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附錄A 外文文獻
Engine operating principls
Most automobile dngines are internal combustion, reciprocating4-stroke gasoline engines, but other types have been used, including the diesel, the rotary (wankel),the 2-stroke ,and stratifild charge.
Recipprocating means up and down or banck and forth, it is the up an down action of a piston in the cylinder blick ,or engine block . the blick is an iron or aluminum casting that contains engine cylinders and passage called water jackets for coolant circulation .the top of the block is covered with the cylinder head. Which forms the combustion chanber. The bottom of the block is covered with an oil pan or oil sump.
Power is produced by the linear motion of a piston in a cylinder.however, this linear motion must be changed into rotary motion to turn the wheels of cars of trucks. The pistion is attached to the top of a connecting rod by a pin, called a pistion pin or wrist pin the bottom of the connecting rod is attached to the crankshaft . the connecting rod transmits the up-and-down motion of the piston to the crankshaft , which changes it into rotarymotion.
The connecting rod is mounted on the crankshaft with large beaings called rod bearings. Similar bearings, called main bearings, are used to mount the crankshaft in the block .shown in fig ,1-1.
The diameter of the cylinder is called the engine bore. Displacement and compression ratio are two frequently used engine specifications. Displacement indicates engine size , and compression ratio compares the total cylinder volume to compression chamber volume.
The term stroke is uesd to describe the movement of the iston within the cylinder, as well as the distance of pistion travel. Depending on the type of engine the operating cycle may require either two or four strokes to complete. The 4-strokes engine is also called otto cycle engine ,in honor of the german enginner , Dr. Nikolaus otto , who first applied the principle in 1876 . In the 4-stroke engine ,four strokes of the piston in the cylinder are required to complete one full operating cycle .Each stroke is named after the action it performes instake , compression ,power, and exhaust in that order, shown in Fig1-2.
1、 Instake stroke
As the piston moves down , the vaporized mixture of fuel and air enters the cylinder through open instake vavle. To obtain the maximum filling of the cylinder the instake valve opens about 10° before t.b.c ,giving 20° overlap. The inlet valve remains open until some 50° after b.d.c to take advantage of incoming mixture.
2、Compression stroke
The pieton turns up , the instake valve closes, the mixture is compressed within the combustion chamber, while the pressure rise to ahout 1 Mpa, depending on various factors inclouding the compression ratio, throttle opening and engine speed. Near the top of the stroke the mixture is ignited by a spark which bridge the gap of the spark plug.
3、Power stroke
The expanding gases of combution produces a rise in pressure of the gas to some 3.5Mpa, and the piston is forced down in the cylinder. The exhaust valve opens near the bottom of the stroke.
4、Exhust stroke
The piston moves back up with the exhause valve open some 50°before b.d.d.,allowing the pressure within the cylinder to fall and to reduce ‘back’ pressure on the piston during the exhaust stroke, and the burned gases are pushed out to prepare for the next instake stroke. The instake valve usually opens just before the exhaust stroke.
This 4-stroke cycle is continuously repared in every as long as the engineremains running
A-2-stroke engine also goes through four actions to complete one operating cycle.
However , the instake and the compression actions are combined in one seroke,and the power and exhaust actions are combined in the other stroke. The term2-stroke cycle or 2-stroke cycle or 2-stroke is preferred to the term 2-cycle, which is really not accurate.
In automobile engines, all pistons are attached to a single crankshaft. The more cylinders an engine has ,the more power strokes produced for cach revolusion. This means that means that an 8-cylinder engine runs more smoothly because the power atrokes are closer together in time and in degrees of engine rotation.
