毕业设计-发动机缸盖

编号: 湖北文理学院理工学院本科毕业论文（设计）

题目基于发动机缸盖结构要求的工位器具设

计

理工学院机械系机械设计制造及其自动化专业学号 11316569 学生姓名余家伟

指导教师陈国华

起讫日期 2015.2.20~ 2015.5.20

摘要

毕业设计是对大学生整个大学阶段的学习内容概括与总结，是学生对知识掌握与提炼程度的一个检验，它是进一步提高学生进入工作岗位之前岗位能力的有效措施，学生通过毕业设计更能贴近就业后岗位的实际。

本课题是发动机缸盖机械加工过程工艺规程制定及工艺装备设计，缸盖是发动机中比较复杂，也是具有代表性的零件之一，基于缸盖在发动机的整体结构中的重要性，缸盖的制造过程与制造工艺就显得尤为重要。

工位器具在现代制造业中扮演着一个很重要的角色，一个合理的工位器具设计会在很大程度上提高制造水平，科技飞速进步的今天又很多计算机辅助设计软件可以用作为设计手段，本文将工位器具的设计进行介绍，并详细阐述使用三维软件进行设计的方式和优势

关键字：发动机；发动机缸盖；机械加工工艺规程；专用夹具设计

目录

1.绪论………………………………………………………

1.1选题背景及意义…………………………………………

1.2国内外研究现状…………………………………………

1.3主要研究内容及技术路线………………………………

2.发动机缸盖结构分析………………………………………

2.1发动机缸盖的材料与功用分析…………………………

2.2发动机缸盖结构图纸……………………………………

2.3发动机缸盖结构参数……………………………………

3.发动机缸盖的工位器具设计………………………………

3.1发动机缸盖工位器具的参数设计………………………

3.2发动机缸盖的外形设计…………………………………

3.3发动机缸盖三维结构设计………………………………4．结束语………………………………………………………

4.1结论………………………………………………………

4.2参考文献…………………………………………………

4.3致谢………………………………………………………

4.4软件简介…………………………………………………

第1章绪论

1.1选题背景及意义

发动机，又称为引擎，是一种可以把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。有时它既适用于动力发生装置,也可指包括动力装置的整个机器.比如汽油发动机,航空发动机.

发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。随着科技的进步，人们不断研制出不同用途多种类型的发动机，但是，不管哪种发动机，它的基本前提都是要以某种燃料燃烧来产生动力。所以，以电为能量来源的电动机，不属于发动机的范畴。

回顾发动机产生与发展的历史，它经历了外燃机与内燃机两个发展阶段。

所谓外燃机，就是说它的燃料在发动机的外部燃烧，发动机将这种燃烧产生的热能转化成动能，瓦特改良的蒸汽机就是一种典型的外燃机，当大量煤燃烧产生热能把水加热成大量的水蒸汽时，高压便产生了，然后这种高压推动机械做功，从而完成热能向动能的转变。

明白了外燃机，也就知道了内燃机。这一类型的发动机与外燃机的最大不同点在于它的燃料在内部燃烧。内燃机种类十分繁多，我们常见的汽油机、柴油机就是典型的内燃机。我们不常见的火箭发动机与飞机上装配的喷气式发动机也属于内燃机。不过，由于动力的输出方式不同，前两者与后两者也存在着巨大的差异。一般地，在地面上使用多的是前者，在空中使用多的是后者。当然有些汽车制造者出于创造世界汽车车速新纪录的目的，在汽车上装喷气式发动机，但这是很特殊的例子，不存在批量生产的适用性。

此外还有燃气轮机，这种发动机工作特点是燃烧产生高压的燃气，利用燃气高压推动燃气轮机的叶片旋转，输出动力。燃气轮机使用很广，由于很难精细地调节输出的功率，因此汽车与摩托车很少使用燃气轮机，只有部分赛车装用过燃气轮机。

气缸盖安装在气缸体上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压的燃气相接触，因此承受很大热负荷与机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部有冷却

水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

发动机是汽车心脏，为汽车行走提供动力，汽车动力性、经济性、环保性。发动机就是一个能量的转换机构，即将汽油的热能，通过密封汽缸内燃烧气体膨胀，推动活塞作功，转变为机械能，是发动机的最基本原理。发动机的所有结构都是为能量的转换服务，发动机伴随着汽车走过100多年的历史，在设计上、制造上、工艺上还是在性能上、控制上都有很大提高，其基本的原理不变，这是一个富于创造的时代，那些发动机的设计者们，不断将最新科技与发动机融为一体，把发动机变成一个复杂的机电一体化产品，使发动机性能达到近乎完善的程度，各世界著名汽车厂商将发动机的性能作为竞争亮点。

