某汽油機機體設計開發

陳思穎

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某汽油機機體設計開發

陳思穎

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發動機機體構成發動機的骨架，其內外安裝著發動機的主要零件和重要附件。機體工作環境惡劣，結構復雜，容易出現應力集中、冷卻不良等現象，所以在機體設計階段規避設計風險問題，提高其可靠性尤為重要。

汽油機；機體設計；3D建模

前言

能源供應的日益趨緊，環境保護的日趨重視，這使得乘用車向小排量、高功率、低油耗、低排放方向發展。同時顧客對汽車的動力性、經濟性、安全性和舒適性等方面也有了更高的要求。發動機作為汽車的動力裝置，是汽車的心臟。各運動件的潤滑和冷卻也都是通過機體得以實現。因此在機體設計時必須對重要的尺寸、幾何形狀、相互位置等提出嚴格的要求。

本文主要闡述某汽油發動機機體的設計要求、設計要點、三維建模等內容，并結合其實際情況應用該設計過程。

1 機體的工作環境及布置形式

1.1 機體的工作環境

機體在發動機工作時承受非常復雜的負荷，其主要包括機械負荷、熱負荷和附加其上的外載荷。

在作功沖程中，高溫高壓氣體會使氣缸受到拉伸，在此力的傳遞過程中會使機體的不同部位承受彎曲和扭轉作用。同時往復慣性力和離心力在高速運轉的汽油機中會達到很大的數值，它們也會使機體承受彎曲和扭轉作用。當曲軸對外輸出扭矩時，機體主軸承座受到由側壓力構成的反扭矩作用。對于四缸發動機來說，在同一時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作用。

另一方面，氣缸的內壁直接與高溫高壓氣體接觸，外壁又受到冷卻液的冷卻。在內外壁溫差的作用下，機體還承受很大的熱應力。

1.2 機體的布置形式

發動機一般通過機體或者鏈輪室蓋板上的固定點支撐在車架上，即懸置。發動機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變形對發動機的影響，以及減少傳給底盤的振動和噪聲。

根據整車布置需求，本次設計采用發動機縱置布置，即發動機與汽車的前橋垂直。由于整車懸置在發動機的進排氣面，所以機體相應兩側面要增加懸置固定點，如圖1所示。

圖1 懸置布置方式

2 機體的詳細設計

2.1 橫向尺寸和缸孔直徑

機體的橫向尺寸主要取決于連桿組件最外點的運動軌跡，即連桿包絡。要確保機體和運動件在任何情況下不相碰，設計時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，從而最終確定機體的橫向尺寸。

圖2中清楚地表述了連桿組件的運動軌跡。設計時，陣列了72組連桿組件，這樣能更準確、更貼切地確認連桿的實際運動軌跡，即連桿包絡。該軌跡與曲軸箱內壁的最小間隙Δ應為3-10mm，本次設計取5mm。橫向尺寸為255mm。

圖2 連桿包絡

2.2 縱向尺寸

機體的縱向主要尺寸是氣缸缸距L，對于直列式發動機，L主要取決于氣缸的布置與氣缸直徑。此次設計的發動機屬于中小型高速水冷汽油機，為了簡化結構，取消了氣缸之間的水套，將相鄰的兩氣缸聯接在一起。其缸距為L=D+水套壁到缸孔內壁距離L1，對于中小型高速水冷汽油機L1一般為5-12mm，此次設計取8mm，即缸距為L=75+8=83mm，這一尺寸決定了機體縱向尺寸為375mm，如圖3。

圖3 縱向尺寸

2.3 機體的高度

發動機機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的止點，稱為上止點；活塞頂面離曲軸中心線最近的止點，稱為下止點，上止點與下止點之間距離是活塞行程S,如圖4。

本設計中，缸徑D是75mm，活塞行程是90mm，氣缸數是4，代入上式，得出：

通過上述計算，可以知道，缸徑和活塞行程決定了發動機的排量。本次設計，缸徑沒有變更是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），此位置間隙設計要求Δ15-12mm，本次設計取6mm。另一方面，連桿大頭段與曲軸箱內壁的最小間隙Δ2應為3-10mm，本次設計取5mm。綜合考慮，本次設計缸孔高度H是129.5mm。曲軸箱高度為（0.6～1.5）H，本次設計取150.5mm，所以機體的總高度為280mm。

圖4 機體高度

圖5 連桿曲柄銷確認缸徑高度

2.4 冷卻水套的設計

通常車用發動機采用的是水冷卻。發動機利用水冷卻，在氣缸周圍及氣缸蓋均有充滿冷卻液的空腔，稱之為水套。發動機正常運轉時，氣缸直接與高溫高壓氣體接觸，且活塞在其中做高速往復運動，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加以冷卻。

現在多數汽油機機體采用機體水套上頂面開放式結構，如圖6。

圖6 頂部開放式水套

為使活塞第一道氣環容易傳出熱量，所以水套的深度至關重要。根據AVL公司的設計標準，即從做功沖程開始曲軸旋轉90°時，活塞第一道氣環要在水套內，也就是圖6中，H1＞H2。

計算輸入部分：

L1：曲柄半徑45mm；

L2：連桿長度133mm；

L3：銷孔中心到第一道環槽距離21mm；

H0：火力面到曲軸中心孔距離205mm；

H1：水套深度60mm；

數值H1已知，所以需要通過計算求得做功沖程開始曲軸旋轉90°時，火力面到第一道環槽的距離，即H2。然后比較H1和H2的大小，就可以判斷水套深度設計是否滿足要求。

計算輸出部分：

W0：銷孔中心到曲軸孔中心垂直距離，根據勾股定理，得：

H2：火力面到第一道環槽的距離，從圖7中，可以得出：

H1＞H2，所以水套深度60mm滿足設計要求。

圖7 水套深度的確定

設計時還有注意另外一個問題，那就是水套的平均厚度。水套厚度應盡量保證各處均勻，否則會影響冷卻液的流速，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。具體厚度需要根據水套流場的CFD仿真分析確定。本次設計中，根據CFD分析結果，水套平均厚度定為8mm。

3 機體的3D建模思路

設計時采用PRO/E三維軟件，利用計算流體力學（CFD）與有限元分析（EFA）相結合的方法，對機體以及機體水套進行優化設計，反復修改水套及機體外形結構，直至得出合適的機體冷卻液流量和流速分布，并且具有足夠的結構強度，最終確定機體的結構。

機體3D模型的構建是一個模擬的鑄造生產過程。我們采用分割法設計出初步機體3D模型，即設計出缸筒芯、水套芯及油套芯等然后由這些芯子通過剪切機體外形模型形成機體3D數模，如圖8。

圖8 機體的3D建模思路

4 結論

在進行機體設計時，首先進行設計前的梳理，即機體的實際工作環境和設計要求，根據發動機匹配的車型確定了機體的的型式龍門式和機體的材料鋁合金。然后是機體主要尺寸的確定和結構細節的設計，此部分是設計的核心內容。設計參數確認后，建立機體3D數模，其中要考慮到機體在鑄造和機加工方面的工藝性。3D數模確認后，最終就是CAE的分析，通過計算可以初步判斷機體設計的合理性，這樣機體的設計工作基本完成。

[1] 袁兆成.內燃機設計.[M]機械工業出版社p232-242.

[2] 陳家瑞.汽車構造.[M]機械工業出版社p46-50.

[3] 杜維明.轎車用汽油機缸體設計.[M]內燃機工程2011年10月第32卷第5期.

[4] 王斌.汽油機缸體設計.[M]內燃機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股份有限公司技術中心。研究方向機體等結構件設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.064