大眾EA888 1.8L發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計與分析（含CAD圖紙、說明書）

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Whether an internal combustion engine can work stably and reliably, whether the noise and vibration are controlled at a lower level, is closely related to the reasonable design of the valve train. In this paper, the gas distribution mechanism of the same type of internal combustion engine is studied. Through the analysis of the basic concept of the design of valve train, a gas distribution mechanism of EA888 gasoline engine is designed. According to the requirements of the working environment of the internal combustion engine and the advantages of the gas distribution phase of the top mounted gas distribution mechanism, the utility model has the advantages of accurate and simple structure. The cam adopts a constant speed and acceleration buffer section and the working section line of the arc cam. Key words: Cam shaft, cam profile, valve spring, rocker arm 3 目 錄 摘 要 ..............................................................................................................................1 ABSTRACT..................................................................................................................2 目 錄 ..............................................................................................................................3 1 概述 ........................................................................................................................5 1.1 課題背景及意義……..............................................................……… 1.2 課題研究的主要內(nèi)容............................................................................. 2.1 充氣效率 ........................................................................................................5 2.2 配氣機構(gòu)布置形式 ........................................................................................6 2.3 凸輪軸布置形式 ............................................................................................9 2.4 凸輪軸傳動方式 ..........................................................................................10 2.5 氣門數(shù)目及排列方式 ..................................................................................11 2.6 氣門間隙 ......................................................................................................12 2 配氣相位 ..............................................................................................................14 2.1 配氣相位介紹 ..............................................................................................14 2.2 氣門重疊 ......................................................................................................14 2.3 配氣相位的確定 ..........................................................................................15 3 氣門驅(qū)動件的設(shè)計 ..............................................................................................17 3.1 凸輪軸的設(shè)計 ..............................................................................................18 3.1.1 凸輪軸緩沖段設(shè)計 ........................................................................................19 3.1.2 凸輪軸工作段的設(shè)計 ....................................................................................21 3.1.3 凸輪軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 ....................................................................................24 4 氣門組件的設(shè)計 ..................................................................................................26 4.1 氣門設(shè)計 ......................................................................................................26 4.1.1 進氣門設(shè)計 ....................................................................................................27 4.1.2 排氣門設(shè)計 ....................................................................................................28 4.2 氣門座的設(shè)計 ..............................................................................................28 4.2.1 氣門座設(shè)計的重要性 ....................................................................................28 4.2.2 氣門座的材料與尺寸 ....................................................................................29 4.3 氣門導管設(shè)計 ..............................................................................................29 4.3.1 氣門導管的作用 ............................................................................................29 4.3.2 氣門導管的材料與尺寸 ................................................................................30 4.4 氣門彈簧設(shè)計 ..............................................................................................30 4.4.1 氣門彈簧的材料 ............................................................................................30 4.4.2 彈簧特性 ........................................................................................................31 4.4.3 彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸 ............................................................................................31 4 4.4.4 氣門彈簧疲勞強度校核 ................................................................................33 總結(jié) ..............................................................................................................................35 參考文獻 ......................................................................................................................36 5 1 概述 1 課題背景及意義 目前，隨著人們生活水平的提高，汽車、摩托車日益成為人們生活當中重 要交通工具，對機械產(chǎn)品的需求量是越來越大，產(chǎn)品質(zhì)量要求是越來越高。同 時，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量 化和自動化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對其工作性能的要求也越來越 高，為使產(chǎn)品能夠安全可靠地工作，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的靜動態(tài)特性。 同時，設(shè)備在工作時產(chǎn)生的振動和噪聲，會損害操作者的身心健康，污染環(huán)境。 因此必須對機械產(chǎn)品進行動態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計，以滿足機械結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性 與低振動、低噪聲的要求。這一切都要求工程師在設(shè)計階段就能精確的預(yù)測出 產(chǎn)品或工程的技術(shù)性能，需要對結(jié)構(gòu)的靜、動力強度以及溫度場等技術(shù)參數(shù)進 行分析計算。為了在工程應(yīng)用中節(jié)約成本、提高設(shè)計效率、縮短設(shè)計周期，很 多廠家已經(jīng)把前期的軟件模擬作為檢驗設(shè)計成敗的一個關(guān)鍵步驟。 發(fā)動機在車輛中是動力部件，其性能直接影響車輛在使用中的工作狀況和 可靠性。發(fā)動機的發(fā)展向著大功率輕重量的方向發(fā)展，使得其剛度不斷減少， 從而加劇了發(fā)動機的振動和結(jié)構(gòu)噪聲，這類振動將直接影響發(fā)動機的壽命。因 此對發(fā)動機必須進行動態(tài)設(shè)計與分析，把動態(tài)特性作為設(shè)計的重要目標。配氣 機構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，發(fā)動機配氣機構(gòu)，經(jīng)常處在高溫、高壓下工作， 因此氣門機構(gòu)是發(fā)動機最容易發(fā)生故障的零部件之一。而配氣機構(gòu)性能的好壞, 直接影響到發(fā)動機的經(jīng)濟性、可靠性, 并對發(fā)動機噪聲與振動產(chǎn)生直接影響。 而配氣機構(gòu)的主要零件氣門既是燃燒室的組成部分，又是氣體進、出燃燒室的 通道，工作時需承受很高的機械負荷和熱負荷，尤其是排氣門，由于經(jīng)常受到 高溫燃氣的沖刷，從而更加容易產(chǎn)生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象，工作條件也就 更為嚴酷。其后果將影響氣缸內(nèi)的換氣質(zhì)量，嚴重時會導致燃燒惡化，從而降 低了發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性和可靠性。因此，對發(fā)動機的配氣機構(gòu)，特別是 氣門進行深入研究是非常有必要的。 隨著發(fā)動機強化程度的不斷提高, 配氣機構(gòu)已經(jīng)成為發(fā)動機發(fā)展過程中的 6 一個重要而且困難的環(huán)節(jié)。這不只是由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的急劇增長, 使機構(gòu)零件 慣性力和振動迅速提高,而且還由于發(fā)動機平均有效壓力的增加。因此配氣機構(gòu) 動力學的研究已經(jīng)成為研究小型高速發(fā)動機的重要課題。此外隨著發(fā)動機低排 放、高速化的發(fā)展趨勢，對其性能指標要求越來越高，要求其在高速運行的條 件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因此對配氣機構(gòu)設(shè)計的要求也越來越高。 