The cylinder of multi-cyclinder automotive engines arranged in one of three ways.
1、 Inline engine use a single block of cylinder. Most 4-cylinder and 6-cylinder engines are of this design. The cylinder do not have to be vertical. They can be inclined either side.
2、 V-type engine use two equal bands of cylinder , usually inclined 60degrees or 90degrees from the cach other. Most V-type engines have 6 or 8 cylinders, although V-4 and V-12 engine have been built.
3、 Horizontally opposed or pancake engine have two equal banks of cylinders 180degrees apart . these space saving engine designs are often air-cooled,and are found in the chevrolet carvair porsches, Subaus,and Volkswagens. Subaus design is liquid cooled.Later –model Volkswagen vans use a liquil-cooled VWhorizontally opposed engine.
附錄B 中文翻譯
發(fā)動機工作原理
大多數(shù)汽車的發(fā)動機是內(nèi)燃機，往復(fù)四沖程汽油機，但是也有使用其他類型的發(fā)動機，包括柴油機，轉(zhuǎn)子發(fā)動機二沖程發(fā)動機和分程燃燒發(fā)動機。往復(fù)的意思就是上下或前后運動，在往復(fù)發(fā)動機中，氣缸中活塞的上下運動產(chǎn)生發(fā)動機的動力，這種類型幾乎所有的發(fā)動機都是依賴氣缸體即發(fā)動機缸體，缸體是鑄鐵或鑄鋁制的，它包括發(fā)動機氣缸和冷卻液循環(huán)用的水套，缸體的頂部是氣缸蓋，它組成了燃燒室，缸體底部是油底殼。
氣缸內(nèi)活塞的運動產(chǎn)生動力，然而，必須將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，使汽車車輪轉(zhuǎn)動，活塞銷將活塞連接在連桿頂部，連桿底部與曲軸連接，使汽車車輪轉(zhuǎn)動，活塞銷將活塞連桿頂部、連桿底部與曲軸連接，連桿將活塞的往復(fù)運動傳遞給曲軸，曲軸將其轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動力，連桿是用連桿曲軸安裝在曲軸上的，用類似的軸承即主軸承將曲軸固定在缸體內(nèi)。
氣缸的直徑成為發(fā)動機的內(nèi)徑，排量和壓縮比是兩個常用的發(fā)動機參數(shù)，排量是指發(fā)動機的大小，壓縮比是氣缸總?cè)莘e與燃燒室壓縮容積之比。
術(shù)語：沖程是用來說明活塞在氣缸內(nèi)的運動，也就是活塞行程的距離根據(jù)發(fā)動機類型的需要二沖程或四沖程來完成一個完整的工作循環(huán)，每個在沖程根據(jù)其行為命名分別為：進氣沖程、壓縮沖程、作功行沖程和排氣行沖程。
1、進氣沖程
當(dāng)活塞下移時，霧化后的可燃混合氣通過打開的進氣門進入氣缸，為了達到最大的進氣量，進氣門在活塞到達上止點前10°打開，使進、排氣有20°打開重疊角，進氣門一直打開到活塞到達下止點充分進入混合氣之后50°左右。
2、壓縮沖程
活塞開始向上移動時，進氣門關(guān)閉，混合氣在燃燒室中壓縮，根據(jù)不同因素包括壓縮比，節(jié)氣門開度，發(fā)動機轉(zhuǎn)速壓力上升到約1兆帕，接近沖程頂部時，火花塞產(chǎn)生的電火花擊穿點火間隙點燃可燃混合氣。
3、作功沖程
燃燒膨脹的氣體產(chǎn)生的壓力上升到3.5個兆帕?xí)r，推動活塞下移，接近氣缸底時，排氣門打開。
4、排氣行程
隨著排氣門開啟約下止點前50°，活塞回升，使氣缸內(nèi)壓力下降在排氣沖程，減少對活塞回壓，排除廢氣，為下一個進氣沖程做準(zhǔn)備，通常情況下，進氣門在排氣沖程完成前打開。
只要發(fā)動機保持運轉(zhuǎn)，每個氣缸內(nèi)四個沖程循環(huán)連續(xù)不斷的重復(fù)下去。
兩沖程的發(fā)動機也同樣通過四行程來完成，一個工作循環(huán)既是進氣沖程、壓縮沖程合為一個沖程，作功沖程行程另一個沖程，術(shù)語兩行程循環(huán)和兩行程就是所謂的術(shù)語雙循環(huán)，但實際上并不準(zhǔn)確。
在所有的汽車發(fā)動機中，所有的活塞都是固定在一個曲軸上，氣缸中發(fā)動機越多，每轉(zhuǎn)為發(fā)動機的作功沖程產(chǎn)生越多的動力，這就意味著八缸發(fā)動機運轉(zhuǎn)的越平順，因為發(fā)動機在作功沖程中運轉(zhuǎn)時間和旋轉(zhuǎn)角度緊密。
多缸發(fā)動機有三種排列形式，任其一種
1、 直列式發(fā)動機用一個氣缸體，大多數(shù)四缸發(fā)動機和一些六缸發(fā)動機都采用這種形式，這種氣缸不必垂直分布，它們可以向任一方向傾斜。
2、 V-型發(fā)動機用兩排同樣的氣缸，通常夾角為60°或90°，大多數(shù)有六缸或八缸，盡
管四缸和十二缸也有采用V型的。
3、臥式或者對置式發(fā)動機有兩排互為180°的氣缸，這些發(fā)動機通常采用風(fēng)冷式，在雪弗蘭、富士、大眾車采用這種形式、富士采用水冷式，在頂置式風(fēng)冷發(fā)動機中，大眾的新型廂式汽車采用水冷式。
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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第 45 頁 共 45 頁
目 次
1 引言……………………………………………………………………………3
1.1發(fā)動機工作的基本原理………………………………………………………………3
1.2VEL的簡介………………………………………………………………………………4
1.3氣門可變機構(gòu)發(fā)展現(xiàn)況……………………………………………………………6
1.4畢業(yè)設(shè)計工作內(nèi)容…………………………………………………………………6
2可變氣門配氣機構(gòu)VEL………………………………………………………………8
2.1常規(guī)配氣機構(gòu)的基本工作原理 …………………………………………………8
2.2可變氣門配氣機構(gòu)傳動的子系統(tǒng) …………………………………………… 10
2.3VEL的控制系統(tǒng)………………………………………………………………………12
2.4簡介汽車氣門系統(tǒng)中的凸輪機構(gòu)………………………………………13
2.5簡介伺服直流電機、滾珠絲杠與圓錐齒輪的特性和選擇………………………14
3伺服直流電動機的選擇……………………………………………………………… 16
3.1伺服直流電動機用途特點及其技術(shù)參數(shù)…………………………………………16
3.2伺服直流電動機使用條件…………………………………………………………17
3.3伺服直流電機的外型和安裝尺寸…………………………………………………17
4 圓錐齒輪的選擇與設(shè)計………………………………………………………………19
4.1圓錐齒一般設(shè)計步驟與特點…………………………………………………………19
4.2圓錐齒輪的初步設(shè)計…………………………………………………………………19
4.3 齒輪的強度校核……………………………………………………………………23
4.4 圓錐齒輪減速器箱體及其零件的設(shè)計…………………………………………28
5 滾珠絲杠的選擇與設(shè)計…………………………………………………………30
5.1對滾珠絲杠的特點與設(shè)計說明………………………………………………30
5.2滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與選擇……………………………………………………31
5.3滾珠絲杠副的精度與型號的選擇……………………………………………33
5.4滾珠絲杠的校核…………………………………………………………………36
6控制杠桿和控制軸的設(shè)計………………………………………………………39
6.1控制杠桿的設(shè)計…………………………………………………………………39
6.2控制軸的設(shè)計…………………………………………………………………40
結(jié)論 ……………………………………………………………………………………42
致謝 ……………………………………………………………………………………43
參考文獻………………………………………………………………………………44