发动机种类有很多种，按照进气系统来分，分为自然吸气式发动机与强制进气发动机。汽油机通常采用自然吸气式；柴油机为了提高功率有采用增压式。按照气缸排列方式分类内，燃机按照气缸排列方式不同可以分为单列式与双列式。单列式发动机各个气缸排成一列，一般是垂直布置，但是为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的甚至水平；双列式发动机把气缸排成两列，两列之间的夹角<180°称为V型发动机，若两列之间的夹角=180°称为对置式发动机。按照气缸的数目分类内燃机按照气缸数目不同可以分为单缸发动机与多缸发动机。仅有一个气缸的发动机称为单缸发动机；有两个以上气缸的发动机称为多缸发动机。如双缸、三缸、四缸、五缸、六缸、八缸、十二缸等都是多缸发动机。现代车用的发动机多采用四缸、六缸、八缸发动机。按照冷却方式分类内燃机按照冷却方式不同可以分为水冷发动机与风冷发动机。水冷发动机是利用在气缸体与气缸盖冷却水套中进行循环的冷却液作为冷却介质进行冷却的；而风冷发动机是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。水冷发动机冷却均匀，工作可靠，冷却效果好，被广泛地应用于现代车用发动机。按照行程分类内燃机按照完成一个工作循环所需的行程数可分为四行程内燃机与二行程内燃机。把曲轴转两圈(720°)，活塞在气缸内上下往复运动四个行程，完成一个工作循环内燃机称为四行程内燃机；把曲轴转一圈(360°)，活塞在气缸内上下往复运动的两个行程，完成一个工作循环内燃机称为二行程内燃机。汽车发动机一般使用四行程内燃机。按照所用燃料分类的内燃机按照所使用燃料不同可以分为汽油机与柴油机。使用汽油为燃料的内燃机称为汽油机；使用柴油机为燃料的内燃机称为柴油机。汽油机与柴油机比较各有特点；汽油机转速高，质量小，噪音小，起

动容易，制造成本低；柴油机压缩比大，热效率高，经济性能与排放性能都比汽油机好。

缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道与排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。

发动机组成。机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构与各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件与附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度与刚度。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖与气缸垫等零件组成：

一、气缸体

水冷发动机的气缸体与上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱，也可称为气缸体。气缸体一般用灰铸铁铸成，气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套与润滑油道等。

气缸体应具有足够的强度与刚度，根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为以下三种形式。

(1) 一般式气缸体其特点是油底壳安装平面与曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度与强度较差

(2) 龙门式气缸体其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度与刚度都好，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。

(3) 隧道式气缸体这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。其优点是结构紧凑、刚度与强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。

为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸与气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷。水冷发动机的气缸周围与气缸盖中都加工有冷却水套，并且气缸体与气缸盖冷却水套相通，冷却水在水套内不断循环，带走部分热量，对气缸与气缸盖起冷却作用。

1.2国内外研究现状

现代汽车上基本都采用水冷多缸发动机，对于多缸发动机，气缸的排列形式决定了发动机外型尺寸与结构特点，对发动机机体的刚度与强度也有影响，并关系到汽车的总体布置。按照气缸的排列方式不同，气缸体还可以分成单列式，V 型与对置式三种。

(1) 直列式

发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的。单列式气缸体结构简单，加工容易，但发动机长度与高度较大。一般六缸以下发动机多采用单列式。例如捷达轿车、富康轿车、红旗轿车所使用的发动机均采用这种直列式气缸体。有的汽车为了降低发动机的高度，把发动机倾斜一个角度。

(2) V型

气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角γ＜180°，称为V型发动机，V 型发动机与直列发动机相比，缩短了机体长度与高度，增加了气缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状较复杂，加工困难，一般用于8缸以上的发动机，6缸发动机也有采用这种形式的气缸体。

(3) 对置式

气缸排成两列，左右两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角γ＝180°，称为对置式。它的特点是高度小，总体布置方便，有利于风冷。这种气缸应用较少。

气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸，整体式气缸强度与刚度都好，能承受较大的载荷，这种气缸对材料要求高，成本高。如果将气缸制造成单独的圆筒形零件(即气缸套)，然后再装到气缸体内。这样，气缸套采用耐磨的优质材料制成，气缸体可用价格较低的一般材料制造，从而降低了制造成本。同时，气缸套可以从气缸体中取出，因而便于修理与更换，并可大大延长气缸体的使用寿命。气缸套有干式气缸套与湿式气缸套两种。

