传动轴设计流程.doc

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1、传动轴编 号审 核版 本Propeller Shaft编 写批 准采用日期一、 设 计 流 程任务号任务名称责任人主要工作内容提交的文件参考工期启动设计整车总布置向传动轴设计师下达启动传动轴设计指令，并提供传动轴设计边界条件技术信息流程卡：提供发动机、变速器、驱动桥等参数及传动轴接口尺寸、拉压极限、万向节最大转角、传动轴最大夹角、中间支承位置等。3天概念设计气缸盖设计师三维气道模型、三维水套模型、缸盖三维模型。三维气道模型、三维水套模型、缸盖三维模型。30天水套CFD计算分析热力学计算工程师缸盖水套三维流动计算分析、换热系数计算；计算结果及分析报告，结论,建议5天缸盖有限元计算分析有限元计算工

2、程师气缸盖强度、刚度计算分析、热负荷计算分析。计算结果及分析报告，结论,建议30天气道开发气道工程师根据缸盖总布置下达的边界条件完成进排气道开发进排气道样柱、进排气道三维电子文件20天详细设计气缸盖设计师根据概念设计，有限元计算结果，CFD计算结果，完成气缸盖详细设计提交气缸盖详细设计图、材料清单，水套三维模型、缸盖三维模型30天设计确认气缸盖设计师对产品图进行确认设计师对气缸盖详细设计图确认后签字3天总布置确认发动机总布置确认气缸盖 配合尺寸的正确性在图纸上确认签字3天零件试制试制部完成气缸盖试制缸盖样件测量报告3个月气道试验气道工程师完成缸盖进排气道的性能试验试验报告，结论，建议3天台架试

3、验发动机试验工程师验证气缸盖在整机上的性能、可靠性试验报告，结论，建议道路试验道路试验工程师验证气缸盖在实际使用过程中的可靠性和耐久性试验报告，结论，建议采用气缸盖设计师发产品采用通知采用通知书1天总结气缸盖设计师总结前期的设计、计算及试验分析工作最终设计总结，设计经验总结，更新的FMEA5天气缸盖设计流程图-08总布置确认启动设计发动机总布置设计师-01-07-06设计确认详细设计-02气缸盖设计师概念设计水套CFD计算分析-03热力学计算工程师-04缸盖有限元计算分析有限元计算工程师-0505气道工程师气道开发-09否零件试制试制部-10是否符合要求气道试验气道工程师否是否符合要求-11是

4、否发动机试验工程师台架试验是-12道路试验工程师是否符合要求道路试验是-13采用气缸盖设计师气缸盖设计师-14总结二、 设计规范1主要功能描述密封气缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。合理的气道布置为发动机工作过程提供所需要的新鲜空气和适合的旋流强度，并排出废气并为废气涡轮增压器提供驱动能量。2设计原则气缸盖应具有足够的强度和刚度，工作时缸盖变形最小并保证与其缸的结合面和气门的结合面有良好的密封。根据混合气形成方式使气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好。结构力求简单、铸造工艺良好；冷却合适，缸盖温度场分部均匀尽可能减小热应力，避免产生裂纹。缸盖鼻梁区是热负荷和机械符合最

5、大的部位，应该从设计上确保该部位的强度、刚度和冷却效果。3设计的边界条件发动机最大功率、最大扭矩、压缩比、气缸直径、缸心距、缸盖螺栓位置、缸盖厚度、宽度、长度、冷却水孔位置。4重要结构及性能参数缸盖底板厚度、缸盖高度、气门个数及位置、喷油器（火花塞）位置、气道喉口直径、进排气道的位置；进气道流量系数旋流数、排气道流量系数。5重要结构及参数的确定1） 底板厚度：缸盖底板厚度对气缸盖的可靠性有很大影响，底板同时承受机械负荷和热负荷。对于承受机械负荷要求底板有足够的厚度，为了减小热应力底板应当减薄，因此气缸盖的可靠性就取决于对热负荷和机械负荷二者的协调。下列原则可以用来确定缸盖底面的最大厚度：缸盖底

