前言

氣缸蓋是發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，也是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的零件。氣缸蓋的功能決定了其形狀復(fù)雜、壁薄、呈箱型，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證零部件的幾何形狀和零部件之間的配合慣性。而且要做好機(jī)體冷卻，一方面減少機(jī)體各部位的熱應(yīng)力，另一方面控制機(jī)體溫度在一定值內(nèi)，此外機(jī)體的輪廓尺寸要緊走，以便減輕質(zhì)量。機(jī)體各部位要防止漏水、漏氣和漏油。

1、概念設(shè)計

氣缸蓋的概念設(shè)計即方案和三維設(shè)計階段。首先要確定發(fā)動機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和與發(fā)動機(jī)匹配的整車及發(fā)動機(jī)其它相關(guān)件的接口和安裝間隙，然后對零部件按系統(tǒng)或功能進(jìn)行模塊化設(shè)計。

1.1三維設(shè)計

三維設(shè)計主要有直接建模和模塊化建模方法。直接建模為唯一模型文件，通常由一位設(shè)計工程師完成，氣缸蓋設(shè)計周期大約為1個月，建模完成后特征數(shù)約為600多個(毛坯636個,成品655個)，模型的可編輯性差，對某個特征編輯后往往導(dǎo)致后面大量特征再生失敗。

與直接建模相比，氣缸蓋三維設(shè)計模塊化分解設(shè)計可以顯著提高三維建模速度，降低模型的編輯難度。采用模塊化設(shè)計缸蓋模型文件包括骨架線、成品及各級模塊文件在內(nèi)的多個文件組成，可以由多位設(shè)計工程師并行完成，設(shè)計周期不超過10天，每個模塊特征數(shù)不超過100個，模塊可編輯性大大改善。采用自頂向下方法設(shè)計發(fā)動機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。本文討論基于Pro/E平臺，應(yīng)用自頂向下設(shè)計思路進(jìn)行發(fā)動機(jī)氣缸蓋三維模塊化設(shè)計的方法，設(shè)計過程中將氣缸蓋分解為多個模塊，利用自頂向下設(shè)計方法控制模塊間的關(guān)系。

正確選擇并盡可能獲得一種或數(shù)種參考價值較大的同類型柴油機(jī)作為“基礎(chǔ)機(jī)”（benchmark），對“基礎(chǔ)機(jī)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計特征應(yīng)作全面深入的分析，必要時可以局部解體，進(jìn)行測量和記錄。如果有條件，對 “基礎(chǔ)機(jī)”還應(yīng)進(jìn)行臺架試驗，對其性能值進(jìn)行實地測試，從而可獲得一系列有用的試驗數(shù)據(jù)，為我方的概念設(shè)計提供可靠的基礎(chǔ)。根據(jù)對benchmark 發(fā)動機(jī)分析，以及借助熱力學(xué)分析性能軟件確定發(fā)動機(jī)性能參數(shù)、質(zhì)量及尺寸，進(jìn)行可行性分析，確定缸蓋形式、氣缸數(shù)等參數(shù)。

氣缸蓋CPL：a.高度X長度X寬度

b.進(jìn)排氣閥數(shù)量及相對于缸心的位置

c.缸蓋螺栓數(shù)量×螺紋尺寸及分布

d.氣道口斷面尺寸及分布

e.噴油器孔徑尺寸及位置

f.進(jìn)排氣閥喉口直徑

將上述已經(jīng)確定的主要參數(shù)、結(jié)構(gòu)方式、工藝方式以及邊界條件在缸蓋骨架（SKL）模型中體現(xiàn)出來，為建模提供參考。

氣缸蓋設(shè)計的主要驅(qū)動因子如下：

a.發(fā)動機(jī)布置：有直列、V型、氣缸數(shù)、排量；

b.缸內(nèi)燃燒爆發(fā)壓力；

c.燃油系統(tǒng)；

d.氣缸蓋螺栓安裝間距；

e.進(jìn)、排氣連接件布置（橫切流向、U型流向等）；

f.氣道布置（水平或十字）；

g.缸蓋頂置系統(tǒng)布置；

h.冷卻策略（油冷、水冷、空氣冷卻）；

i.缸蓋本體材料（鑄鐵，鑄鋁等）。

1.1.1氣缸蓋布置設(shè)計

（1）根據(jù)發(fā)動機(jī)氣缸蓋相關(guān)件結(jié)構(gòu)和尺寸確定缸蓋：前端面、后端面、進(jìn)氣側(cè)、排氣側(cè)、燃燒室面、頂面等；