圖1 小錐齒輪 …………………………………………………………45
圖2錐齒輪減速器箱體………………………………………………………46
圖3控制杠桿…………………………………………………………47
圖4控制軸……………………………………………………48
圖5箱體簡圖……………………………………………………49
1 引言
隨著轎車發(fā)動機的高速化和廢氣排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，老式發(fā)動機配氣機構(gòu)的缺點變得越來越突出。降低燃油消耗一直是發(fā)動機發(fā)展所追求的最重要而且是很必要的目標(biāo)之一。它可以根據(jù)開車的工況不同，自動改變氣門正時和升程，從而更好的適應(yīng)路況，節(jié)約能源，提高發(fā)動機的性能。 因此，可變配氣相位機構(gòu)的研究和生產(chǎn)在世界范圍內(nèi)引起科研部門和生產(chǎn)廠家的高度重視。燃料直接注入汽缸內(nèi)和可變氣門運動系統(tǒng)正在研究和發(fā)展中，除了保護環(huán)境，可變氣門運動系統(tǒng)發(fā)動機另外的一個特征是動力性能的改良，這使它可能兼顧駕駛樂趣和環(huán)境保護。為了達到駕駛樂趣與環(huán)境的最大和諧, 工程師把重心集中在發(fā)展一種新的簡單和可靠的氣門開啟運動機制，這種VEL機制的基本控制原則是由擺動凸輪代替常見的轉(zhuǎn)動凸輪而得。
就四沖程發(fā)動機來說，現(xiàn)有的產(chǎn)品全都采用氣門控制進氣和排氣。它有很多優(yōu)點，也有很多缺點，為了改善發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀況、提高發(fā)動機性能、節(jié)省原料， 我們設(shè)計一種應(yīng)用電控技術(shù)和機械技術(shù)實現(xiàn)氣閥開啟持續(xù)時間及升程連續(xù)可調(diào)節(jié)的配氣機構(gòu)（VEL）。就是以改變發(fā)動機連續(xù)可變氣門升程及開啟時間從而可以根據(jù)開車的路況不同，改變氣門正時與升程，從而更好的適應(yīng)路況，節(jié)約能源，提高發(fā)動機的性能。
過去我國基本上以生產(chǎn)中型載重汽車為主，其發(fā)動機的轉(zhuǎn)速一般都不高。從80年代末期以來，我國開始發(fā)展轎車事業(yè)，其發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般都很高，最高轉(zhuǎn)速可達5000～6000 r／min，采用兼顧低、高速的固定配氣相位，會使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性下降，廢氣排放惡化。因此，研制用于轎車發(fā)動機的可變配氣相位機構(gòu)很有必要。
1.1發(fā)動機工作的基本原理
在談氣門機構(gòu)的工作特性之前，我們必須再確認一次四行程發(fā)動機的四個行程：進氣、壓縮、做功、排氣周而復(fù)始。 進氣時進氣門打開，活塞由上往下，有如針筒作用一般將空氣吸入氣缸。壓縮時進氣門關(guān)閉，此時氣缸形成一密閉的空間，活塞由下往上壓縮油氣，而壓縮比就是活塞在下死點和上死點時氣缸容積比例。 油氣壓縮后，火星塞點火引燃油氣產(chǎn)生爆發(fā)，由爆發(fā)后產(chǎn)生的大量氣體將活塞往下推到下死點。爆發(fā)也是發(fā)動機四個行程中唯一的動力產(chǎn)生行程，其他三個行程都是需要消耗動力的，這也就是為什么四行程發(fā)動機比二行程發(fā)動機"反應(yīng)慢"的原因，因為二行程發(fā)動機每兩個行程就有一次是動力產(chǎn)生行程，而四行程則四次才有一次。爆發(fā)過后，排氣門打開，活塞由下往上推將氣缸內(nèi)燃燒后的廢氣排出，活塞到上死點后關(guān)閉排氣門，并打開進氣門，準(zhǔn)備下一次的進氣。
汽車發(fā)動機是非常追求動能的大小的 。然而，在這個除了能量外還注意環(huán)境的年代 ，燃料的經(jīng)濟性和低排放的程度已經(jīng)變?yōu)楹苤匾恼n題。隨著仿真技術(shù)的逐漸成熟，以上技術(shù)的實現(xiàn)都是很有可能的，可變氣門作用的發(fā)揮正變?yōu)橐粋€非常重要的課題。
目前為止，已經(jīng)有很多關(guān)于可變氣門建議的提出。在這些建議中，可變部分的類型被迅速的傳開，并且成為某種標(biāo)準(zhǔn)。在這一領(lǐng)域中它將變成一個關(guān)鍵的裝置。而且，對有關(guān)氣門活動角度的提高和改變?nèi)匀辉谶M步。然而，可變氣門部分也是有限制原則的，像不能改變氣門的持續(xù)時間長短或者升程量的大小。另外，為了把裝置發(fā)揮的更好就必須對新裝置有更高的要求。
在這個區(qū)域里，所研究是一個能連續(xù)增加控制氣門開啟持續(xù)時間的裝置。例如，電磁類型，除了能夠連續(xù)改變持續(xù)時間，并且很明顯。結(jié)果，在這一領(lǐng)域的研究在加快進行。也有以純機械可變氣門持續(xù)時間裝置為研究方向的例子。實際上這個正在國外被研究。然而此裝置不能改變氣門升程，很明顯是有局限性的。例如，結(jié)果很難相應(yīng)的使高輸出發(fā)動機型號減小。另外，很難在相應(yīng)的載荷下自由的控制氣流的循環(huán)。在一個非常低載荷的情況下，吸氣門的節(jié)制變得很困難，這就是一個限制因素。
1.2VEL簡介
我國的汽油機已經(jīng)實施汽油電控噴射技術(shù)，進一步采用電控可變配氣相位技術(shù)，在轉(zhuǎn)速、負荷傳感器等方面可以實現(xiàn)與發(fā)動機控制部件（ECU）共用。另外發(fā)動機已向多氣門發(fā)展，對實施可變配氣相位技術(shù)提供了一定的便利條件。根據(jù)我國汽車發(fā)動機產(chǎn)品的實際情況，本文以頂置雙凸輪軸發(fā)動機為研究對象，設(shè)計了VEL可變氣門配氣相位機構(gòu)，實現(xiàn)了在不同轉(zhuǎn)速和負荷條件下提供最佳的氣門關(guān)閉角，達到了改善發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的目的。
在研究氣門機構(gòu)運動時，我們應(yīng)該先了解最基本的氣門機構(gòu)，它是由凸輪軸、氣門搖臂、氣門彈簧、門導(dǎo)管、氣門本體及氣門座這些基本組成構(gòu)件。氣門機構(gòu)運動的動力源自發(fā)動機的曲軸，由連接于氣缸曲軸上的時規(guī)齒盤以時規(guī)鏈條來帶動連接于凸輪軸末端的另一個時規(guī)齒盤，兩個齒盤的齒數(shù)比是1:2，也就是說經(jīng)過一個周期既四個行程后曲軸轉(zhuǎn)了720°，而凸輪軸只轉(zhuǎn)了360°。有了這些驅(qū)動裝置，凸輪軸便能隨著發(fā)動機運轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，一般情況下，氣門因為氣門彈簧的彈力作用而處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)凸輪軸上的凸輪轉(zhuǎn)到凸面時，由凸輪推動氣門搖臂，氣門便被打開，之后再隨著凸面的離開及氣門彈簧的作用而關(guān)閉。凸輪軸轉(zhuǎn)速是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的1/2，進排氣門因凸輪角度是固定的從而只有機械的開閉運動。
VEL由兩部分構(gòu)成的，一個是氣門系統(tǒng)，它把曲軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成輸出凸輪的擺動，這個轉(zhuǎn)變是由一個包含有搖桿的傳動裝置完成的；另一個是電子動力傳動系統(tǒng)，它是根據(jù)開車的情況，通過控制控制軸的角度位置來改變氣門的持續(xù)時間和升程的。這個控制軸有個偏心的控制凸輪，它插入有搖臂的支軸氣缸中，來改變傳動機構(gòu)和輸出凸輪的狀態(tài)。如下圖所示。是一個氣門組系統(tǒng)。它就包括三個部分，一個傳動部分；一個氣門凸輪控制部分；還有一個電子控制部分。它的各個部件在下圖。
圖1.1氣門組系統(tǒng)
氣門開啟特性的三個主要的因素是開啟持續(xù)時間，持續(xù)相位角和升程的量。氣門開啟特性由擺動凸輪及其相關(guān)部件所定型和定義的。 類似于普通的全旋轉(zhuǎn)凸輪, 擺動凸輪外型包括一條開啟控制的平滑操作的斜坡面。主動軸的軸線和的凸輪軸的軸線是同心的。主動軸在同步旋轉(zhuǎn)中是由一條鏈驅(qū)動的。驅(qū)動凸輪的主動軸的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)由連桿A, 搖桿臂和連桿B轉(zhuǎn)化為輸出凸輪的擺動。擺動凸輪和主動軸同軸。
VEL系統(tǒng)有以下優(yōu)點：
1.由于沒有節(jié)流損失，使部分復(fù)合的熱效率有所提高。如果不用節(jié)流，而以進氣門開啟持續(xù)期來計量氣缸充量，節(jié)流損失即可避免。
2.由于低速時全負荷轉(zhuǎn)矩增加，提高了全負荷時的有效效率。如果能夠根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速來控制進氣門的關(guān)閉點，即可有效地控制氣缸充氣，從而改變發(fā)動機的全負荷轉(zhuǎn)矩。