6、板内部热传导的公式为：twi（C）是缸盖底板燃烧室一侧的温度，twa（C）是缸盖底板冷却水一侧的温度，q/F（千卡/米小时）是缸盖底板局部地区的热负荷，（千克/米小时度）是缸盖材料的导热系数， (米)是缸盖底板的局部厚度，将上式改写后便得出求底板局部厚度的公式：用此公式便可大致确定缸盖底板的最大厚度。2） 缸盖高度在某种意义上决定了缸盖的刚度，但是缸盖高度受到整机总布置的限制。3） 进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响， 进气道影响进气阻力和充气效率，排气道影响排气阻力和废气能量的利用。进气道直段要尽可能直顺光滑，减小进气阻力，螺旋段要根据发动机的性能和燃烧系统的要求开发出合适的旋流强度。排

7、气道的布置要尽量平顺，减小进气阻力。对于增压机，排气道的截面应设计成圆形，以减少向冷却系统的传热，减小能量损失。在柴油机中，为了减少排气道对进气的加热以提高充气系数，将进排气道部置在气缸两侧。4）气门位置的确定：进气门与气缸壁的间隙为0.01D-0.02D，排气门与气缸壁的间隙为0.01D-0.015D。 FEV公司认为喷油器与排气门座间的壁厚5mm。与进气门座间的壁厚4mm，是可以满足可靠性要求的。气门间距不能太小，否则鼻梁区的型芯强度不够，容易造成烧结、夹渣等铸造缺陷。鼻梁区水套最小厚度应5mm。5）喷油器的位置对发动机性能，排放有很大影响。对于四气门发动机，喷油器位于气缸中心线上，是最佳

8、布置。对于两气门发动机喷嘴要尽量靠近气缸中心。通常情况下对于两气门柴油机，欧I排放的发动机喷嘴与气缸中心直线距离要小于10mm，欧II排放发动机该直线距离小于7mm。6）进排气门大小的确定：根据经验和Benchmarking可以确定气门的大小，对于卡车发动机进排气门的取值范围是：进气门， 0.41Dv/Dcvl0.47 排气门， 0.36Dv/Dcvl0.41 对于轿车发动机：进气门， 0.419Dv/Dcvl0.462 排气门， 0.385Dv/Dcvl0.4126典型的形状及位置公差缸盖顶面、底面粗糙度、喷油器位置度、进排气道位置度、定位销孔位置度；气门导管与气门座圈密封带的同轴度；气门座

9、圈密封带的跳动、粗糙度；7典型结构及技术要求气缸盖有整体式、分体式和单体式。对于缸径D150mm 时采用单体式（一缸一盖）；当120D150时采用单体、分体或整体视其他条件而定。对于气门数量有每缸两气门、每缸四气门。气缸盖的高度一般取H=(0.9-1.2)D，现代内燃机气缸盖有增高的趋势。适当增加气缸盖的高度，使H=(1.4-1.5)D，对气缸该设计使加强冷却、提高刚度、合理设计进排气道三者都有利。8典型材料牌号根据工作条件，气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。各种材料的热强度用热强度系数来表示 抗拉强度 b热强度系数=- = - 热应力特性数 E/E弹性模数导热系数b抗拉强度热强度系数愈大

10、，热强度也愈大。铸铁气缸盖的工作温度不应超过375-400（380），否则鼻梁区由于热膨胀产生应力而在高温下发生塑性变形，在冷态时又因冷缩受到拉伸，这样热胀冷缩交变作用，由于热疲劳而发生裂纹。铝合金气缸盖的工作温度不应超过220，铝合金由于高温而使强度迅速下降。所以要采取有效的冷却措施，使鼻梁区温度不要超过上述数值。柴油机通常情况下使用HT250。对于轿车用汽油发动机通常用铝合金。9需要进行的计算验证气缸盖冷却水流动分析，换热分析、刚度、强度计算10计算验证方法CFD流动计算、FE刚度、强度、温度场分布11典型工艺铸造12典型的表面处理工艺时效处理13典型的加工工艺14常见的失效模式1） 鼻梁