（2）與發(fā)動機(jī)缸蓋本身相關(guān)的結(jié)構(gòu)：冷卻水套、油道、氣道等；

（3）考慮缸蓋的設(shè)計基準(zhǔn)點和夾緊點布置、加工工藝的實現(xiàn)性及鑄造的可行性。

根據(jù)這些輸入條件更新缸蓋的SKL骨架線。


圖1缸蓋骨架線

自頂向下設(shè)計方法是先總體后局部的設(shè)計方法，在Pro/E中需先設(shè)計骨架，骨架線主要由基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和草繪線等組成，骨架線以三維可視的方式直觀地表達(dá)了零部件主要接口和結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖1展示的是氣缸蓋的骨架線。缸蓋骨架線文件包含了氣缸蓋主要參數(shù)和模塊間接口幾何形狀。骨架線設(shè)計完成后向缸蓋各個子模塊發(fā)布，各子模塊利用發(fā)布文件中的坐標(biāo)系、約束條件和接口形狀進(jìn)行三維設(shè)計，這樣就保證了各子模塊間位置、接口和約束條件的一致性。同時，自頂向下設(shè)計也有利于模型的更改，需要進(jìn)行設(shè)計更改時，只要在骨架線中更改幾何參數(shù)，然后更新各子模塊就可以保證同時更改，可見，自頂向下設(shè)計是氣缸蓋模塊化分解的基礎(chǔ)。


圖2 缸蓋模塊化分解示意圖

如圖2所示缸蓋模塊化分解示意圖，從鑄造工藝角度分析，該氣缸蓋型腔由外砂型和內(nèi)砂芯組成，缸蓋內(nèi)芯主要由水套、氣道等。為了方便模具制作，三維設(shè)計時按鑄造工藝原理將氣缸蓋毛坯分解為外形、進(jìn)排氣道、上下水套等5個模塊。

1.1.2氣缸蓋氣道、水套設(shè)計

(1）完成缸蓋四氣閥設(shè)計（兩進(jìn)兩排）方案和尺寸布置圖;

(2）制作氣道模型，在氣道試驗臺上進(jìn)行氣道流量和渦流的試驗，初步求得最佳的氣道形狀和尺寸參數(shù);

(3）提交標(biāo)準(zhǔn)氣道模型和芯盒，為缸蓋鑄造制模用。


圖3 砂芯設(shè)計


圖4 砂芯設(shè)計


圖5 砂芯設(shè)計


圖6 氣缸蓋外形模塊

5個模塊建模完成后，利用Pro/E的“外部復(fù)制幾何”工具對各子模塊進(jìn)行布爾加運(yùn)算即可得到氣缸蓋外形圖，如圖6所示。氣缸蓋外形模塊與氣道、水套（見圖3和圖4）分別進(jìn)行布爾減運(yùn)算后即得到缸蓋毛坯（見圖7），


圖7 氣缸蓋毛坯

可以看出，氣道、水套腔等內(nèi)芯模塊模型與缸蓋鑄造砂芯主要結(jié)構(gòu)完全一致，鑄造工藝人員在這些內(nèi)芯模型上增加芯頭長度、定位結(jié)構(gòu)后即可用于制造氣道、水套腔等芯盒。通過與工藝人員溝通，外形各模塊建模過程中加入加工余量后組合的外形模塊可用于缸蓋外形型腔的模具制作。

為了得到氣缸蓋完整的成品模型，還需要進(jìn)行加工模塊設(shè)計，加工模塊建模時首先建立完全包容缸蓋外形的實體，然后按照加工過程如銑削、鉆孔等刀具痕跡去除材料，完成的加工模塊見圖8（成品圖）。通過氣缸蓋加工模塊，工藝人員可以快速評估氣缸蓋加工難度，定制加工刀具，提出工藝改進(jìn)建議。


圖8 氣缸蓋成品

將氣缸蓋毛坯模塊與加工模塊進(jìn)行布爾交運(yùn)算即可得到氣缸蓋成品。

1.2分析

氣缸蓋模塊化分解后，每個模塊都可以單獨用于工藝評估和有限元計算，如水套腔模塊可以用于水流計算，加工模塊可以用于工藝評估，氣道模塊可以用于燃燒過程仿真（常用軟件KIVA,GT-Power，AVL Boost）,毛坯模塊可以作為鑄造工藝分析的輸入模型，缸蓋成品可以用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析。