3.將發(fā)動機的運轉(zhuǎn)工況點移到功率較高之處。這可以通過改變變速器傳動比來改善發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩曲線。用這種方法，可降低變速器傳動比而保持同樣的加速特性，使發(fā)動機能更經(jīng)常地在較低轉(zhuǎn)速和效率較高的工況下運轉(zhuǎn)。
VEL系統(tǒng)是一種控制進氣凸輪軸的氣門正時的裝置，它通過調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角對配氣正時進行優(yōu)化，從而提高發(fā)動機的動力性、燃油經(jīng)濟性，并且可以有效地降低尾氣的排放。除了發(fā)動機表現(xiàn)增強之外， VEL 系統(tǒng)的杰出點之一是它的輕巧和簡單構(gòu)造，并可降低發(fā)動機系統(tǒng)的造價。
1.3氣門可變機構(gòu)發(fā)展現(xiàn)況
本田汽車公司80年代推出的VTEC（Variable Valve Timing & Valve Lift Electronic Control）可變氣門正時和升程電子控制系統(tǒng)，可使發(fā)動機在高速時，改變氣門正時和升程，并由ECM電控組件控制，同時也可改變高速時進排氣門開啟的“重疊時間”，使發(fā)動機在高速范圍時輸出更大的功率。寶馬汽車公司新開發(fā)的1.8L直列4缸發(fā)動機，采用無級可變氣門行程和工作角的氣門控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可明顯改善發(fā)動機的動力性能，最大功率由77kW提高到85W，最大扭矩由165N.m提高到175N.m，最高車速可達210km/h。與同級發(fā)動機比較，油耗下降10%~15%。同時，該系統(tǒng)屬柔性技術(shù)，除能適應(yīng)氫燃料發(fā)動機外，還可達到歐洲IV號排放限值標(biāo)準(zhǔn)。
自1990年，歐洲開始采用可變氣門正時技術(shù)(VVT)以來，主要被阿爾法·羅密歐、寶馬、美洲豹、沃爾沃、保時捷、戴-克、奧迪、雷諾等高級轎車生產(chǎn)廠商采用，取得了良好效果。近幾年，國外不少知名汽車生產(chǎn)商也開始采用進氣門連續(xù)可變正時控制、排氣門可變正時控制、氣門行程和工作角調(diào)整等型式，來提升發(fā)動機的動力性能。2001年推出的奧迪新A43L、V6型發(fā)動機，采用無級可變凸輪軸控制(氣門工作角無級可變)和排氣門可變正時機構(gòu)。目前，以機械式氣門控制機構(gòu)為主流，但未來的技術(shù)發(fā)展趨勢將轉(zhuǎn)向開發(fā)電磁氣門控制系統(tǒng)。
由此可以看到氣門可變技術(shù)的發(fā)展前途是非常好的。將來的汽車行業(yè)必然會全部使用到氣門可變技術(shù)。
1.4畢業(yè)設(shè)計工作內(nèi)容
我們所研究的這個裝置是能夠連續(xù)改變氣門正時及升程的一個控制系統(tǒng)。這個裝置和常規(guī)的可變相位氣門裝置是不一樣的，是為了自由實現(xiàn)調(diào)整氣門升程和氣門開啟持續(xù)時間，這兩條應(yīng)該是相互作用的。
我主要任務(wù)是要選用氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為動力源的伺服直流電機，設(shè)計一單級圓錐齒輪減速器及其箱體，滾珠絲杠的螺旋傳動，控制杠桿和控制軸，以完成調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
設(shè)計原始數(shù)據(jù)有，配氣機構(gòu)對應(yīng)發(fā)動機的功率范圍：60～80kw;
最高轉(zhuǎn)速：5000r/min;
頂置氣門，凸輪軸的位置是上置；
凸輪的最大升程：12mm；
凸輪實際基圓半徑:18mm。
這個設(shè)計還是很有難度的，工作量也很大，國內(nèi)外的資料也很有限，國外也是技術(shù)保密，根本不會把主要技術(shù)參數(shù)提供出來。所以它對我們來說很有挑戰(zhàn)性。我們應(yīng)該認真地將它完成。
2 氣門可變機構(gòu)VEL
汽車發(fā)動機是非常追求速度的大小的 。然而，在這個除了速度外還注意環(huán)境的年代 ，燃料的經(jīng)濟性和低排放的程度已經(jīng)變?yōu)楹苤匾恼n題。隨著仿真技術(shù)的逐漸成熟以上技術(shù)的實現(xiàn)都是很有可能的，可變氣門作用的發(fā)揮正變?yōu)橐粋€非常重要的課題。
在這時，看看先前這個連續(xù)可變氣門正時和升程裝置，它就是純機械類型，另外還有無凸輪電動類型及液壓類型。隨著可靠性越來越多的被考慮，純機械類型被采用。另外，研究可變氣門正時和升程相似方法已經(jīng)被人們注視。隨著這個叫VEL單獨裝置研究計劃的出現(xiàn)，它能夠有很大的調(diào)整范圍、不費力調(diào)整底座、以及更好的滿足質(zhì)量要求，具體的研究正在進行。另外，VEL響應(yīng)改變被更多的考慮，并且電動傳動控制裝置也正在被使用。
2.1常規(guī)配氣機構(gòu)的基本原理
發(fā)動機運轉(zhuǎn)時活塞與氣門運動之間相對關(guān)系的基礎(chǔ)典型在現(xiàn)實的引擎運轉(zhuǎn)時卻會遇到幾個問題：首先進氣門從打開到進氣之前會有延遲，因為進氣是由于活塞向下先形成真空，進而由于氣缸內(nèi)外壓力不同才使油氣被吸入氣缸內(nèi)。此氣門從開始動作到完全打開也需要時間，而基于上述原因，若能讓進氣門在活塞向下運動之前先打開，則將可充分利用這整個的進氣行程。 如果排氣門在排氣行程尚未開始時先打開，可以減少活塞上升時的阻力，此外活塞由下而上到達上死點時，氣缸內(nèi)的廢氣并未能完全的排出，這時若將排氣門關(guān)閉的時間延后，便可利用由進氣門引入的新鮮油氣，將殘余的廢氣"擠"出去，盡量減少廢氣的殘留影響發(fā)動機的動力輸出。以上氣門與活塞間的相對關(guān)系若以具體的圖形來表示，就稱為‘氣門正時圖’，見圖2-1。而早開的進氣門和晚關(guān)的排氣門會造成有進排氣門同時打開的重疊情況，稱為‘氣門重疊’（Valve overlap）。發(fā)動機高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時若能增加氣門重疊角度，將可抵消因高速運轉(zhuǎn)而凸顯的進氣延遲現(xiàn)象。但氣門重疊角度大的‘高轉(zhuǎn)速型凸輪’，雖然具有較佳的高轉(zhuǎn)速動力表現(xiàn)，但在低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，將因為氣缸真空度不足及吸入油氣的流失而造成容積效率降低，導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速動力不足、怠速運轉(zhuǎn)不穩(wěn)的后遺癥。
根據(jù)發(fā)動機原理可知發(fā)動機的升功率Ne，升轉(zhuǎn)矩及比油耗ge分別由下列公式?jīng)Q定：
Ne=K1ηiηvηmn/a
Me=K2ηiηvηm/a
ge=K3/ηiηm
式中：K1,K2,K3,-常數(shù) ηm-機械效率
ηi-指示效率 n-發(fā)動機轉(zhuǎn)速
ηv-充氣效率 a-過量空氣系數(shù)
從上式可知：提高發(fā)動機動力性能及經(jīng)濟性的措施就是提高ηi、ηv、ηm、及n，減小a。過量空氣系數(shù)a同時影響排放及比油耗，根據(jù)不同目標(biāo)，要求a應(yīng)達到一定數(shù)值。提高n的同時，必須要注意提高充氣效率,后者隨著轉(zhuǎn)速的提高而下降。機械效率ηm受發(fā)動機轉(zhuǎn)速及最大爆發(fā)壓力的影響,當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時,ηm基本不變. ηi受混合氣的影響,而混合質(zhì)量又受缸內(nèi)空氣渦流及紊流強度的影響,降低低速低負荷發(fā)動機比油耗的措施之一,就是提高空氣流動的渦流比,改善其混合質(zhì)量.但是如果設(shè)計比較高的進氣道,則高速時渦流比過高又會影響充氣效率.因此必須采用可變氣門技術(shù),以滿足不同轉(zhuǎn)速需要。
圖2.1配氣相位圖
從配氣相位圖上可以看出活塞從上止點移到下正點的進氣過程中（淺色），進氣門會提前開啟（α）和延遲關(guān)閉（β）。當(dāng)發(fā)動機做功完畢，活塞從下止點移到上止點的排氣過程中（深色），排氣門會提前開啟（γ）和延遲關(guān)閉（δ）。
十分明顯，這種延長氣門開啟時間的做法，必然會出現(xiàn)一個進氣門和排氣門同時開啟的時刻 “重疊階段”，可能會造成廢氣倒流。這種現(xiàn)象在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速僅1000轉(zhuǎn)以下的怠速時候最明顯。這容易造成怠速工作不暢順，振動過大，功率下降等現(xiàn)象。尤其是采用四氣門的發(fā)動機，由于“簾區(qū)”值大，“重疊階段”更容易造成怠速運轉(zhuǎn)不暢順的現(xiàn)象。為了消除這一缺陷，就以“變”對“變”，采用了“可變式”的氣門驅(qū)動機構(gòu)。
