湿式缸套设计

摘要气缸套就是缸套的全称，它镶在缸体的缸筒，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。

气缸套分为干缸套和湿缸套两大类。

背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。

干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。

湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。

柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间,并为活塞起导向作用。

燃烧过程中燃气的最高温度可达2 500℃左右,因此缸套的壁直接受到高温高压燃气作用,而它的外侧又被冷却水包围,在外壁如此大的温差下,气缸套将会产生一定的热应力与热变形。

缸套作为薄壁筒类零件，由于较大的温度梯度将使其产生过大的热变形，与活塞组的正常间隙被破坏，磨损增大，高温将使润滑情况恶化，甚至龟裂；而缸套表面温度过低则对柴油机启动、燃烧过程不利，影响发动机的正常运行。

由于气缸套是一薄壁圆筒形零件,缸套的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙,导致工作过程的恶化,所以热应力与热变形都需要控制在一定的围。

本研究以380柴油机热负荷为研究对象，系统地探讨了有限元法在柴油机缸套设计中的应用，深入研究了柴油机缸套热负荷对性能和可靠性的影响，同时系统的介绍了有限元分析软件ANSYS的分析特点和步骤，与其在工业设计上应用的广泛性与其对各种分析的重要意义。

本研究首先阐述气缸套的应用作用与设计意义，介绍关于气缸套的分类和作用等各个方面；利用获得的参考文献的温度场与材料各个特性参数的资料，采用有限元分析软件ANSYS对F170干式缸套的热应力与热变形进行分析探讨，对实现缸套的优化设计提供参考。

关键词：气缸套有限元热应力AbstractCylinder liner is the name that we call the liner of a cylinder.It sets inside the cylinder barrel and makes up of the combustion chamber together with the piston and cylinder head. Cylinder liners have two kinds: dry and wet cylinder liner .The kind that doesn't touch the cooling water in its back is dry cylinder, the other kind liner is wet liner. The dry cylinder is very thin, very simple and easy machining. Wet cylinders contact with the cooling water directly so that for the engine cooling and the simplification of engine.The cylinder of diesel engines is the space for gas combustion and expansion and it also works as the guiding role for piston. In the process of gas combustiontemperature can reach to 2 500 degrees Celsius, therefore the inside wall of cylinder liner is directlyunder the high temperature and high pressure gas, and its outside wall is surrounded by cooling water. Sounder the huge difference of temperature the cylinder liner will produce certain thermal stress and deformation. As a spares of thin walls the cylinder liner will produce thermal deformation which is too seriously due to the big temperature difference and will also break the normal clearance of piston groups make more serious friction. The high temperature can make the lubricating property worse, even chap. However if the temperature of cylinder’s surface is too low it will affect thestarting and combusting process of diesel engine and also affect its normal operation. As a spare of thin walls the abnormal deformation of cylinder liners will break the normal clearance between piston and cylinder and lead the operating process to getting worse. So the thermal stress and thermal deformation should be controlled in permitting range.This study takes aid at 380 diesel engine cylinder liners, discusses the application of FEM in diesel engine cylinder liners systemic and studies the thermal load of diesel engine cylinder liner’s affection to the security and reliability. Besides, I also introduce the analyzing feature and procedure of FEM software ANSYS and the universality and importance of its application.This study firstly introduces cylinder liner’s function and its design significance and then introduces the classification and function and so on. I take use of the thermal field and many parameters that are achieved by me. I also exploit the FEM software ANSYS to analyse the thermal stress and deformation so as to applying the reference of cylinder liner’s design.Keywords: cylinder liner, FEM, strain目录摘要IAbstractIV目录VII第一章引言- 1 -1.1燃机气缸套热应力研究的意义- 1 -1.2燃机气缸套热应力研究的国外状况- 1 -1.3 本研究的主要容与意义- 3 -第二章气缸套结构设计- 3 -2.1 气缸套分类- 3 -2.1.1 干式气缸套- 3 -2.2.2 湿式气缸套- 3 -2.2 气缸套损坏现象和原因- 4 -2.2.1 气缸镜面磨损- 4 -2.2.2 气缸套外壁的腐蚀- 6 -2.3 气缸套的材料和表面处理- 6 -2.3.1 球墨铸铁- 7 -2.3.2 高磷铸铁- 7 -2.3.3 合金铸铁- 7 -2.4 气缸套的结构设计和基本尺寸- 8 -2.4.1 干式气缸套- 8 -2.4.2 湿式气缸套- 9 -2.5 实体绘图软件对气缸套的绘制过程- 10 -2.5.1 关于实体绘图软件Pro-E- 10 -2.5.2 气缸套实体的绘制过程- 12 -2.6 提高气缸套使用寿命的有关措施- 14 -第三章气缸套温度场计算的导热方程与其边界条件- 13 -3.1导热微分方程与其边界条件的选取- 13 -3.1.1 导热微分方程- 13 -3.1.2 边界条件的选取- 16 -3.2 缸套温度场计算- 17 -3.2.1 燃气侧的边界条件- 18 -3.2.2 缸套与机架的边界条件- 18 -3.2.3 冷却水与缸套外侧的边界条件- 19 -第四章气缸套热应力和热变形的有限元模型的建立- 18 -4.1 数值计算方法的分析与选择- 18 -4.2 气缸套有限元模型的建立- 19 -4.3 应用软件的介绍与其具体建模过程- 20 -4.3.1 Pro-E实体绘图软件简介与具体绘制结果- 20 -4.3.2 ANSYS有限元分析软件简介与具体建模结果- 21 - 第五章缸套热负荷加载分析与结果- 26 -5.1 缸套热负荷加载分析- 26 -5.2 加载- 26 -5.3 结果分析- 29 -参考文献- 30 -致- 32 -第一章引言1.1燃机气缸套热应力研究的意义作为一种热能动力机械，燃机的工作过程始终离不开热现象，始终会受到热应力的影响。