1）CFD（Computional Fluid Dynamics）冷卻液流量分析

?計算缸蓋和缸體內(nèi)冷卻液流動的形式，優(yōu)化流量分配；

?缸體和缸蓋內(nèi)最低的壓力損失；

?在缸體和缸蓋的敏感區(qū)域內(nèi)對熱傳導(dǎo)和冷卻液流速進(jìn)行優(yōu)化；

?防止流動死角。

在此階段，一般包括水套CFD分析、溫度場分析和結(jié)構(gòu)分析三個部分，通過水套CFD分析，得到水套中冷卻液體的流速、壓力損失、對流傳熱系數(shù)等。然后將部分CFD分析結(jié)果作為輸入條件施加到結(jié)構(gòu)分析的有限元模型中，計算缸蓋溫度場分布。最后在基于溫度場的分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主要包括裝配載荷、熱載荷、工作載荷等工況，通過一系列工況分析，對缸蓋水套冷卻效果、缸蓋燃燒室變形等進(jìn)行評估。


圖9 CFD分析


圖10 FEA結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

1.3工藝分析

（1）制芯：210kg,共計23個芯子，具體如下

?上下蓋板芯：采用IMF SPC130 冷芯制芯機(jī)；


圖11 上下蓋板芯模具：下芯盒


圖12 上下蓋板芯模具：上芯盒

?進(jìn)排氣道芯：冷芯制芯機(jī)，采用整體砂芯結(jié)構(gòu)；


圖13 進(jìn)排氣道上蓋板


圖14 進(jìn)排氣道下芯盒

?上下水套芯：熱芯盒，采用濕態(tài)覆膜砂，上水套采用整體結(jié)構(gòu)，下水套采用分體結(jié)構(gòu)


圖15 下水套孔砂芯模具：下芯盒


圖16 下水套孔砂芯模具：上蓋板

?上水套芯最小截面：26*10mm2，如圖1,此處為設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，后期鑄造過程中需作為關(guān)注


圖17 上水套孔砂芯模具：下芯盒


圖18 上水套孔砂芯模具：上蓋板

?下水套芯最小截面：17*8mm2，鑄造上能實現(xiàn)

（2）組芯


圖19 下蓋板組芯順序-下水套芯（第一步）


圖20 下蓋板組芯順序-氣道芯（第二步）


圖21 下蓋板組芯順序-上水套芯（第三步）


圖22 合箱

（3）造型

采用一箱兩件。


圖23 造型

（4）澆注系統(tǒng)工藝-采用立式澆注

采用立澆工藝，一型兩件布局, 即排氣側(cè)朝上，進(jìn)氣面有2個內(nèi)澆道，


圖24 澆注系統(tǒng)

從moldflow模擬上看，中間溫度較低，會先凝固,會存在疏松缺陷，澆注系統(tǒng)還會再優(yōu)化后，再進(jìn)行分析。


圖25 moldflow 充型模擬


圖26 成型模擬moldflow

此模擬采用Magmasoft analysis (solidification modeling)軟件，能顯示各點澆注溫度數(shù)據(jù)，預(yù)測澆注不足、冷隔等缺陷部位。

2、詳圖設(shè)計階段

氣缸蓋設(shè)計是一個反復(fù)修正過程，布置階段和詳細(xì)設(shè)計階段并沒有明確的界限，這兩階段是將參數(shù)化變?yōu)槟Ｐ突闹饕A段，借助三維軟件PROE通過布置階段的SKL骨架線的邊界進(jìn)行模型化。

氣缸蓋屬于大型重要鑄件，分別擁有兩套圖紙，即毛坯圖和成品圖。毛坯圖是由毛坯廠根據(jù)成品圖繪制的，因此毛坯廠和發(fā)動機(jī)主機(jī)廠雙方必須密切結(jié)合，使設(shè)計和工藝雙方的要求均能得到滿足。