發(fā)動機上的氣門可變驅(qū)動機構(gòu)可以通過兩種形式實現(xiàn)，一種是凸輪軸和凸輪可變系統(tǒng)，就是通過凸輪軸或者凸輪的變換來改變配氣相位和氣門升程；另一種是氣門挺桿可變系統(tǒng)，工作時凸輪軸和凸輪不變動，氣門挺桿，搖臂或拉桿靠機械力或者液壓力的作用而改變，從而改變配氣門相位和氣門升程。我們選用第一種方式，它的可靠性比較高。
2.2可變氣門配氣機構(gòu)傳動子系統(tǒng)
圖2.2氣門升程工作圖
如圖2.2所示，主動軸帶動輸入凸輪轉(zhuǎn)動，輸入凸輪通過轉(zhuǎn)動副帶動連桿A做平面運動，連桿A與搖臂組成轉(zhuǎn)動副，與控制凸輪（偏心輪）形成高副。搖臂與控制凸輪形成轉(zhuǎn)動副，且與連桿B形成轉(zhuǎn)動副，連桿B與輸出凸輪形成轉(zhuǎn)動副，輸出凸輪與輸入軸（主動軸）形成轉(zhuǎn)動副。輸入凸輪也與輸入軸形成轉(zhuǎn)動副?？刂仆馆喰D(zhuǎn)中心與機架形成轉(zhuǎn)動副。
此機構(gòu)實際上是個異構(gòu)體機構(gòu)，當(dāng)控制軸完成控制運動后它就相當(dāng)于一個固定的轉(zhuǎn)動副，而其它部件正常工作，這就是它與其它機構(gòu)不同得一個地方，因此當(dāng)該異構(gòu)體工作時實際上就相當(dāng)于5個構(gòu)件和7個轉(zhuǎn)動副。
所以此機構(gòu)的自由度F=3×5-2×7=1
當(dāng)它起控制作用的時候它就相當(dāng)于有6個構(gòu)件，8個轉(zhuǎn)動副和一個高副。
它的自由度F=3×6-2×8－1=1
經(jīng)過研究它的自由度是不變的，總是1。這對控制部分來說就很方便了。
從運動分析可知中，可知該傳動子系統(tǒng)有四個特殊的位置：
a.輸出凸輪在最高處 b.氣門持續(xù)開啟的開始
c.輸出凸輪在最底處（升程頂端） d.氣門持續(xù)開的啟結(jié)束
圖2.3 機構(gòu)簡圖
VEL機械系統(tǒng)的運動傳遞可以概括為下：
VEL系統(tǒng)傳動裝置使控制軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，用它的轉(zhuǎn)動角度去改變氣門升程和開啟時間。
傳動裝置安裝于汽缸蓋尾部，控制軸桿固定于控制杠桿上由一個減速器帶動旋轉(zhuǎn)。減速器包括一個由電動機驅(qū)動的滾珠絲杠。滾珠絲杠使螺母移動，螺母上控制杠桿，帶動控制軸旋轉(zhuǎn)。
另外使用一對錐齒輪來改變控制軸的旋轉(zhuǎn)方向，伺服直流發(fā)動機平行作用于驅(qū)動軸。由此避免電動機伸出寬度超過氣缸蓋的寬度。
當(dāng)電動機軸旋轉(zhuǎn)時，一對錐齒輪帶動滾珠絲杠軸旋轉(zhuǎn)，同時滾珠絲杠螺母沿絲杠做橫向運動。同時，控制軸通在控制杠桿的帶動下，朝順時針方向旋轉(zhuǎn)，變成降低升程/縮短氣門正時方向。
當(dāng)電動機軸沿反方向旋轉(zhuǎn)時，控制軸通在控制杠桿的帶動下，朝逆時針方向旋轉(zhuǎn)，變成增加升程/提高氣門正時方向。
在這時候，控制軸沿著滾珠絲杠軸正向和反向運動。然而，控制杠桿來回的擺動使這種運動被緩沖，減少了在滾珠絲杠軸上的側(cè)壓力，使?jié)L珠絲杠被壓緊。
2.3 VEL的控制系統(tǒng)
伺服直流電動機的工作由電控系統(tǒng)是根據(jù)預(yù)先測取的發(fā)動機調(diào)整特性進行控制的。發(fā)動機調(diào)整特性是由大量臺架試驗測出的不同工況下的配氣相位調(diào)整特性經(jīng)過優(yōu)化方法得出的不同轉(zhuǎn)速、不同負荷下的最佳配氣相位值所構(gòu)成的數(shù)據(jù)表。圖2.4是電控系統(tǒng)工作原理圖。電控系統(tǒng)主要包括控制單元、信號采集系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動電路、外圍故障顯示和數(shù)字顯示電路?？刂茊卧?098單片機為主機，由8155接口芯片、外部存貯器、鎖存器和片選邏輯芯片等構(gòu)成；信號采集系統(tǒng)由兩個霍爾傳感器和一個節(jié)氣門開度傳感器及其信號處理電路構(gòu)成；伺服直流電動機的驅(qū)動電路是以三極管為主的功率放大電路；數(shù)字顯示電路顯示控制部分的瞬時值，可顯示發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷、相位目標(biāo)值及當(dāng)前配氣相位值；故障顯示電路主要檢查信號采集系統(tǒng)、驅(qū)動電路、步進電動機導(dǎo)電裝置是否工作正常。電控系統(tǒng)在接通電源后立即開始工作。由信號采集系統(tǒng)監(jiān)測到不同的工作參數(shù)(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷等)，通過輸入接口電路送往控制單元?？刂茊卧獙π盘栠M行運算處理，判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)，再從預(yù)先測取的發(fā)動機調(diào)整特性中讀取該工況下的最佳配氣相位值，并根據(jù)該值做出控制決策，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。控制信號通過輸出接口電路和驅(qū)動電路引導(dǎo)步進電動機做出響應(yīng)。
圖2.4電控系統(tǒng)原理圖
在制取控制發(fā)動機調(diào)整特性時，作者先通過試驗測出不同工況下的配氣相位調(diào)整特性，根據(jù)試驗結(jié)果，建立數(shù)學(xué)模型。由此模型給出發(fā)動機性能指標(biāo)與工況及配氣相位控制參數(shù)之間的關(guān)系。然后，根據(jù)對發(fā)動機性能的要求，確定優(yōu)化準(zhǔn)則，采用一定的優(yōu)化方法，求出各種工況下使發(fā)動機綜合性能指標(biāo)達到最優(yōu)的配氣相位，并得到相應(yīng)的控制發(fā)動機調(diào)整特性。配氣相位是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的函數(shù)?？刂栖浖鶕?jù)傳感器測得的模擬量和數(shù)字量，從發(fā)動機調(diào)整特性中查取相應(yīng)的配氣相位值?？刂栖浖捎媚K化結(jié)構(gòu)，將常用的程序塊獨立編成一系列子程序，以調(diào)用的形式取用，可大大提高程序運行速度，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間。主程序進行發(fā)動機運行模式的判斷、發(fā)動機調(diào)整特性查尋、控制決策和控制量輸出；轉(zhuǎn)速和相位測量模塊用于測量發(fā)動機轉(zhuǎn)速和凸輪軸當(dāng)前相位；模擬量采樣模塊用于測量節(jié)氣門開度；相位調(diào)整模塊用于計算步進電動機運行步數(shù)，并對伺服直流電動機運行頻率進行修正：伺服直流電動機控制模塊用于正確地分配脈沖，使步進電動機按要求進行工作；故障顯示模塊用于檢查控制部分工作是否正常，并給故障顯示電路發(fā)送相應(yīng)的信號；數(shù)字顯示模塊用于讀取并向數(shù)字顯示電路發(fā)送各控制參數(shù)的瞬時值。
2.4簡介汽車氣門系統(tǒng)中的凸輪機構(gòu)
人類對凸輪機構(gòu)的使用要追朔到18世紀(jì)，但是，直到19世紀(jì)末，對凸輪機構(gòu)還未曾有過詳細歷史記載的系統(tǒng)研究。隨著人類文明的進步和工業(yè)化的逐步發(fā)展，對高效的自動機械的需求大大增加．特別是在內(nèi)燃機誕生之后，以內(nèi)燃機為動力的機械逐漸增多，大大提高了人們對凸輪機械的重視程度。隨著內(nèi)燃機動力機械的逐漸普及和發(fā)展，內(nèi)燃機配氣機構(gòu)的特性對工作性能的影響逐步被認識。到了20世紀(jì)初，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，凸輪機構(gòu)的研究受到廣泛重視。在20世紀(jì)40年代以后，由于內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速增加，配氣凸輪乃至配氣系統(tǒng)引起的故障日益增多，人們開始了對配氣凸輪機構(gòu)進行深入研究．研究的方法也從經(jīng)驗性的設(shè)計過渡到有理論依據(jù)的運動學(xué)與動力學(xué)的分析研究．從20世紀(jì)40年代以來，有關(guān)凸內(nèi)輪機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)的理論研究為凸輪機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。隨著計算技術(shù)和電子計算機技術(shù)的發(fā)展，解析化的數(shù)值計算設(shè)計方法逐步得到了發(fā)展，計算機輔助設(shè)計和輔助制造技術(shù)也逐步得到了應(yīng)用。