干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁不直接与冷却水接触，而与气缸体的壁面直接接触，壁厚较薄，一般为1～3mm。它具有整体式气缸体的优点，强度与刚度都较好，但加工比较复杂，内、外表面都需要进行精加工，拆装不方便，散热不良。

湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却水接触，气缸套仅在上、下各有一圆环地带与气缸体接触，壁厚一般为5～9mm。它散热良好，冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，而与水接触的外表面不需要加工，拆装方便，但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好，而且容易产生漏水现象。应该采取一些防漏措施。

二、轴箱

气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱，曲轴箱分上曲轴箱与下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上曲轴箱，故又称为油底壳图（图2-6）。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置与机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。

三、气缸盖

气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷与机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

缸盖上还装有进、排气门座，气门导管孔，用于安装进、排气门，还有进气通道与排气通道等。汽油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。

气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。

气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机与柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。这里只介绍汽油机的燃烧室，而柴油机的燃烧室放在柴油供给系里介绍。

汽油机燃烧室常见的三种形式。

(1) 半球形燃烧室

半球形燃烧室结构紧凑，火花塞布置在燃烧室中央，火焰行程短，故燃烧速率高，散热少，热效率高。这种燃烧室结构上也允许气门双行排列，进气口直径较大，故充气效率较高，虽然使配气机构变得较复杂，但有利于排气净化，在轿车发动机上被广泛地应用。

(2) 楔形燃烧室

楔形燃烧室结构简单、紧凑，散热面积小，热损失也小，能保证混合气在压缩行程中形成良好的涡流运动，有利于提高混合气的混合质量，进气阻力小，提高了充气效率。气门排成一列，使配气机构简单，但火花塞置于楔形燃烧室高处，火焰传播距离长些，切诺基轿车发动机采用这种形式的燃烧室。

(3) 盆形燃烧室

盆形燃烧室，气缸盖工艺性好，制造成本低，但因气门直径易受限制，进、排气效果要比半球形燃烧室差。捷达轿车发动机、奥迪轿车发动机采用盆形燃烧室。

四、缸垫

气缸垫装在气缸盖与气缸体之间，其功用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气，漏水与漏油。

气缸垫的材料要有一定的弹性，能补偿结合面的不平度，以确保密封，同时要有好的耐热性与耐压性，在高温高压下不烧损、不变形。目前应用较多的是铜皮——棉结构的气缸垫，由于铜皮——棉气缸垫翻边处有三层铜皮，压紧时较之石棉不易变形。有的发动机还采用在石棉中心用编织的纲丝网或有孔钢板为骨架，两面用石棉及橡胶粘结剂压成的气缸垫。

安装气缸垫时，首先要检查气缸垫的质量与完好程度，所有气缸垫上的孔要与气缸体上的孔对齐。其次要严格按照说明书上的要求上好气缸盖螺栓。拧紧气缸盖螺栓时，必须由中央对称地向四周扩展的顺序分2～3次进行，最后一次拧紧到规定的力矩。

气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。

气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机与柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机的燃烧室主要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。

发动机的核心部件是汽缸，活塞在汽缸内进行往复运动，上面所描述的是单汽缸的运动过程，而实际应用中的发动机都是有多个汽缸的（4缸、6缸、8缸比较常见）。我们通常通过汽缸的排列方式对发动机分类：直列、V或水平对置（当然现在还有大众集团的W型，实际上是两个V组成）。

不同的排列方式使得发动机在顺滑性、制造费用与外型上有着各自的优点与缺点，配备在相应的汽车上。

发动机其他结构：

凸轮轴：控制进气阀与排气阀的开闭

火花塞：火花塞放出火花点燃油气混合气，使得爆炸发生。火花必须在适当的时候放出。

阀门：进气、出气阀分别在适当的时候打开来吸入油气混合气与排出尾气。在压缩与燃烧时，这两个阀都是关闭的，来保证燃烧室的密封。

缸盖作为发动机中最复杂、最具代表性的零件之一。所谓发动机缸盖，就是安装在发动机缸体上部的机构，它与活塞一起形成燃烧室，即汽油与空气混合形成的混合物燃烧的地方。气缸盖上有用于冷却燃烧室及周围区域的水套、进排气道、进气歧管、排气歧管、润滑油道与火花塞的安装孔。根据燃烧室的形状、凸轮轴位置与气门机构等因素的变化，缸盖结构也有所变化。由于目前多数发动机都采用了顶置凸轮轴的布局，所以对于很多不了解汽车发动机结构的人，也可以通过观察发动机缸盖的宽度来区分。另外，过去的发动机缸盖多采用铸铁材质，但由于铝具有更高的热传导性，同时可以减轻发动机的重量，因此现在许多发动机的缸盖已经采用铸铝制造。

