)體還承受很大的熱應(yīng)力。

1.2 機(jī)體的布置形式

發(fā)動(dòng)機(jī)一般通過機(jī)體或者鏈輪室蓋板上的固定點(diǎn)支撐在車架上，即懸置。發(fā)動(dòng)機(jī)在車架上的懸置是彈性的，這是為了消除在汽車行駛中車架的扭轉(zhuǎn)變形對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，以及減少傳給底盤的振動(dòng)和噪聲。

根據(jù)整車布置需求，本次設(shè)計(jì)采用發(fā)動(dòng)機(jī)縱置布置，即發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車的前橋垂直。由于整車懸置在發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣面，所以機(jī)體相應(yīng)兩側(cè)面要增加懸置固定點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 懸置布置方式

2 機(jī)體的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 橫向尺寸和缸孔直徑

機(jī)體的橫向尺寸主要取決于連桿組件最外點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即連桿包絡(luò)。要確保機(jī)體和運(yùn)動(dòng)件在任何情況下不相碰，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮各零件的制造公差、零件的變形和磨損的影響等因素，留出足夠的間隙，從而最終確定機(jī)體的橫向尺寸。

圖2中清楚地表述了連桿組件的運(yùn)動(dòng)軌跡。設(shè)計(jì)時(shí)，陣列了72組連桿組件，這樣能更準(zhǔn)確、更貼切地確認(rèn)連桿的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，即連桿包絡(luò)。該軌跡與曲軸箱內(nèi)壁的最小間隙Δ應(yīng)為3-10mm，本次設(shè)計(jì)取5mm。橫向尺寸為255mm。

圖2 連桿包絡(luò)

2.2 縱向尺寸

機(jī)體的縱向主要尺寸是氣缸缸距L，對于直列式發(fā)動(dòng)機(jī)，L主要取決于氣缸的布置與氣缸直徑。此次設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)屬于中小型高速水冷汽油機(jī)，為了簡化結(jié)構(gòu)，取消了氣缸之間的水套，將相鄰的兩氣缸聯(lián)接在一起。其缸距為L=D+水套壁到缸孔內(nèi)壁距離L1，對于中小型高速水冷汽油機(jī)L1一般為5-12mm，此次設(shè)計(jì)取8mm，即缸距為L=75+8=83mm，這一尺寸決定了機(jī)體縱向尺寸為375mm，如圖3。

圖3 縱向尺寸

2.3 機(jī)體的高度

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的高度主要取決于曲軸中心、曲柄半徑、連桿長度、活塞尺寸和曲軸箱外形尺寸等。

活塞頂面離曲軸中心線最遠(yuǎn)的止點(diǎn)，稱為上止點(diǎn)；活塞頂面離曲軸中心線最近的止點(diǎn)，稱為下止點(diǎn)，上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間距離是活塞行程S,如圖4。

本設(shè)計(jì)中，缸徑D是75mm，活塞行程是90mm，氣缸數(shù)是4，代入上式，得出：

通過上述計(jì)算，可以知道，缸徑和活塞行程決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的排量。本次設(shè)計(jì)，缸徑?jīng)]有變更是75mm，為保證排量是1.6L，所以逆推算處活塞行程是90mm。

活塞行程確定后，就可以確定缸孔高度。為保證連桿與缸孔右下端的最小間隙（見圖5），此位置間隙設(shè)計(jì)要求Δ15-12mm，本次設(shè)計(jì)取6mm。另一方面，連桿大頭段與曲軸箱內(nèi)壁的最小間隙Δ2應(yīng)為3-10mm，本次設(shè)計(jì)取5mm。綜合考慮，本次設(shè)計(jì)缸孔高度H是129.5mm。曲軸箱高度為（0.6～1.5）H，本次設(shè)計(jì)取150.5mm，所以機(jī)體的總高度為280mm。

圖4 機(jī)體高度

圖5 連桿曲柄銷確認(rèn)缸徑高度

2.4 冷卻水套的設(shè)計(jì)

通常車用發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是水冷卻。發(fā)動(dòng)機(jī)利用水冷卻，在氣缸周圍及氣缸蓋均有充滿冷卻液的空腔，稱之為水套。發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸直接與高溫高壓氣體接觸，且活塞在其中做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以氣缸周圍溫度較高，為了保證氣缸表面能在高溫下正常工作，必須對氣缸及氣缸蓋隨時(shí)加以冷卻。