柴油机湿式气缸套水封圈及水封槽的结构设计作者：郭喜洋来源：《中国科技博览》2013年第14期[摘要]柴油机湿式气缸套水封圈及水封槽的结构设计。

[关键词]水封圈、气缸套、密封、水封槽、橡胶环中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）14-0172-02现代柴油机采用的气缸套形式主要干式和湿式两种。

干缸套本身不产生冷却水的密封问题，而湿式缸套不仅冷却能较好，更换方便和制造简易，而且使机体的造型和清砂简便。

同时，还可以通过合理布置加强筋的办法来提高机体的钢度。

湿式缸套上部靠良好设计的凸缘压紧来保证密封；下部则需要用橡胶封圈来封水，其密封质量关系到柴油机冷却系统和润滑系统的正常工作，最终会影响到柴油机的性能指标及使用寿命。

因此，湿式缸套下部的密封是个不容忽视的问题，对水封圈和水封槽进行精心的优化设计，才有条件确保柴油机性能的可靠性。

1、水封圈的结构2、水封圈材料的选择水封圈在高于常温下密封水和油两种介质，因此要求其材质必须具备耐水、耐油和耐热特点。

目前国内水封圈所采用的几种主要材料列于表2。

比较以上几种水封圈材质的性能，并考虑加工工艺性和经济性等，从中选定“丁睛橡胶”为其制作材料。

3、水封槽结构设计常选用的水封槽结构形式有三种（如图2所示），槽断面形状为矩形，单边有斜度的耳形和半圆形。

半圆形截面环槽虽加工工艺简单，但密封性较差；耳形截面环槽制造稍难，但密封性较好；矩形截面的环槽结构，其接触面为线状，且密封带较宽，故密封性能最好。

当水封圈为橡胶制品时，环槽必须具有正好装入橡胶环的体积。

橡胶环虽然容易变形，但它系非压缩性物质，所以槽大时就漏水，槽小时就被气缸套压缩而引起变形。

由于水封圈截面的挤压变形不均匀，因而在装入水封槽后所产生的应力，沿着接触宽度的分布也是不均匀的。

在变形后的水封圈中，其接触应力的分布状况可用抛物线定律近似描绘。

4、实例设计分析135系列柴油机原采用半圆形截面水封槽和天然橡胶“○”形水封圈（其结构尺寸如图4所示），长期以来一直存在水封圈装配困难，密封性不可靠及使用寿命短等质量问题。