11、区裂纹；2） 气门密封不严；3） 气门下陷；4） 气门早磨；5） 烧机油；15针对失效模式采取的措施气缸盖常见故障、原因及解决措施 故障现象产生原因解决措施鼻梁区裂纹1） 铸造缺陷，鼻梁区处夹渣2） 冷却水流组织不好，鼻梁区处冷却水流速过底。3） 火力面刚度不够4） 气缸盖材料抗热疲劳强度差。提高铸造水平改进缸盖冷却系统结构设计，合理组织水流提高火力面刚度。改换抗热疲劳好的材料。气门密封不严气门座密封面与气门导杆之间的同轴度超差气门座密封面加工精度底冷却不好，产生偏磨提高加工精度改进缸盖冷却系统结构设计。气门下陷气门座材料耐磨性差气门座周围冷却不够更换耐磨材料改善缸盖冷却气门早磨气门材料耐磨性

12、差气门座周围冷却不够更换耐磨材料改善缸盖冷却烧机油进气门导管油封失效气门导管与气门杆之间间隙过大换油封换气门16需要进行的试验验证1)发动机台架性能试验(按 )2)发动机可靠和耐久性试验(按 )3)冷热冲击试验(按 )4)气道性能试验5）整车可靠和耐久性试验(按 )17试验验证规范三. 相关数据库（Benchmarking）发动机型号排量(L)额定功率(kW)最大爆发压力(bar)气缸盖材料压缩比进排气门直径进气道性能排气道性能底板厚度气门间距喷嘴与气缸中心的距离机型流量系数旋流数CA4983.168360088HT2501843.5x380.3-0.352.6-3.20.39-0.42102

13、3.5-26.57.8自然吸气柴油机CA4952.977105/3600HT25018.534.2x31.50.3-0.342.4-2.80.38-0.4212-0自然吸气柴油机CA4882.267/3600铝合金8.1、8.59.040.6x35.40.391.3-1.40.43820-22.6-增压中冷柴油机CA6DF-257.127185/2300140儒墨铸铁17.548x 42.80.35-0.372.0-2.20.46-0.481225-318.2汽油机CA6110ZLA97.127125.5/2300HT25017.549.2x 420.32-0.381.6-2.40.4-0.4

14、81225-3111增压中冷柴油机CA6110ZLA37.127180/2300HT25017.549.2x 410.32-0.381.6-2.40.4-0.481225-3111增压中冷柴油机CA6106ZLA86.619134/2300120HT25017.545x41.80.31-0.341.7-2.00.4-0.441225-3111增压中冷柴油机CA6DE2-236.619180/2300150HT25017.547x 41.81.513-1526.5-28.15.4增压中冷柴油机气缸垫编 号FDJ-审 核李丰军版 本1.0Cylinder Gasket编 写强鸿批 准李金成采用日期

15、2002.04.25一设计流程任务号任务名称责任人主要工作内容提交的文件参考工期FDJ-01启动设计发动机总布置向气缸垫设计工程师下达启动气缸垫设计指令，提供气缸垫设计边界条件技术信息流程卡：提供发动机最大爆发压力、压缩比、油压、水压等参数以及气缸垫压缩厚度要求7天FDJ-02概念设计气缸垫设计师完成气缸垫式样图的设计，并向气缸垫供应商提供气缸垫设计边界条件提交气缸垫式样图的图纸。为计算分析及供应商提供足够的数据（附：气缸垫设计调查书）7天FDJ-03详细设计产品供应商根据设计师提供的气缸垫式样图及气缸垫设计调查书，完成气缸垫详细设计提交气缸垫详细设计图、材料清单，（采用进口材料的包括材料标准

16、）7天FDJ-04设计确认气缸垫设计师对供应商的产品图进行初步确认对供应商提供的气缸垫详细设计图，设计师确认后，签字1天FDJ-05总布置确认发动机总布置确认气缸垫配合尺寸的正确性在图纸上的确认签字1天FDJ-06零件试制产品供应商由气缸垫供应商完成气缸垫试制试制样品及尺寸、公差、材料、性能检测报告22天FDJ-07面压试验及密封性试验气缸垫试验工程师评价气缸垫面压分布的均匀性、合理性试验报告，结论，建议10天FDJ-08台架试验发动机试验工程师验证气缸垫在整机上的密封性试验报告，结论，建议按整机可靠性和耐久性试验FDJ-09道路试验道路试验工程师验证气缸垫在实际使用过程中的可靠性和耐久性试验