1.3 主要研究内容及技术路线

本论文研究的主要内容是发动机缸盖有毛坯到成品的主要机械加工工艺过程的制定以及相应的加工过程中能够满足精度要求的机床与刀具的选择，还有发动机缸盖上孔群的加工所需要的专用夹具的设计。

图1-0为本毕业设计设计说明书的知识框架，清洗明了的介绍了本设计所做的一些工作与设计思路。

第2章发动机缸盖的结构分析

2.1 发动机缸盖的材料与功用分析

汽缸盖是柴油机的一种紧固件，也是柴油机燃烧室的组成部分。船用柴油机各种型式的汽缸盖的共同特点是结构复杂，孔道较多，壁厚不均。它不仅受到高温高压气体的强烈作用，而且周期性地承受较高的机械负荷与热负荷，也受到因冷却水造成的局部冷热不均影响，同时还由于螺栓预紧力使汽缸盖承受着压应力，并与燃气压力共同作用使汽缸盖受到弯曲作用，此外，还在截面变化处容易产生应力集中等，正是由于汽缸盖如此恶劣的工作条件，致使汽缸盖很容易失效损坏。通常失效损坏形式为：其底面与冷却水腔产生裂纹，这是柴油机经常出现的损坏现象，还有汽阀底面与导套容易磨损，冷却水侧被腐蚀等。

本次毕业设计的任务是设计4缸发动机缸盖的工艺路线及规程。

图1-1发动机气缸盖示意图

一：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与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、切削加工与热处理等。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与灰铸铁，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。

二：零件材料的选择

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、抗氧化性与组织稳定性等。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（铁素体与珠光体）与片状石墨所组成，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，塑性与韧性差，属于脆性材料，不能锻造与冲压，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与切削性能优良。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。

表2-2灰铸铁HT250的各种机械性能

①

2.2发动机缸盖结构图纸

2.3发动机缸盖结构参数

3.发动机缸盖的工位器具设计

3.1发动机缸盖工位器具的参数设计

3.2发动机缸盖工位器具的外形设计

3.3发动机缸盖工位器具三维结构设计

使用三维软件设计工位器具的优势

1图纸更加直观

与零部件不同，工位器具大多为框架板结构的组合，内部结构无法以三视图表示清楚，这不仅给绘图带来困难，而不便于进行讨论和制造。仅凭三视图，我们还无法具体了解这个器具结构，还需进行大量沟通，制造方才有可能按要求做出来我们想要的器具。

2标准化设计更加容易同其它机械设计一样，工位器具结构中也存在一些组件或结构可以做为标准零件装在需要的工位器具如图二中的角轮和牵引装臵是转运器具上常用的部件，笔者将其绘制成一个组件，在设计其它转运车的时候可以直接调取使用，大大提高绘图效率。

3器具设计及成本控制更容易在我们计算物流成本时，器具成本是不可缺少的一部分，物流在当今制造业被称为第三利润源，而控制器具的成本自然也成为较为重要的一部分，主要有如下两个方面（1）器具设计过程中材料的消耗计算更加方便相对二维软件，在绘制完成整个工程图，再来计算材料成本，需对所有使用的材料进行单独计算重量，再进行相加，使用三维软件建模后，可直接输入材料密度，整体重量就可以计算出来，效率远高于手动计算。

（2）器具设计选型更加方便由于现代制造业零件产品特别汽车零件新产品均已采用三维软件来进行设计，通常情况下，一个产品在设计完成之后并不会立即大量生产，而其中最简单的零部件同样也需要选择合适的标准化包装，但并没有足够多的零件来用以摆放，甚至没有实物零件，这时我们可以通过研发部门获取零件三维数模，可以准确的获得这个包装的重量、SNP及包装所需的标准器具这些数据，这些都是我们进行物流成本计算所需的重要数据。

图五

同样对一些更复杂的零件我们可以直接使用数模来进行专门工位器具的设计，本文在第四节会有一个相关的实际应用的例子。通过以上三点，我们不难看出，使用三维软件来设计工位器具比二维CAD有很大优势