缸套简介概述：缸套就是气缸套的简称，它镶在缸体的缸筒内,与活塞和缸盖共同组成燃烧室。

常见缸套如图分类：缸套分为干缸套和湿缸套两大类。

背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套,背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套.干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。

湿缸套直接接触冷却水,所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化.干式气缸套：由于缸筒四周有供冷却水通过的水道,所以对铸造要求非常高,如果缸筒与水道之间的壁厚合适,则缸筒经过珩磨后可直接作为汽缸工作室。

如果筒壁出现穿漏或沙孔，为了回用缸体，就把缸筒镗大加一个缸套来恢复其功能。

在设计时就考虑百分之百加缸套的方法,就可以大大减少缸体加工后的废品率,也便于后期更换缸套的大修方式.由于这种缸套外壁是与缸体接触，所以称为干式缸套。

湿式缸套：如果设计时就使水道与缸筒大面积连通，完全通过缸套隔离冷却水和汽缸工作室，缸套外壁接触冷却水，这种缸套就称为湿式缸套。

与干式缸套相比，这种缸套壁厚稍大，但散热能力更强。

功能:1、气体密封:防止压缩气体、燃烧气体压力向外泄漏。

2、热传递：通过活塞、活塞环接受燃烧热量，传递到冷却水。

3、形成滑动面:作为发动机的内壁，形成和活塞、活塞环的滑动面。

加工工艺流程：缸桶: 下料 -—-—粗车 --—热处理(调质）--—--车(平头倒角)———-粗推内孔-—-滚压内孔—-——车（外圆开架窝）---—车内孔止口 -—--焊缸底-———车(外圆) 根据需要还有内部镀锌或者镀烙。

材质选择：气缸套工作表面由于与高温、高压的燃气相接触，有活塞环在其表面作高速往复运动，这就决定缸套不仅要有足够的强度和刚性，而且还必须耐高温、耐腐蚀、耐磨损。

1.铸铁材料的特点由于其卓越的滑动特性和生产加工性，缸套一直以来采用片状石墨材料。

这种铸铁材料原本是为了满足耐磨性和强度的需要,虽然通过添加合金拥有硬质珠光体基体和较细石墨,但为了再提高性能，于是，近年来，分散硬化物的复合材料就成为主流。

汽车湿式缸套加工工艺探讨梁柏贤【摘要】缸套是汽车发动机的重要部件,也是维修过程中需要经常更换的主要零件.从分析干式、湿式两种缸套技术特性和工艺性能入手,结合工作实际对使用普通机床小批量加工湿式缸套的加工工艺做了有益的探讨.【期刊名称】《林业机械与木工设备》【年(卷),期】2010(038)007【总页数】2页(P37-38)【关键词】普通机床;湿式缸套;加工工艺【作者】梁柏贤【作者单位】昆明钢铁集团有限责任公司汽车运输分公司,云南,安宁,650300【正文语种】中文【中图分类】TH706汽车缸套是汽车发动机的重要部件，也是维修过程中需要更换的部件，大批量生产汽车缸套均由专业生产厂家组织进行，生产过程中使用数控机床和专用组合机床等先进的加工设备，加工工艺已十分成熟。

但对于汽车维修企业，在实际工作中往往会遇到小批量加工一些特殊汽车缸套的情况，例如，少量进口的重型汽车或特殊工程机械维修用的汽缸套，市场资源比较缺乏，此时需要自制缸套来解决问题。

本文结合工作实际就如何使用普通机床加工小批量汽车湿式缸套的加工工艺做一探讨。

1 干式和湿式两种缸套的特点内燃机工作时，气缸内气体温度可高达1800～2000℃，活塞头部接受的高温气体热量有一部分就是通过密封环传递给气缸壁的。

直接与高温气体接触的零部件若不及时加以冷却，则其中运动的零部件就可能因受热膨胀而破坏正常间隙，或因润滑油高温失效而卡死（经验表明，气缸壁表面温度超过240℃时机油就会结焦）；各零部件也可能因高温而导致其机械强度降低甚至损坏。

