CN112211741A - 局部采用塑料材质的内燃机气缸及其制造方法 - Google Patents

局部采用塑料材质的内燃机气缸及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种局部采用塑料材质的内燃机气缸，包括：一金属缸套，由金属材料制造而成；一塑料缸体，采用塑料材质生产而成；所述金属缸套通过定位组件和连接组件紧固在塑料缸体内。缸套单独设计为金属材料，缸体采用塑料材质，并将金属缸套和塑料缸体结合起来，采用定位组件和连接组件连接，避免塑料材料的应力集中而损坏。还涉及局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，步骤为：成型金属缸套铸件→成型成塑料缸体→将金属缸套和塑料缸体结合起来→进行表面加工→测试结合体的性能，扩展了塑料的应用场景，减少了加工工艺和步骤，降低了生产过程中的碳排放和污染，提高了生产效率，也降低了以此种发动机为动力的运载机构的重量。

Description

局部采用塑料材质的内燃机气缸及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种内燃机发动机汽缸部件，尤其是一种局部采用塑料材质的内燃机气缸及其制造方法。
背景技术
现有活塞式内燃机的缸体，主要为铸铁或者铸铝材料制成，由于发动机的冷却和燃烧要求，都是金属材料制作。铸铁普遍重量大，成本低，但加工成本高；而铝缸体，比铸铁缸体减轻了重量，但是工艺复杂，设计难度大，成本较高，在小排量发动机上，应用很少，主要用于高档或大排量发动机。金属材料在制作和生产过程中，铸造工厂污染和耗能均十分巨大，在后期的加工过程中，金属切削的工艺复杂，污水排放也较大。因此近年来，发动机缸体的生产工厂，都很难在环评严格的地区开工建设。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种降低了整体重量，降低碳排放的局部采用塑料材质的内燃机气缸。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种局部采用塑料材质的内燃机气缸，包括：
一金属缸套，由金属材料制造而成；
一塑料缸体，采用塑料材质生产而成；
所述金属缸套通过定位组件和连接组件紧固在塑料缸体内。
由于内燃机燃烧的特点，使得直接接触火焰传播面的缸内材料，无法应用塑料材料，因此本发明将缸套单独设计为金属材料，缸体采用塑料材质，并将金属缸套和塑料缸体结合起来，同时在需要螺栓紧固力的部分，采用定位组件和连接组件连接，避免塑料材料的应力集中而损坏。
进一步地限定，所述定位组件包括设置在金属缸套上的定位凸台以及设置在塑料缸体上与所述定位凸台相配合的定位槽。
通过定位槽凸台和定位槽，将金属缸套安装定位在塑料缸体之上，从而避免了火焰与塑料缸体的直接接触。
进一步地限定，所述连接组件包括在塑料缸体成型过程中嵌设其内的螺栓座，所述螺栓座包括螺栓座端头以及位于其轴向的定位销，所述螺栓座端头的直径大于定位销的直径，所述定位销外壁沿轴向设置有凸条。
采用嵌设的方式设置螺栓座，通过这样设置的螺栓座分担螺栓紧固力，避免塑料材料的应力集中而损坏。轴向的定位销避免螺栓座在螺栓拧入时的转动和松动，在固定到位后，由螺栓座端头承受上拉的应力。凸条的设置能增加螺栓座与塑料缸体的连接。
更进一步地限定，所述连接组件还包括位于螺栓座正下方的金属垫片，所述金属垫片嵌设在塑料缸体内。
设置金属垫片，进一步分担螺栓紧固力，避免塑料缸体损坏。
进一步地限定，所述金属缸套采用的金属材料为铝或铝基合金。
铝缸套可减重30～40%，从而降低了整体内燃机的重量。
为了保证金属缸套的强度，更进一步地限定，所述金属缸套内部可嵌设有钢质缸套或者喷涂有等离子耐磨涂层。
根据发动机的升功率和热负荷不同、缸体经过冷却的长期工作温度的不同，作为优选地，所述塑料缸体采用改性复合材料制成。
本发明要解决的另一个技术问题是：克服现有技术中之不足，提供一种局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的一种技术方案是：一种局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，包括如下工艺步骤：
S1：将熔融的金属材料通过外力作用下注入中空铸型中，成型成金属缸套铸件；
S2：对步骤（1）中的金属缸套铸件进行机加工，加工出下部带定位凸台的金属缸套；
S3：将螺栓座、金属垫片和步骤（2）中机加工好的金属缸套分别放置在塑料成型模具的适当位置上，再将改性复合材料注入到塑料成型模具中，成型成内燃机发动机缸体；