提供輔助性模型，如缸蓋氣道模型，用于缸蓋氣道制模用。

對帶有水套或油道、要求進(jìn)行泄漏檢查的零部件應(yīng)提出測試的技術(shù)條件

在進(jìn)行上述設(shè)計固化過程中，應(yīng)遵循如下原則：

（1）毛坯壁厚6+/-1.5mm,推薦毛坯面對毛坯面間隙≥5mm，毛坯面對加工面間隙≥3mm，加工面對加工面間隙≥2mm;

（2）工藝凸臺厚度(支撐和夾緊用)：一般12~15mm;

（3）拔模角：一般≤3°，水套拔模角≤1°；

（4）螺紋聯(lián)接：一般螺紋旋合長度為1.5~2倍的螺栓直徑；

（5）粗、精加工余量：一般粗加工余量為3mm,精加工余量為0.5mm.


圖27 成品圖紙

2.1發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)設(shè)計定型,第一輪樣機(jī)試制,性能及排放開發(fā)試驗

第一輪樣機(jī)的試制數(shù)量，一般建議為不少于10臺，其中3臺進(jìn)行性能和排放開發(fā)試驗，7臺進(jìn)行初步機(jī)械開發(fā)和可靠、耐久性試驗,其他備用。

1）進(jìn)氣道渦流試驗

準(zhǔn)備兩套或兩套以上完整的缸蓋總成（包括氣門、氣門座和氣門導(dǎo)管），在氣道試驗臺上，通過對進(jìn)氣道的修磨，使進(jìn)氣流量和渦流比得到不同的調(diào)整，從而為性能和排放開發(fā)試驗提供兩種或兩種以上不同進(jìn)氣渦流比的缸蓋。

性能和排放試驗隨發(fā)動機(jī)在試驗臺架上對各項性能指標(biāo)值和邊界條件進(jìn)行全面測試，性能偏差不應(yīng)大于2%。

2）最終進(jìn)氣道渦流比的調(diào)整-在氣道試驗臺上進(jìn)行

在性能和排放開發(fā)試驗完成后，進(jìn)氣道芯盒將被更新到最終的進(jìn)氣渦流狀態(tài)。因此需要根據(jù)試驗中選定的缸蓋制作新的進(jìn)氣道芯盒，以便制作新的缸蓋。

3．機(jī)械功能開發(fā)試驗-Alpha樣機(jī)裝配/設(shè)計驗證完成

（1）零部件疲勞試驗；

（2）穩(wěn)態(tài)試驗。

4．可靠性和耐久性試驗

為了減少開發(fā)成本和加快開發(fā)進(jìn)度，應(yīng)該采取與供應(yīng)商聯(lián)合開發(fā)，共享產(chǎn)權(quán)的方法，供應(yīng)商承擔(dān)類似力學(xué)分析、疲勞試驗等RIG試驗，主機(jī)廠承擔(dān)主要的可靠和耐久試驗。試驗過程中，參照康明斯工程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如果不滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，通過分析，查出是缸蓋的問題，對設(shè)計、工藝、質(zhì)量作出相應(yīng)改進(jìn)，這是個持續(xù)反復(fù)的過程。

正式試驗前，發(fā)動機(jī)磨合后，經(jīng)過全負(fù)荷性能測試和機(jī)油消耗量試驗。

（1）額定功率試驗PPO 一臺 1000小時

（2）熱循環(huán)試驗TCT（~8000循環(huán)） 一臺 1500小時

（3） 生產(chǎn)一致性試驗， 3臺 1小時

此外還包括隨整機(jī)要完成的三高試驗和道路試驗等。

以上所有的驗證完成后，缸蓋的模具就要定型了，無論是工藝還是設(shè)計未經(jīng)主機(jī)廠同意不得擅自更改。需要說明的是如果開發(fā)新缸蓋需要按照完整的ESW開發(fā)流程進(jìn)行，即可以采用臨時工裝樣件進(jìn)行裝機(jī)驗證、性能摸底等，然后慢慢采用正式的工裝模具樣件進(jìn)行可靠和耐久驗證，最后把模具定型，通過PPAP后逐漸進(jìn)行小批量裝機(jī)、大批量裝機(jī)過程。如果僅僅是國產(chǎn)化或做缸蓋的新貨源開發(fā)，因為此過程主要驗證制造水平，一開始就要求供應(yīng)商按照PPAP和正式工裝模具要求進(jìn)行樣件的制造，按貨源鑒定試驗標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行簡易驗證后即可進(jìn)入限量裝機(jī)過程。