17、报告，结论，建议按整车可靠性和耐久性试验FDJ-10采用气缸垫设计师发产品承认图的采用通知采用通知书2天FDJ-11设计总结气缸垫设计师总结前期的设计、计算及试验分析工作最终设计总结，设计经验总结，更新的FMEA2天气缸垫设计流程图-01-05总布置确认发动机总布置设计师启动设计-02-04设计确认气缸垫设计师概念设计-03产品供应商详细设计-06产品供应商零件试制否-07面压试验及密封性试验是否符合要求气缸垫开发工程师否是否符合要求-08是发动机试验工程师台架试验是-09否是否符合要求道路试验工程师道路试验是-10气缸垫设计师采用-11气缸垫设计师设计总结二.设计规范1. 主要功能描述对气缸

18、盖与气缸体之间的高压燃气、冷却水、机油提供有效的密封；2. 设计原则根据发动机类型及强化程度，确定采用金属垫或非金属垫，通过结构设计合理分配面压，确保燃气、机油、冷却水的密封，垫片要有很好的压缩回弹性，以确保密封的可靠性；3. 设计的边界条件首先确定上水由缸体控制，还是由缸盖或缸垫控制，来确定气缸垫的水孔大小，其余条件见气缸垫片设计调查书；4. 重要结构及性能参数压缩厚度，面压分配比，压缩回弹性；5. 重要结构及参数的确定根据经验及总布置的输入条件确定压缩厚度，通过气缸垫密封性分析计算进行优化设计；6. 典型的形状及位置公差缸口护圈及定位销孔位置度；7. 典型结构及技术要求对于气缸垫来说，最难

19、密封的是高压燃气，因此气缸垫的缸口周围都有护圈，以提高缸口周围的面压；两缸之间的鼻梁区，是最易窜气的地方，一般靠局部材料加厚，进一步提高该处的面压。另外面压的分配还要考虑到螺栓的位置，和缸体、缸盖变形等因素对气缸垫密封性的影响；8. 典型材料牌号非金属垫：FW522 金属垫：0Cr19Ni9 08Al 等9. 需要进行的计算验证 气缸垫密封性分析；10. 计算验证方法 11. 典型工艺冲压12. 典型的表面处理工艺表面涂层，提高气缸垫的微密封性能；13. 典型的加工工艺14. 常见的失效模式窜气、油水混15. 针对失效模式采取的措施16. 需要进行的试验验证17. 试验验证规范三.主参数BEN

20、CHMARK表发动机型号排量额定转速气缸垫类型压缩厚度缸口护圈位置度定位销孔位置度机型CA4983.1683600金属垫1.250.40.1自然吸气柴油机CA4952.9773800金属垫1.220.30.1自然吸气柴油机CA4882.23600非金属垫1.780.560.1汽油机附：气缸垫设计调查书发动机型号压缩比发动机类型：汽油机 柴油机油压kg/cm2工作循环2冲程 4冲程水压kg/cm2缸孔排列直列 V型缸盖底面平面度、粗糙度冷却方式水冷 油冷 空冷 缸体顶面平面度、粗糙度缸数缸套凸出量mm排量L缸盖螺栓直径最大功率/转速kw/rpm每缸螺栓数最大扭矩/转速kw/rpm缸盖螺栓扭矩kg

21、.m最大爆发压力kg/cm2气缸垫片压紧厚度mm气缸盖螺栓编 号FDJ-审 核李丰军版 本1.0Cylinder head bolt编 写李 伟批 准李金成采用日期2002.04.25一、 设 计 流 程任务号任务名称责任人主要工作内容提交的文件参考工期FDJ-01启动设计发动机总布置向气缸盖设计工程师下达启动气缸盖螺栓设计指令，提供气缸盖螺栓设计边界条件技术信息流程卡：提供发动机功率、最大爆发压力、等参数。发动机主要结构参数气缸直径、缸心距、缸盖螺栓位置、缸盖厚度。3天FDJ-02概念设计气缸盖设计师确定螺栓长度、计算螺栓轴向力确定螺纹规格、确定安装方式（扭矩法或转角法）计算报告，结论,建议