S4：将步骤（3）中内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂或嵌入钢质缸套；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度；
S5：将步骤（4）中的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
本发明解决其技术问题所采用的另一种技术方案是：一种局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，包括如下工艺步骤：
S1：将熔融的金属材料注入到中空铸型内，冷凝后得到下部带定位凸台的金属缸套铸件；
S2：将螺栓座、金属垫片和步骤（1）中机加工好的金属缸套铸件分别放置在塑料成型模具的适当位置上，再将改性复合材料注入到塑料成型模具中，成型成内燃机发动机缸体；
S3：将步骤（2）中内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂或嵌入钢质缸套；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度；
S4：将步骤（3）中的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
上述两种方案的制造方法适合大批量生产。
本发明解决其技术问题所采用的还有一种技术方案是：一种局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，包括如下工艺步骤：
S1：将金属粉末材料放置在加工平台的区域结构内，使用高能量激光束进行选定区域烧结，层层堆积形成下部带定位凸台的金属缸套结构；
S2：将螺栓座和金属垫片通过定位基座事先放置在3D打印舱中，3D打印时将螺栓座包裹在其中，打印形成塑料缸体；
S3：通过螺栓穿过垫片，将步骤（2）中的塑料缸体和步骤（1）中的金属缸筒连接起来形成内燃机发动机缸体；
S4：将步骤（3）中内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂或嵌入钢质缸套；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度；
S5：将步骤（4）中的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
这一技术方案的制造方法适用于小批量和样件生产。
本发明的有益效果是：
本发明将金属缸套和塑料缸体结合起来，中间通过冷却水对燃烧高温进行冷却，将塑料缸体隔绝在高温之外，确保塑料的强度能满足工作要求；同时在需要螺栓紧固力的部分，采用金属嵌设结构，分担螺栓紧固力，避免塑料材料的应力集中而损坏；
本发明与传统设计相比，将原有的金属整体气缸，拆分成金属缸套和塑料缸体，有效的利用了发动机冷却的设计，扩展了塑料的应用场景，同时设计了密封和紧固装置，避免了不同材料在不同膨胀比等特性下的裂纹和漏水漏油问题；
本发明极大的降低了机体重量，减少了加工工艺和步骤，降低了生产过程中的碳排放和污染，提高了生产效率，也降低了以此种发动机为动力的运载机构的重量，从而降低了整体的油耗，提升了运载机构的续航能力，可广泛应用于对重量要求高的各种领域，包括新能源车的增程器、便携式发电机、航空无人机，行走机器人等；
在开发和快速样件过程中，甚至在大批量生产中，可以采用3D打印的方式制造缸套和缸体，极大的降低了制造成本提升了制造速度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例一的装配图。
图3是本发明实施例一金属缸套的结构示意图。
图4是本发明实施例一螺栓座的结构示意图。
图5是本发明实施例二的装配图。
图中：1.金属缸套，2.塑料缸体，3.螺栓座，4.金属垫片，11.定位凸台，21.定位槽，31.螺栓座端头，32.定位销，111.凸环，112.凸圈，113.凸块，321.凸条。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例一