現(xiàn)在多數(shù)汽油機(jī)機(jī)體采用機(jī)體水套上頂面開放式結(jié)構(gòu)，如圖6。

圖6 頂部開放式水套

為使活塞第一道氣環(huán)容易傳出熱量，所以水套的深度至關(guān)重要。根據(jù)AVL公司的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即從做功沖程開始曲軸旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，活塞第一道氣環(huán)要在水套內(nèi)，也就是圖6中，H1＞H2。

計(jì)算輸入部分：

L1：曲柄半徑45mm；

L2：連桿長度133mm；

L3：銷孔中心到第一道環(huán)槽距離21mm；

H0：火力面到曲軸中心孔距離205mm；

H1：水套深度60mm；

數(shù)值H1已知，所以需要通過計(jì)算求得做功沖程開始曲軸旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，火力面到第一道環(huán)槽的距離，即H2。然后比較H1和H2的大小，就可以判斷水套深度設(shè)計(jì)是否滿足要求。

計(jì)算輸出部分：

W0：銷孔中心到曲軸孔中心垂直距離，根據(jù)勾股定理，得：

H2：火力面到第一道環(huán)槽的距離，從圖7中，可以得出：

H1＞H2，所以水套深度60mm滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 水套深度的確定

設(shè)計(jì)時(shí)還有注意另外一個(gè)問題，那就是水套的平均厚度。水套厚度應(yīng)盡量保證各處均勻，否則會(huì)影響冷卻液的流速，使其流速過低，造成與氣缸間的熱交換能力降低，影響散熱。一般情況下，水套各截面的冷卻液流速盡量不低于0.5m/s。具體厚度需要根據(jù)水套流場的CFD仿真分析確定。本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)CFD分析結(jié)果，水套平均厚度定為8mm。

3 機(jī)體的3D建模思路

設(shè)計(jì)時(shí)采用PRO/E三維軟件，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與有限元分析（EFA）相結(jié)合的方法，對機(jī)體以及機(jī)體水套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，反復(fù)修改水套及機(jī)體外形結(jié)構(gòu)，直至得出合適的機(jī)體冷卻液流量和流速分布，并且具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，最終確定機(jī)體的結(jié)構(gòu)。

機(jī)體3D模型的構(gòu)建是一個(gè)模擬的鑄造生產(chǎn)過程。我們采用分割法設(shè)計(jì)出初步機(jī)體3D模型，即設(shè)計(jì)出缸筒芯、水套芯及油套芯等然后由這些芯子通過剪切機(jī)體外形模型形成機(jī)體3D數(shù)模，如圖8。

圖8 機(jī)體的3D建模思路

4 結(jié)論

在進(jìn)行機(jī)體設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行設(shè)計(jì)前的梳理，即機(jī)體的實(shí)際工作環(huán)境和設(shè)計(jì)要求，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的車型確定了機(jī)體的的型式龍門式和機(jī)體的材料鋁合金。然后是機(jī)體主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，此部分是設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。設(shè)計(jì)參數(shù)確認(rèn)后，建立機(jī)體3D數(shù)模，其中要考慮到機(jī)體在鑄造和機(jī)加工方面的工藝性。3D數(shù)模確認(rèn)后，最終就是CAE的分析，通過計(jì)算可以初步判斷機(jī)體設(shè)計(jì)的合理性，這樣機(jī)體的設(shè)計(jì)工作基本完成。

[1] 袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).[M]機(jī)械工業(yè)出版社p232-242.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M]機(jī)械工業(yè)出版社p46-50.

[3] 杜維明.轎車用汽油機(jī)缸體設(shè)計(jì).[M]內(nèi)燃機(jī)工程2011年10月第32卷第5期.

[4] 王斌.汽油機(jī)缸體設(shè)計(jì).[M]內(nèi)燃機(jī)2008年10月第5期.

Design and development of cylinder

Chen Siying

( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The cylinder is the skeleton of the engine, and the main parts of the engine are mounted inside and outside the engine.Cylinder work in harsh environments, complex, prone to stress concentration, poor cooling and other phenomena, so the design risk aversion in the cylinder design phase, to improve its reliability is particularly important.

gasoline engine; cylinder design; establish 3D number

A

1671-7988(2018)18-190-03

U462.1

A

1671-7988(2018)18-190-03

CLC NO.: U462.1

陳思穎，本科，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。研究方向機(jī)體等結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.064