22、3天FDJ-03详细设计气缸盖设计师完成气缸盖螺栓详细设计；确定拧紧程序。 三维模型、二维图纸，拧紧程序3天FDJ-04设计确认气缸盖设计师对产品图进行确认设计师对气缸盖螺栓详细设计图确认后签字1天FDJ-05总布置确认发动机总布置确认气缸盖螺栓配合尺寸的正确性在图纸上确认签字1天FDJ-06零件试制供应商完成气缸盖螺栓试制缸盖螺栓样件测量报告1个月FDJ-07强度试验供应商螺栓抗拉强度试验试验报告，结论，建议1个月FDJ-08台架试验发动机试验工程师验证气缸盖螺栓在整机上可靠性试验报告，结论，建议FDJ-09道路试验道路试验工程师验证气缸盖螺栓在实际使用过程中的可靠性和耐久性试验报告，结论，

23、建议FDJ-10采用气缸盖设计师发产品采用通知采用通知书1天FDJ-11总结气缸盖设计师总结前期的设计、计算及试验分析工作最终设计总结，设计经验总结，更新的FMEA3天气缸盖螺栓设计流程图-01-05总布置确认发动机总布置设计师启动设计-02-04设计确认气缸盖设计师概念设计-03气缸盖设计师详细设计-06供应商零件试制否-07强度试验是否符合要求供应商-08是否符合要求是否发动机试验工程师台架试验-09道路试验否是否符合要求道路试验工程师是是采用-10气缸盖设计师总结-11气缸盖设计师二 .设计规范1主要功能描述气缸盖螺栓式气缸盖与气缸体之间的连接件，主要承受预紧力所造成的机械应力。它的位置

24、和数量对于气缸盖和气缸体的受力情况气缸盖与机体之间接合面密封的可靠程度、以及气缸套的变形大小都有很大的影响。2设计原则气缸盖螺栓应具有足够的强度。螺栓数目要足够，以保证压紧均匀，减小局部变形，密封可靠。3设计的边界条件发动机最大功率、最大扭矩、最大爆发压力、压缩比、气缸直径、缸盖螺栓位置、缸盖厚度。4重要结构及性能参数每缸螺栓数目、预紧力、覆盖系数、螺纹规格和长度，螺纹接合长度、螺栓长度。5重要结构及参数的确定每缸螺栓数目多，螺栓直径可以相应减小，相对缸盖的柔性变大，故能减小螺栓上载荷的交变分量，因而相应可以降低预紧力。但是螺栓的布置又受到气道推杆孔、水孔和气缸中心距等具体结构的限制，所以螺栓

25、数目也不能随意增多。螺纹的规格由螺栓的预紧力和螺栓的覆盖系数的计算结果确定。螺栓的预紧力要足够，以保证必要的密封压力，但预紧力过大会使机体气缸盖过度变形，反而损坏密封。螺栓的覆盖系数应2.7。计算公式：Fz=Pz*SCf=nFb/FzFz燃气作用在气缸盖上力Pz-最大爆发压力S-燃气作用在缸盖上的投影面积。Cf覆盖系数n-每缸等效螺栓数Fb螺栓力螺纹的接合长度应大于等于螺纹直径的2倍。螺栓的长度根据缸盖高度，缸体的结构确定。6典型的形状及位置公差螺栓的直线度、螺纹的精度、螺栓头法兰相对螺杆的垂直度。7典型结构及技术要求 六角头导颈螺栓、双六角头导颈螺栓8典型材料牌号40Cr9需要进行的计算验证

26、气缸盖螺栓刚度、强度分析10计算验证方法11典型工艺12典型的表面处理工艺磷化13典型的加工工艺螺纹滚丝，搓丝14常见的失效模式断裂15针对失效模式采取的措施采用合适的材料和结构16需要进行的试验验证拉伸试验17试验验证规范三. 气缸盖螺栓相关数据库（Benchmarking）发动机型号额定功率最大爆发压力气缸盖螺栓材料每缸螺栓数螺栓规格机型自然吸气柴油机自然吸气柴油机CA49862.5/36008.840Cr4M12x1.5自然吸气柴油机CA49510540Cr4M11x1.5自然吸气柴油机CA4886740Cr4M11x1.5增压中冷柴油机CA6DF-2518514MPa40Cr6M15汽油机CA6110ZLA9125.540Cr6M14增压中冷柴油机CA6106ZLRA813412MPa40Cr6M14增压中冷柴油机CA6DE2-2318015MPa40Cr6M15X1.5增压中冷柴油机CA6110ZLRA318040Cr6M15增压中冷柴油机