如图1～4所示，一种局部采用塑料材质的内燃机气缸，包括由金属材料压铸而成的金属缸套1和采用注塑工艺生产而成的塑料缸体2，金属缸套1通过定位组件和连接组件紧固在塑料缸体2内。定位组件包括设置在金属缸套1上的定位凸台11以及设置在塑料缸体2上与定位凸台11相配合的定位槽21，定位凸台11包括底部具有倒扣槽的凸环111、位于凸环111下方均匀分布的若干凸圈112以及设置在凸圈112上的凸块113，连接组件包括在塑料缸体2成型过程中嵌设其内的螺栓座3，螺栓座3包括螺栓座端头31以及位于其轴向的定位销32，螺栓座端头31的直径大于定位销32的直径，定位销32外壁沿轴向设置有凸条321。连接组件还包括位于螺栓座3正下方的金属垫片4，金属垫片4也在塑料缸体2成型过程中嵌设在塑料缸体2内。
塑料缸体2在成型过程中靠近金属缸套1的位置处预留有冷却通道，通过冷却水对燃烧高温进行冷却，将塑料缸体2隔绝在高温之外，确保塑料的强度能满足工作要求。
在本实施例中，金属缸套1采用的金属材料为铝，铝缸套内部可嵌设有钢缸套或者喷涂有等离子耐磨涂层，以增强铝缸套的强度。塑料缸体2采用改性复合材料制成，根据发动机的升功率和热负荷不同，塑料缸体2经过冷却的长期工作温度的不同，可选用的改性复合材料为聚邻苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮或T聚酰胺-酰亚胺中的一种或几种，且添加了玻璃纤维、矿粉或碳纤维等改性剂制成的高强度、耐高温、耐磨及耐机油的改性材料。
实施例二
如图5所示，其余与实施例一相同，不同之处在于：塑料缸体2由3D打印技术生产而成，定位凸台11包括底部具有倒扣槽的凸环111和位于凸环111下方的凸块113。
其余与实施例一相同，不同之处在于：金属缸套1由金属材料重力铸造而成。
实施例三
其余与实施例一相同，不同之处在于：金属缸套1由金属3D打印技术生产而成。
实施例四
其余与实施例一相同，不同之处在于：金属缸套1采用的金属材料为铝基合金。
上述实施例是基于两缸的发动机进行，这样的结构和设计可以适用于任何缸数的发动机，包括并不限于常见的单缸，直列4缸，V6等发动机。
制造实施例一
一种局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，包括如下工艺步骤：将熔融的金属材料通过外力作用下注入中空铸型中，成型成金属缸套铸件；对金属缸套铸件进行机加工，加工出下部带定位凸台的金属缸套；将螺栓座、金属垫片和机加工好的金属缸套分别放置在塑料成型模具的适当位置上，再将改性复合材料注入到塑料成型模具中，成型成内燃机发动机缸体；将内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度，以便于和上部缸盖以及下部油底壳进行安装；将的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
压铸工艺下，因凸台的脱模方向问题，需改进部分设计，将凹槽机加方式加工出来。在嵌件注塑后，起到密封和防止膨胀变形的作用。
由于塑料材料的膨胀比金属要高，因此在受热之后，膨胀趋势大于金属，由于金属缸套和塑料缸体之间，有冷却水的流动，因此，膨胀可能带来泄露，造成发动机的故障，所以需要采用凸台定位、定位槽的配合，再加上压力的方式进行密封后用螺栓紧固。
所有的改性塑料，随着温度的升高，强度会降低，通过详细的计算仿真，结合实验，通过控制发动机冷却水流量和温度，确保内燃机发动机缸体温度能稳定在150度以下，从而避免高温对缸体塑料强度的影响。
紧固件无法直接拧紧在塑料缸体上，因此需要采用嵌件注塑工艺，将螺栓座嵌入缸体内，从而分散应力，避免塑料开裂和变形。
制造实施例二
其余与制造实施例一相同，不同之处在于：将熔融的金属材料注入到中空铸型内，冷凝后得到下部带定位凸台的金属缸套铸件；定位凸台通过重力铸造开模实现，无需进一步机加工。
制造实施例二和制造实施例一的金属缸筒，分别采用压铸和重力铸造的方式实现，也可以采用金属3D打印技术，塑料缸体采用注塑成型而成，适合大批量生产。
制造实施例三
其余与制造实施例一相同，不同之处在于：将金属粉末材料放置在加工平台的区域结构内，使用高能量激光束进行选定区域烧结，层层堆积形成下部带定位凸台的金属缸套结构；将螺栓座和金属垫片通过定位基座事先放置在3D打印舱中，3D打印时将螺栓座包裹在其中，打印形成塑料缸体；通过螺栓穿过垫片，将塑料缸体和金属缸筒连接起来形成内燃机发动机缸体，在插入塑料缸体之前，在与塑料缸体接触的面上，可涂抹耐高温密封胶，确保密封可靠。
塑料缸体和金属缸筒均采用3D打印方式生产而成，适用于小批量和样件生产。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于，包括：
一金属缸套，由金属材料制造而成；
一塑料缸体，采用塑料材质生产而成；
所述金属缸套通过定位组件和连接组件紧固在塑料缸体内。