因此，气缸套的冷却对保证发动机的正常工作是非常重要的。

目前汽车缸套普遍采用的有干式和湿式两种型式，干式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，而是与气缸体壁面直接接触，所以缸套散热不好，容易出现“拉缸”等情况。

在结构设计上，其壁厚较薄，一般为1～3mm，内外圆表面粗糙度精度要求较高，需要进行精加工。

由于缸套壁较薄，其内外圆的圆度难以控制，加工工艺复杂。

2结构刚强度的计算不评估汽缸套承受着由气体作用力，活塞侧压力以及热负荷所引起的应力。

最大燃烧压力Pmax是最危险的负荷，它使沿气缸的母线以及环形截面上产生拉伸应力，其大小可按下面近似公式计算：σp=Pmax*D/(2*δ)其中Pmax是最大燃烧压力；单位MP；D为气缸直徂，单位mm；δ为汽缸套壁厚，单位mm；铸铁汽缸套的允许应力σp在30~60MP范围内，钢质汽缸套在80~120MP范围；查表2已只Pmax=13.44MP，缸徂D=102mm，汽缸套壁厚δ=6mm，将以上数据带入计算σp=Pmax*D/(2*δ)=13.44*102/（2*6）=114MP,已经远大于铸铁汽缸套的允许应力，不能直接使用。

改进方案如下：第一，加大汽缸套壁厚；第二，换用钢材料；在此换用钢材料并适当再加大壁厚，取δ=8mm，则有σp =Pmax*D/(2*δ)=13.44*102/（2*8）=85.68MP，此拉伸应力在钢质汽缸套的允许应力范围内，满足要求。

侧压力使承载式汽缸套产生弯曲应力，作用在活塞销中心位置的Nmax引起的弯矩为M=Nmax*a*b/（a+b）其中Nmax由动力计算确定的最大侧应力，单位MP；a为活塞销中心到上支承面中心的距离，单位mm；b为活塞销中心到下支承面中心的距离，单位mm；活塞销处总作用力P=Pg+Pj,其中Pg为气体作用力，Pj为往复惯性力；Pg=π* D2*(P-P)/4=3.14x1022x（13.44-0.1）/4=117116.788N其中P为缸内气体压力；P为大气压力，一般取0.1MP;D为缸徂；Pj=-mjRw2（cosa+λ*cos2*a）；mj=m1+m2=1.74+0.82=2.56KG;其中mj为活塞销中心作往复运动的质量；m1为活塞组质量1.74KG；m2为连杆小头代替质量0.82KG；a为对应最大压力时的曲柄转角，R为曲柄半径，w为角速度，w=πn/30 rad/s，已知n=2800r/min，w=3.14x2800/30=293.1 rad/s，λ为连杆比，λ=R/L=57/194=0.291; 则Pj=-2.56x0.057x293.1 2（0.98+0.291x0.92）=-15633.8N则最大侧压力Nmax=Ptanβ；k=1-λ2sin2aSinβ=λsina，cosβ=k，则tanβ=sinβ/ cosβ；sina=sin372=0.98,sin2a=sin744=0.92Sinβ=λsina=0.291x.98=0.2852, k=1-λ2sin2a=1-0.2912xsin2372=0.996 , cosβ=k=0.998tanβ=sinβ/ cosβ=0.2852/0.998=0.286;Nmax=Ptanβ=( Pg+Pj) tanβ=(117116.788-15633.8)x0.286=27924.5N=0.028MN由于转过的角度较小，且刚从上止点开始向下运动的速度小，所以简化为活塞在上止点即可，已知活塞销到活塞顶高度h、、=77mm，则a=h、、-h1-（h2-h1）/2=77-8-（14-8）/2=66mm=0.066m；b=0.7h0- h、、+（c+b+c+b+c）/2=0.7x216-77+（6+2+6+2+6）/2=85.2mm=0.0852m；M= Nmaxab/a+b）=0.028x0.066x0.0852/（0.066+0.0852）=1.04x10-3MN*m；W为汽缸套横截面的截面系数，单位m3,W=3.14x(D14-D4)/ (16xD1)其中D1为汽缸套外径，D1=118mm，D为缸径，D=102mm；则W=3.14x(D144)/ (16xD1)=3.14x（0.1184-0.1024）/(0.118x16)=1.43x10-4m3；弯曲应力σw=M/W=1.04x10-3MN*m /1.43x10-4m3=7.27MP;则拉伸弯曲的复合应力为σ总=σp+σw，对于钢质材料该数值不该超过110MP,验证σ=σp+σw=85.68+7.27=92.95MP<110MP,故强度满足。