在氣門機構(gòu)的設(shè)計中，凸輪的設(shè)計是核心內(nèi)容。氣門機構(gòu)的設(shè)計目標(biāo)就是要讓進氣愈多，排氣愈干凈。除了氣門正時外，氣門尺寸、升程、加速曲線都會影響進排氣效率。這些因素乃是由凸輪軸（Cam Shift）的凸輪形狀及凸輪軸與曲軸的相對位置所控制。凸輪的形狀是以一圓為基礎(chǔ)，稱為‘基圓’，并由氣門的開啟角度及關(guān)閉角度的1/2決定開啟點及關(guān)閉點（凸輪的轉(zhuǎn)速是發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速的1/2），在決定升程之后，凸輪的基本雛形就已出現(xiàn)，最后還要根據(jù)氣門加速曲線的需求修正凸輪的輪廓。氣門全開時與關(guān)閉時的高度差就稱為‘升程’（Lift），也可說是凸輪的基圓的中心到凸峰（凸輪上距離回轉(zhuǎn)中心最遠的點）的距離減掉基圓的半徑所得的值。而氣門開始動作到完全打開或關(guān)閉所需的時間長短與凸輪軸角度的關(guān)系稱為‘氣門啟閉加速度’，以圖形表現(xiàn)就成為‘氣門啟閉加速曲線’。而發(fā)動機的容積效率正可由氣門升程與凸輪角度所構(gòu)成的曲線圖形來判斷。曲線下所圍成的面積越大則容積效率越高。 當(dāng)氣門尺寸及氣門正時不變時，氣門急開急閉可得到最佳的容積效率（也就是提高氣門加速度），當(dāng)然最好是瞬間打開或關(guān)閉，但這在考慮對氣門座的沖擊力及受到傳統(tǒng)凸輪系統(tǒng)的先天限制（必須以圓弧面接觸以維持機構(gòu)運轉(zhuǎn)之順暢），并不可能達成。此外適度的提高氣門升程也可提高容積效率。
2.5簡介直流電機、滾珠絲杠與圓錐齒輪的特性和選擇
使物體運動時,一般來講需要將動力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭硬考本€運動，這就能用到滾珠絲杠。在發(fā)動機內(nèi),由于要控制發(fā)動機的活塞的進排氣的可變性,這能通過一個伺服直流電機驅(qū)動一單級圓錐齒輪減速器,再通過ECU(發(fā)動機控制部件)和位置傳感器來控制滾珠絲杠的運動,從而來帶動控制軸的運動,達到氣門正時及升程的可變性。
為了提高響應(yīng)，在這個系統(tǒng)中用了低摩擦的滾珠絲杠。另外使用一對錐齒輪來改變控制軸的旋轉(zhuǎn)方向，直流電動機平行作用于驅(qū)動軸。
為了使變換響應(yīng)能達到令人滿意的效果，除要利用滾珠絲杠外，另一種設(shè)備被并入這種控制方式?？紤]到減速器的傳遞速度和控制軸的轉(zhuǎn)矩,通過控制軸后會產(chǎn)生變化。根據(jù)控制軸位置的變化，一種用來控制控制軸的位置的計算機操作裝置被運用上來.（在2.3節(jié)中有說明）由于此系統(tǒng)只起控制作用，它所需要的功率是很小的，因此，使用最大輸出率為100W的低輸出直流發(fā)動機是可行的，它能使達到良好響應(yīng)時的動能消耗減少。
由此，可以判斷現(xiàn)在控制軸緊隨著指定位置的變化而變化，這就要求盡量用電動機負載來控制而不是使用節(jié)流閥。
由于曲線齒錐齒輪，又很高的傳動速度，還由于輪齒嚙合的重疊作用，曲線齒錐齒輪比直齒錐齒輪運轉(zhuǎn)要平穩(wěn)的多。曲線齒錐齒輪在節(jié)圓錐上齒線為曲線，輪齒嚙合緩慢的開始，從一端到另一端連續(xù)平穩(wěn)的進行。所以選用曲線齒錐作為改變方向的傳動部件。設(shè)計圓錐齒輪首先必須知道齒輪運轉(zhuǎn)的必要條件，即額定功率、啟動扭矩、載荷作用方式、過載和沖擊條件、潤滑方式、運轉(zhuǎn)溫度、速比、轉(zhuǎn)速及所要求的運轉(zhuǎn)精度等一切與運轉(zhuǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些條件，可以得出所用齒輪的尺寸。
這是一個高精密的控制系統(tǒng)，所以使用高精度的滾珠絲杠來作為精確移動控制部件。使用2、3級滾珠絲杠的特點：高導(dǎo)程精度，超靜音，低起動扭矩及高順暢，高效率及可逆性，零背隙及高剛性。根據(jù)使用范圍及要求將滾珠絲杠副分為定位滾珠線杠副（P）、傳動滾珠絲杠副（T），精度分為七個等級，即1、2、3、4、5、7、10級。1級精度最高，依次逐漸降低。根據(jù)我們的需要，根據(jù)以上條件選擇合適的滾珠絲杠。
3 伺服直流電動機的選擇
3.1伺服直流電動機用途特點及其技術(shù)參數(shù)
SY、SZ系列直流伺服電動機，分別系永磁式和電磁式直流伺服電動機。該電機具有體積小、重量輕、伺服性能好、力能指標(biāo)高等優(yōu)點。廣泛用于自動控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，亦可作驅(qū)動元件。
SZ系列直流伺服電動機系電磁式直流伺服電動機，可用作中、大功率直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。該系列直流伺服電動機機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度較好，調(diào)速范圍廣，啟動轉(zhuǎn)矩大，運行穩(wěn)定，且體積小、重量輕，力能指標(biāo)高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較牢固。 如下圖
圖3.1 直流伺服電動
對于VEL裝置，我們需要電動機是能夠正反轉(zhuǎn)的并且體積小容易安裝，我所選用的是90SZ53型直流伺服電動機它的具體參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)矩/：0.481；轉(zhuǎn)速/：3000；
功率/W：150；
電壓/V（電樞&勵磁）：110；
電流/A（不大于）電樞2.00、勵磁0.23；
容許順逆差轉(zhuǎn)速/：200
外形尺寸(mm)：?90×145
出軸尺寸(mm)：?8×16
3.2伺服直流電動機使用條件
環(huán)境溫度：-40oC～60oC; 相對濕度：95%（20oC時）；
海 拔：不超過2500m； 振 動：頻率10HZ，雙振幅 2.8mm±0.4mm
沖 擊：100次/min，加速度68.6m/
允許溫度：不超過75oC 工作制度：連續(xù)
電動機的機電時間常數(shù)不大于30ms。電動機空載啟動電壓4V。
3.3伺服直流電機的外型和安裝尺寸
選定電機型號之后，可以在機械設(shè)計手冊中查到具體的外型和安裝尺寸，具體如下：顯示于圖3-2,以下參數(shù)單位都為(mm)
型號：90SZ51-54
Nh7=70h2=6 h3h12=3
M=76 P=92
SH13=6.6 D1=95
L=147 Dh6=8
E=16 l4=18
F=2 Gh11=5.2
Dh11=10 D2h6=6
E2=14 l12=16
F1=2 G2h11=4.3
D2H11=7
圖3.2 90SZ53型直流伺服電動機的外形尺寸
4 圓錐齒輪的選擇與設(shè)計
4.1圓錐齒一般設(shè)計步驟與特點
4.1.1 圓錐齒輪傳動設(shè)計步驟
?? 1) 簡化設(shè)計：根據(jù)齒輪傳動的傳動功率、輸入轉(zhuǎn)速、傳動比等條件，確定小輪大端分度圓直徑等主要參數(shù)。如果分度圓直徑已知，可跳過這一步。
?? 2) 幾何設(shè)計計算：設(shè)計和計算齒輪的基本參數(shù)，并進行幾何尺寸計算。
?? 3) 強度校核：在基本參數(shù)確定后，進行精確的齒面接觸強度和齒根彎曲強度校核。
?? 4) 如果校核不滿足強度要求，可以返回2)，修改參數(shù)，重新計算。
4.1.2 圓錐齒輪傳動的特點
? 1) 圓錐齒輪用于軸線相交的兩軸間的傳動，能靈活地改變傳動方向。
?? 2) 當(dāng)量圓柱齒輪概念的引入，方便了圓錐齒輪的設(shè)計計算及對某些問題的研究。
?? 3) 采用假想平面齒輪的嚙合作為切齒原理與計算的依據(jù)。
4.2圓錐齒輪的初步設(shè)計
4.2.1圓錐齒輪初步選擇與參數(shù)
我選用弧齒錐齒輪，因為它主要可以用于高速傳動,兩錐齒輪軸線交角為90o，能改變其運動方向。主要作用在2.5部分有詳細說明。材料為15CrNi8，要經(jīng)過滲碳淬火，磨齒后達到5級精度。它的主要特點有：
1） 齒線是一段圓弧。
2） 齒形較復(fù)雜，制造較難。
3） 承載能力高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小
4） 齒面局部接觸，裝配誤差及輪齒變形對偏載的影響不顯著。
5） 軸向力大，其方向與齒輪的轉(zhuǎn)向有關(guān)。
應(yīng)用范圍：多用于大載荷，周速v>5m/s或轉(zhuǎn)速n>1000r/min，要求噪聲小的傳動。磨齒后可用于高速傳動。
它的一些具體參數(shù)如下：
弧
齒
齒制
變位方式
齒高種類
格里森
20o
0.85
0.188
35o
徑向+切向變位
等頂隙收縮齒
表4.1格里森弧齒錐齒輪齒廓
：齒形角；法向壓力角 ：頂隙系數(shù)
：齒頂高系數(shù) ：齒寬中點分度圓螺旋角。
由發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為5000可知，主動軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)為它的一半2500，因此我們可以假設(shè)控制軸的轉(zhuǎn)速和主動軸的一樣，（實際上控制軸只控制輸入凸輪擺動的大小從而控制氣門升程，主動軸轉(zhuǎn)動一周輸入凸輪擺動一個來回，控制軸也是靠擺動一定的角度完成控制的，它的擺角為0o到120o，它的轉(zhuǎn)速是很小的，但是滾珠絲杠的螺桿是高速轉(zhuǎn)動以帶動控制軸快速反應(yīng)）電動機的轉(zhuǎn)速為3000，所以可以確定傳動比u=3000/2500=1.2。
4.2.2確定小輪的大分度圓直徑
齒輪的許用接觸應(yīng)力 取=1.1
根據(jù)所選材料和齒輪的熱處理過程，達到中等要求我們?nèi)。?