2.根据权利要求1所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于：所述定位组件包括设置在金属缸套上的定位凸台以及设置在塑料缸体上与所述定位凸台相配合的定位槽。
3.根据权利要求1所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于：所述连接组件包括在塑料缸体成型过程中嵌设其内的螺栓座，所述螺栓座包括螺栓座端头以及位于其轴向的定位销，所述螺栓座端头的直径大于定位销的直径，所述定位销外壁沿轴向设置有凸条。
4.根据权利要求3所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于：所述连接组件还包括位于螺栓座正下方的金属垫片，所述金属垫片嵌设在塑料缸体内。
5.根据权利要求1中所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于：所述金属缸套采用的金属材料为铝或铝基合金。
6.根据权利要求5所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于：所述铝缸套内部嵌设有钢质缸套或喷涂有等离子耐磨涂层。
7.根据权利要求1中所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸，其特征在于：所述塑料缸体采用改性复合材料制成。
8.一种权利要求1所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
S1：将熔融的金属材料通过外力作用下注入中空铸型中，成型成金属缸套铸件；
S2：对步骤（1）中的金属缸套铸件进行机加工，加工出下部带定位凸台的金属缸套；
S3：将螺栓座、金属垫片和步骤（2）中机加工好的金属缸套分别放置在塑料成型模具的适当位置上，再将改性复合材料注入到塑料成型模具中，成型成内燃机发动机缸体；
S4：将步骤（3）中内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂或嵌入钢质缸套；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度；
S5：将步骤（4）中的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
9.一种权利要求1所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
S1：将熔融的金属材料注入到中空铸型内，冷凝后得到下部带定位凸台的金属缸套铸件；
S2：将螺栓座、金属垫片和步骤（1）中机加工好的金属缸套铸件分别放置在塑料成型模具的适当位置上，再将改性复合材料注入到塑料成型模具中，成型成内燃机发动机缸体；
S3：将步骤（2）中内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂或嵌入钢质缸套；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度；
S4：将步骤（3）中的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
10.一种权利要求1所述的局部采用塑料材质的内燃机气缸的制造方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
S1：将金属粉末材料放置在加工平台的区域结构内，使用高能量激光束进行选定区域烧结，层层堆积形成下部带定位凸台的金属缸套结构；
S2：将螺栓座和金属垫片通过定位基座事先放置在3D打印舱中，3D打印时将螺栓座包裹在其中，打印形成塑料缸体；
S3：通过螺栓穿过垫片，将步骤（2）中的塑料缸体和步骤（1）中的金属缸筒连接起来形成内燃机发动机缸体；
S4：将步骤（3）中内燃机发动机缸体置于机床上，进行镗孔加工，将缸筒内部镗到合适的尺寸和表面精度，再进行等离子喷涂或嵌入钢质缸套；将缸体上表面和下表面进行铣削加工，达到需要的平面度；
S5：将步骤（4）中的内燃机发动机缸体装配成实体，于实验台上进行发动机试验，通过发动机台架控制实验工况，进行各项性能测试，经实验测得，使得缸体符合发动机的使用要求，并满足所有性能和耐久实验的考核标准，从而验证其外部塑料缸体的强度满足标准。
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