前言缸套就是气缸套的简称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。

缸套的分类依据背面是否接触冷却水进行分类。

干式缸套背面不与冷却水接触，反之则为湿试缸套。

干式缸套壁厚较薄，一般厚度为4毫米，而湿式缸套厚壁稍微大一点，在5至8毫米范围。

干式缸套相对来说结构较为简单，加工方便，但是与缸体是过盈配合，拆卸不方便。

湿式的缸套背面接触冷却水，散热好，拆卸也容易，但是刚度、强度都不如干式缸套，容易漏水。

湿式缸套多应用在柴油机。

缸套主要起气体密封，传递燃烧热量，形成滑动面等作用。

是一个运动频繁技术要求高的运动部件，对外圆和内圆精度、同轴度、耐磨性等要求严格。

这次设计使我们能够综合机械制造学中的理论基础，并综合生产学习中学到的实践知识，独立的分析和解决工艺问题，初步具备设计一个中等复杂程度零件的工艺规程的能力，也是熟悉和运用有关手册、图表等技术资料及编写技术文件等基本技能的一次实践，同时也为毕业设计和未来从事的工作打下良好的基础。

第一章零件的分析1.1 设计前的准备工作1.1.1 明确工件的年生产纲领缸套就是气缸套的简称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。

缸套主要起气体密封，传递燃烧热量，形成滑动面等作用。

是一个运动频繁技术要求高的运动部件，对外圆和内圆精度、同轴度、耐磨性等要求严格。

如大批量生产时，一般选择机动、多工件同时加工，自动化程度高的方案，结构也随之复杂，成本也提高较多。

1.1.2 熟悉工件零件图和工序图零件图给出了工件的尺寸、形状和位置、表面粗糙度等精度的总体要求，工序图则给出了夹具所在工序的零件的工序基准、工序尺寸、已加工表面、待加工表面、以及本工序的定位、夹紧原理方案，这是夹具设计的直接依据。

如图下图1-1所示图1-1 工件零件图1.1.3. 加工方法了解工艺规程中本工序的加工内容，机床、刀具、切削用量、工步安排、工时定额，同时加工零件数。

1.2．零件的工艺分析1.2.1 零件的功用、结构及特点缸套就是气缸套的简称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。

专利名称：一种湿式发动机缸套专利类型：实用新型专利
发明人：尤长青,程荣泉,曾兴华申请号：CN201620665502.0申请日：20160629
公开号：CN206111361U
公开日：
20170419
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提出一种湿式发动机缸套，突破传统缸套的构造形式，螺旋状的支撑散热片首先可对缸套本体有箍住的作用，对缸套本体进行加固，避免较薄的缸套本体发生变形，尤其是避免缸套本体在受到气缸活塞往复运动的接触压力及高温燃烧气体的膨胀压力等作用时发生变形，从而防止气缸活塞运动精度随着使用时间延长而逐渐降低甚至严重变形而无法工作的情况发生；而且支撑散热片可显著增大缸套本体外周面的表面积，扩大与冷却液的接触面积，进而有效增强缸套本体的散热性能。

与现有技术相比，本实用新型的湿式发动机缸套，其强度高不易变形，使用寿命大大延长，而且散热性能显著提高，实用性强。

申请人：泉州特库克汽车零部件有限公司
地址：362000 福建省泉州市清蒙科技工业区
国籍：CN
代理机构：泉州市潭思专利代理事务所(普通合伙)
代理人：程昭春
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