＝1.1 ＝1500N/mm2(合金滲碳剛經(jīng)淬火)
=1500/1.1=1363.6N/ mm2
de1≥
∴ K－載荷系數(shù) K＝1.2～1.8 取1.5
小輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩為：T1=0.481N·M
u為傳動比由上文知為1.2
K為載荷系數(shù) K=1.2～1.8 取1.5
∴de1≥11.3mm
4.2.3幾何計算
確定齒數(shù)、模數(shù)、大端分度圓直徑
∵ U=1.2 齒輪齒數(shù)必須互質(zhì)。兩齒輪的傳動是精密傳動所以齒數(shù)應(yīng)該比較多，以利于整個VEL系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
∴ 我們可以初步確定齒輪的齒數(shù)：Z1=32 Z2=39
me=1～50 我取1.25
de1=32×1.25=40>11.3mm
de2=39×1.25=48.75mm
分錐角 δ1=arctan(32/39)= 39.4o δ2=90o-δ1=50.6o
外錐距 Re=de1/2sinδ1=20/sin40.1o=31.51mm
齒寬 （齒寬系數(shù)ΦR取0.3）
齒寬 b=ΦR·Re=0.3×31.51=9.453≈9.5（取整）
中點模數(shù) mm=me（1-0.5ΦR）=1.25×0.85=1.0625mm
切向變位系數(shù) xt=0
徑向變位系數(shù) x1= -x2=0.14 （查機械設(shè)計手冊得出）
中點法向模數(shù) mnm= mmcos=1.0625×cos35o=0.87mm
齒形角 =20o
齒頂高 ha=（+x）me ＝0.85
∴ ha1=1.2375mm ha2=0.8875mm
齒根高 hf=（+-x）me =0.188
∴ hf1=1.1225mm hf2=1.4725mm
頂隙 c=c*me=0.188×1.25=0.235mm
齒頂角 θɑ ∵ 是等頂隙收縮齒
∴ θɑ1=θf2 θɑ2=θf1
齒根角 θf1=arctan(hf1/Re)=arctan(1.1225/31.51)=2.04o
θf2= arctan(hf2/Re)= arctan(1.425/31.51)=2.676o
頂錐角 δɑ ∵是等頂隙收縮齒
∴δɑ1=δ1+θf2=39.4o+2.676 o=42.076 o
δɑ2=δ2+θf1=50.6 o+2.04 o=52.64 o
根錐角 δf1=δ1-θf1=39.4 o-2.04 o=37.36
δf2=δ2-θf2=50.6 o-2.676 o=47.924o
大端齒頂圓直徑
dae1=de1+2ha1cosδ1=40+2×1.2375cos39.4o=41.93mm
dae2=de2+2ha2cosδ2=48.75+2×0.8875cos50.6o=49.877mm
中點法向齒厚 βm＝35o
smn1=（0.5Лcosβm+2x1tanɑn + xt1）mm=1.475mm
smn2=Лmmcosβm- smn1=5.46856-2.92=1.26mm
中點法向齒厚半角
Ψmn1=0.0225 Ψmn2=0.0131
中點齒厚角系數(shù) kΨmn=1-Ψ2mn/6
∴ kΨmn1=0.9999 kΨmn2≈1
中點分度圓弦齒厚
1.4748mm mm
中點分度圓弦齒高
1=ha1-0.5btanθf2+0.25=1.0175mm
2=ha2-0.5btanθf1+0.25=0.722mm
切齒刀盤直徑 Dd=50.8mm
當(dāng)量齒數(shù)
∴Zv1=75.33 Zv2=111.78
對曲線齒來說他的重合度有軸向重合度εβ和端面重合度εα ：
εβ≈btanβm/(Лmm) ≈1.993
當(dāng)βm=35o;αn=20o端面重合度εα可以查表得 ：
εα1=1.075; εα2=1.175; k=0.709
εα=k(εα1+εα2) ≈1.6
總重合度 εγ=
任意點螺旋角 βx sinβx =
Rx—任意點的錐距，大端為Re，中點為Rm
4.3 齒輪的強度校核
4.3.1 齒輪的接觸強度校核
由于圓錐齒輪的強度計算是按（機械原理中當(dāng)量齒輪是按大端背錐展開的，但強度計算時考慮載荷作用于中點）,所以是安齒寬中點背錐展開的當(dāng)量直齒圓柱齒輪進行的，所以要了解的參數(shù)包括當(dāng)量齒輪的參數(shù)，齒數(shù)比μ，錐頂距R，大端分度圓直徑d1，d2（平均分度圓直徑dm1，dm2），齒數(shù)Z1、Z2，大端模數(shù)m，b—齒寬等。
計算接觸應(yīng)力σH必須小于等于許用接觸應(yīng)力σHP才能達到要求。
σH=σHP
分度圓的切向力 Ft=2000T1/dm1
dm1=de1(1-0.5ΦR)=40×0.85=34mm
Ft =2000×0.481/34=28.29N
使用系數(shù) KA=1.25 （查表得）
動載荷系數(shù) Kv=
因為齒輪是5級精度，所以K1查表后得K1=5.48
Vm為齒寬中點的圓周速度m/s
Vm=Лdmn/60=5.34m/s
∴ Kv =3.305
載荷分布系數(shù) 1.5×1.25=1.9
載荷分配系數(shù) KHα=1.2 （查表得）以下相同
節(jié)點區(qū)域系數(shù) =2.125
彈性系數(shù) =189.8N/mm2
重合度系數(shù)（）螺旋角系數(shù)（）
∵ ＝0.767 ＝≈0.905
∴ ＝≈0.7
錐齒輪系數(shù) ZK ＝1
計算結(jié)果 σH ＝317.34
許用接觸應(yīng)力 σHP＝
最小安全系數(shù) SHlim=1.1
壽命系數(shù) ∵是長期工作
∴＝1
潤滑油膜影響系數(shù) ZLVR＝0.985
尺寸系數(shù) Zx＝1
工作硬化系數(shù) Zw＝1
∴許用應(yīng)力 σHP＝1343N/mm2
結(jié)論 σH<σHP 通過
4.3.2 抗彎強度校核
彎曲強度校核公式： Mpa
復(fù)合齒形系數(shù)按當(dāng)量齒數(shù)ZV=Z/cosδ查設(shè)計手冊得：
YFs1= 4.19 ,YFS2=4.15
重合度和螺旋角系數(shù) ≈0.52
載荷系數(shù)：K＝ 、、、
——工作情況系數(shù) ——初載荷系數(shù)
——齒向載荷分布系數(shù) ——齒間載荷分配系數(shù)
1、工作情況系數(shù)KA
考慮了齒輪嚙合時，外部因素引起的附加動載荷對傳動的影響，它與原動機與工作機的類型與特性，聯(lián)軸器類型等有關(guān)
2、動載荷系數(shù)KV——考慮齒輪制造誤差和裝配誤差及彈性變形等內(nèi)部因素引起的附加動載荷的影響
主要影響因素：
1）齒輪的制造精度Pb1≠Pb2；
a）當(dāng)Pb2>Pb1時,后一對齒輪未進入嚙合區(qū)就開始接觸，產(chǎn)生動載荷（∵此時過接觸點作齒廓的公法線與連心線交點P’(節(jié)點)與P不重合，這樣使實際的）→措施：從動輪2齒頂修緣，使齒輪2在齒頂處P'b2
Pb2時；如圖9-8，則前一對齒將脫開嚙合時，后一對齒雖已進入嚙合區(qū)，但尚未接觸，而要待前一對齒離開正確嚙合區(qū)一段距離后，后一對齒才開始嚙合→產(chǎn)生齒腰（中間）沖擊→措施：主動輪1齒頂修緣（虛線齒廓），延長一對齒的嚙合時間
2）圓周速度V。
降低KV措施：1）提高齒輪制造安裝精度；2）減小V（減小齒輪直徑d）；3）齒頂修緣。
注意：修緣要適當(dāng)，過大則重合度下降過大。
一般高速齒輪和硬齒面齒輪應(yīng)進行修緣，但修緣量與修緣的曲線確定則比較復(fù)雜。
3、齒向載荷分布系數(shù)——考慮軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形、軸承、支座彈性變形及制造和裝配誤差而引起的沿齒寬方向載荷分布不均勻的影響。影響因素：
1）支承情況：對稱布置，好；非對稱布置，↓；懸臂布置，差。
2）齒輪寬度b b↑ ， ↑。
3）齒面硬度，硬度越高，趙易偏載，齒面較軟時有變形退讓。
4）制造、安裝精度——精度越高，越小。
減小措施：1）提高制造安裝精度；2）提高支承剛度，盡量避免懸臂布置；3）采用鼓形齒；4）螺旋角修形——沿小齒輪齒寬進行修形，以補償由于軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形引起的嚙合線位置的改變。
分：
1）——用于齒面接觸疲勞強度計算，與精度等級、齒面硬度、支承布置有關(guān)，齒寬系數(shù)，=b/d
2）——用于齒根變曲疲勞強度計算，按和b/h之比值， b—齒寬，h—齒高。
4、齒間載荷分配系數(shù)——考慮同時有多對齒嚙合時各對輪齒間載荷分配不均勻的系數(shù)。
影響因素：嚙合剛度，基圓齒距誤差（Pb），修緣量，跑合程度等。
分：
1）KHα——齒面接觸疲勞強度計算用
2）——齒根彎曲疲勞強度計算用 可查設(shè)計手冊
其余項同前，并
計算結(jié)果 ＝41.32 N/mm2
=YFS2/ YFs1=40.93 N/mm2
許用抗彎應(yīng)力
壽命系數(shù) YN＝1 長期工作
相對齒根圓角敏感系數(shù) YδrelT =1
相對齒根圓角表面狀況系數(shù) YRrelT =1
尺寸系數(shù) Yx =1
最小安全系數(shù) SFlim=1.4
齒根基本強度 σFE =450 N/mm2
所以可以求得 σFP=321.43 N/mm2
結(jié)論 σF1 <σFP ; σF2>σFP2 通過，
∴ 設(shè)計圓錐齒輪合格
齒輪的具體尺寸及說明圖見附錄圖1
4.4 圓錐齒輪減速器箱體及其零件的設(shè)計
4.4.1齒輪箱體的裝配與零部件的選擇
圓錐齒輪減速器采用一級圓錐齒輪組成，輸出軸可以雙向旋轉(zhuǎn).在齒輪軸上我們對兩軸各選用一對角接觸軸承。
選角接觸軸承也有它的特點，它主要承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。承受軸向載荷的能力由接觸角α決定。對于大齒輪軸我選用一對7003C角接觸軸承，對于小齒輪軸我選用一對7001C角接觸軸承，它的具體尺寸見機械設(shè)計手冊。
其中滾珠絲杠的一端是直接與兩個錐齒輪中的一個相連接，在套入齒輪的軸的端部用兩個M4六角螺栓軸固定于齒輪的一端。而另一個齒輪上的軸需要用彈性連軸器與電動機上的軸相連接。
對于齒輪箱體內(nèi)圓錐齒輪的定位要用一個特制的八角孔螺栓,它的直徑為45mm,用它把大錐齒輪定位好后,在用一個緊定螺釘,將它卡死,這樣可以防止其在工作的時候脫落,緊定螺釘?shù)哪┒诵螤?常用的有錐端、平端和圓柱端。。因為錐端適用于被緊定的零件的表面硬度較低或不經(jīng)常拆卸的場合；平端接觸面積大，不傷零件表面，常用與預(yù)緊硬度較大的平面或經(jīng)常拆卸的場合；圓柱端壓入軸上的凹坑中，適用于緊定空心軸上的零件位置。所以我選用圓柱端，八角孔螺栓的材料為合金鋼（35CrMo,淬火并回火，強度和韌性都好）。緊定螺釘?shù)闹睆綖?mm，保證轉(zhuǎn)矩為5N·M。
具體裝配齒寸見附錄圖2。
4.4.2與齒輪配合的軸的選擇與設(shè)計
連接齒輪減速器的軸是直軸，直軸按受載情況的不同又可以分為①轉(zhuǎn)軸，同時受彎矩，有時還受較大的軸向力作用；②心軸，只受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩很??；③傳動軸，主要受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩或彎矩很小。我們選用的是轉(zhuǎn)軸，選用實心軸。軸的材料應(yīng)滿足強度剛度耐磨性，耐腐性等方面的要求。設(shè)計軸市時應(yīng)按照經(jīng)濟、合理、適用的原則，根據(jù)具體情況選用材料。
對于強度高、尺寸與質(zhì)量小或有其它特殊要求的軸，可采用合金鋼，我們選用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料，它耐磨性好，可以適應(yīng)高速工。合金鋼對應(yīng)力集中的敏感性高，而45號優(yōu)質(zhì)碳素對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時我們可以通過熱處理或化學(xué)熱處理辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度。它的熱處理過程為正火。
它軸頸的精度為0.8，它與齒輪鍵與鍵槽的配合代號為，用手錘打入，有不大的過盈量，同軸度好，能保證配合的緊密性，加工方法應(yīng)該精車或磨削。由于齒輪的精度為級，所以軸上安裝圓錐齒輪除處的徑向園跳動為2IT4。
軸上鍵的確定：與小齒輪配對的軸上的鍵用C型鍵，位于軸端，普通平鍵應(yīng)用最廣，也適用于高精度、高速度、或承受變載、沖擊的場合。它靠側(cè)面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩。對中性良好，裝拆方便。不能實現(xiàn)軸向固定。
與小齒輪配對的軸上的鍵用A型鍵
它的具體尺寸見附錄圖2。
5 滾珠絲杠的選擇與設(shè)計
5.1對滾珠絲杠的特點與設(shè)計說明
5.1.1滾珠絲杠的特點與設(shè)計
為了提高VEL控制系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低傳動系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動摩擦系數(shù)之差。因此，形成不太長的直線運動機構(gòu)常用滾珠絲杠副。它有以下幾個特點：
1）摩擦阻力小傳動效率高，其傳動效率高達85%-98%，是普通滑動絲杠副的2-4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不自鎖。如果滾珠絲杠副驅(qū)動升降運動或類似運動，則必須有制動裝置。
2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造較難。
3）運行平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時無爬行。
4）具有傳動的可逆性，為了避免受載后逆轉(zhuǎn)，應(yīng)設(shè)置防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)。
5）工作壽命長，不宜發(fā)生故障。
6）耐沖擊性較差。
7）螺母和螺桿經(jīng)調(diào)整預(yù)緊可得較高的定位精度和重復(fù)定位精度，滾珠絲杠的靜、動摩擦系數(shù)實際上幾乎沒有什么差別。它可以消除反向間隙并施加預(yù)載，有助于提高定位精度和剛度。
它的設(shè)計說明：
1）滾動螺旋傳動是在螺桿和螺母的滾道之間放入滾動體，使螺桿與螺母之間由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的螺旋傳動。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動時（或螺母），滾動體沿螺紋滾道滾動，并促使螺母（或螺桿）作直線運動。
? 2）在螺母或螺桿上設(shè)有滾動體返回裝置，使?jié)L動體沿滾道面運動后能自動返回其入口處，形成循環(huán)回路，從而不斷地參與工作。在螺母上設(shè)置滾動體返回裝置的稱為外循環(huán)式，在螺桿上設(shè)置滾動體返回槽的稱為內(nèi)外循環(huán)式。
? 3）設(shè)計步驟：按照設(shè)計可以直接進入滾動螺旋傳動幾何計算，在幾何計算中選取各個參數(shù)，在選取參數(shù)時可以進入?yún)?shù)選擇頁面進行標(biāo)準(zhǔn)的選擇；也可以直接進入?yún)?shù)選擇頁面，在查詢到設(shè)計數(shù)據(jù)后進入幾何計算；最后的步驟是進入精確校核，可按照計算要求進行各項參數(shù)校核。
5.1.2設(shè)計的滾珠絲杠的主要作用
發(fā)動機中電機的運動通過傳動裝置使控制桿產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，用它的旋轉(zhuǎn)改變升程和開啟時間。傳動裝置安裝于汽缸蓋尾部，控制桿固定于控制軸上，由一個減速器帶動旋轉(zhuǎn)。減速器包括一個由電動機驅(qū)動的滾珠絲杠。滾珠絲杠啟動的轉(zhuǎn)矩要求小，并且精度也比一般的滑動絲杠高幾級，選用低摩擦的滾珠絲杠的目的是為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。
5.2滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與選擇
5.2.1滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型
各種類型的滾珠絲杠副的絲杠，除除螺紋滾道的截面形狀有所不同外，其基本結(jié)構(gòu)是相同的；滾珠絲杠的螺母，除螺紋滾道的截面形狀有所不同外，其結(jié)構(gòu)還與滾珠循環(huán)方式、預(yù)緊方式有關(guān)因此形成了不同的滾珠絲杠副。
從螺紋滾道法向截面的形狀來看，它可分為：單圓弧、雙圓弧等。
圖5.1單圓弧螺紋滾道
從滾珠的循環(huán)方式來看可分為：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。
從預(yù)緊方式來看可分為：雙螺母墊片式、雙螺母螺紋式、雙螺母齒差式，單螺母變位式、單螺母、大球式等。
我所選用的是單圓弧螺紋滾道、外循環(huán)的滾珠絲杠。
圖5.2滾珠絲杠
我們可