2 課題研究的主要內(nèi)容 發(fā)動機配氣機構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動機每一汽缸內(nèi)進行的工作循環(huán)順序，定 時地開啟和關(guān)閉各汽缸的進、排氣門，以保證新鮮可燃混合氣(汽油機)或空氣 (柴油機 )得以及時進入汽缸并把燃燒后生成的廢氣及時排出汽缸。 配氣機構(gòu)主要分為氣門配氣和氣口配氣兩種。汽車發(fā)動機一般采用氣門配 氣機構(gòu)。配氣機構(gòu)按氣門的布置形式可分為氣門頂置式和氣門側(cè)置式；按凸輪 軸的布置形式可分為凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸上置式；按凸輪軸 的傳動方式可分為齒輪傳動式、鏈條傳動式和齒形帶傳動式；按每個汽缸氣門 數(shù)及其排列方式可分為二氣門式、四氣門式、五氣門式等。 充氣效率 為了保證發(fā)動機每個汽缸排氣徹底，進氣充分，要求氣門具有盡可能大的 通過能力。新鮮空氣或可燃混合氣被吸進汽缸越多，則發(fā)動機可能發(fā)出的功率 就越大。新鮮空氣或可燃混合氣充滿汽缸的程度，用充氣效率 來表示。所謂v? 充氣效率就是指在進氣過程中，實際進入汽缸的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量 與在理想狀況下充滿汽缸工作容積的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量之比。其公 式如下： 0/vM?? 式中： ——進氣過程中，實際充入汽缸的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量； ——理想狀態(tài)下，充滿汽缸工作容積的新鮮空氣或可燃混合氣的0 質(zhì)量。 7 充氣效率 是衡量發(fā)動機換氣質(zhì)量的參數(shù)。充氣效率越高，表明進入汽缸v? 內(nèi)的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量越多，可燃混合氣燃燒時可能放出的熱量越 大，發(fā)動機發(fā)出的功率也就越大。對于一定工作容積的發(fā)動機而言，充氣效率 與進氣終了時汽缸內(nèi)的壓力和溫度有關(guān)。此時壓力越高，溫度越低，則一定容 積的氣體質(zhì)量就越大，因而充氣效率越高。由于進氣系統(tǒng)對氣流的阻力造成進 氣終了時缸內(nèi)氣體壓力降低，又由于上一循環(huán)中殘留在汽缸內(nèi)的高溫廢氣，以 及燃燒室、活塞頂、氣門等高溫零件對進入汽缸內(nèi)的新鮮氣體加熱，使進氣終 了時氣體的溫度升高，實際充入汽缸的新鮮氣體的質(zhì)量總是小于在理想狀況下 充滿汽缸工作容積的新鮮氣體的質(zhì)量，即充氣效率總是小于1，一般為 0.80～0.90。影響發(fā)動機充氣效率的因素很多，就配氣機構(gòu)而言，要求其結(jié)構(gòu)有 利于減小進氣和排氣的阻力，進、排氣門的開啟時刻和持續(xù)開啟的時間應(yīng)適當， 使吸氣和排氣過程盡可能充分，使充氣效率得以提高。 2.2 配氣機構(gòu)布置形式 1. 氣門頂置式配氣機構(gòu) 氣門頂置式配氣機構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的一種配氣機構(gòu)形式，其進氣門和排氣 門都倒裝在汽缸蓋上，凸輪軸裝在上曲軸箱內(nèi)，如圖 1.1 所示。其組成主要包 括氣門導管 2、氣門 3、氣門彈簧 4 和 5、彈簧座 6、鎖片 7、搖臂軸 9、搖臂 10、推桿 13、挺柱 14、凸輪軸 15 和正時齒輪 16 等。發(fā)動機工作時，曲軸通 過正時齒輪驅(qū)動凸輪軸旋轉(zhuǎn)，當凸輪軸轉(zhuǎn)到凸輪的凸起部分頂起挺柱 14 時， 通過推桿 13 和調(diào)整螺釘 12 使搖臂 10 繞搖臂軸 9 擺動，壓縮氣門彈簧，使氣 門離座，即氣門開啟。當凸輪凸起部分離開挺柱后，氣門便在氣門彈簧力作用 下上升而落座，氣門關(guān)閉。 8 圖 1.1 氣門頂置式配氣機構(gòu) 1—汽缸蓋 2—氣門導管 3—氣門 4—氣門主彈簧 5—氣門副彈簧 6 一氣門彈簧座 7—鎖 片 8—氣門室罩 9—搖臂軸 10—搖臂 11—鎖緊螺母 12—調(diào)整螺釘 13—推桿 14—挺柱 15—凸輪軸 16—正時齒輪 四行程發(fā)動機每完成一個工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，各缸進、排氣門各開 啟一次，此時凸輪軸只旋轉(zhuǎn)一周，因此曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速傳動比為 2：1。 氣門頂置式發(fā)動機，由于燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，充氣阻力小，具有良好的抗爆 性和高速性，易于提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性指標。因此，目前國內(nèi)外汽車 發(fā)動機中絕大多數(shù)都采用氣門頂置式配氣機構(gòu)。 一汽奧迪 100、紅旗 CA7220、捷達/高爾夫、上汽桑塔納、神龍富康和天 津夏利等型轎車及解放 CAl091、東風 EQl090E 型載貨汽車發(fā)動機均采用氣門 頂置式配氣機構(gòu)。 捷達王 EA113 型發(fā)動機氣門頂置式配氣機構(gòu)的布置如圖 1.2 所示。發(fā)動機 工作時，曲軸通過曲軸齒形帶驅(qū)動排氣凸輪軸 1，排氣凸輪軸再通過傳動鏈 3 驅(qū)動進氣凸輪軸 2，凸輪軸上的凸輪通過液力挺柱 10 控制氣門的開閉，完成進 氣或排氣行程。 9 圖 1.2 捷達王轎車 EAll3 型發(fā)動機配氣機構(gòu)零件圖 1—排氣凸輪軸 2—進氣凸輪軸 3—傳動鏈 4—液壓鏈張 緊器 5—汽缸蓋 6—排氣門 7—進氣門 8—凸輪軸帶輪 9—油封 10—液力挺柱 2. 氣門側(cè)置式配氣機構(gòu) 氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)的特點是進、排氣門裝在汽缸體的一側(cè)，如圖1.3所示。 氣門3的開、閉由凸輪軸14上的凸輪通過挺柱12直接控制，省去了搖臂及搖臂軸、 推桿等，簡化了配氣機構(gòu)。但是由于氣門布置在汽缸體的一側(cè)，使燃燒室的結(jié) 構(gòu)不緊湊，限制了壓縮比的提高，還由于進氣彎道多，進氣流動阻力增大，因 而發(fā)動機的動力性較差，目前這種形式的配氣機構(gòu)已被淘汰。 10 圖1.3氣門側(cè)置式配氣機構(gòu) 1—汽缸蓋 2—汽缸墊 3—氣門 4—氣門導管 5—汽缸體 6—氣門彈簧 7—汽缸壁 8—氣門彈簧座 9—鎖銷 10—調(diào) 整螺釘 11—鎖緊螺母 12—挺柱 13—挺柱導管 14—凸輪軸 2.3 凸輪軸布置形式 凸輪軸的布置形式可分為下置、中置和上置三種形式。三者都可用于氣門 頂置式配氣機構(gòu)，而氣門側(cè)置式配氣機構(gòu)的凸輪軸只能下置。 1.凸輪軸下置式配氣機構(gòu) 凸輪軸由曲軸通過正時齒輪驅(qū)動，因此希望盡可能縮短凸輪軸與曲軸之間 的距離。將凸輪軸布置在曲軸箱中部，稱為凸輪軸下置式配氣機構(gòu)，如圖1.1、 圖1.3所示。這種方案傳動簡單，一般都采用齒輪傳動。 2.凸輪軸中置式配氣機構(gòu) 當發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，為減小氣門傳動機構(gòu)的往復(fù)運動質(zhì)量，可將凸輪軸 位置移至汽缸體上部，凸輪軸經(jīng)過挺柱直接驅(qū)動搖臂，而省去推桿，這種結(jié)構(gòu) 稱為凸輪軸中置式配氣機構(gòu)，如圖1.4所示。這種方案大多采用齒輪傳動，但凸 11 輪軸的中心線距離曲軸中心線較遠，需加中間齒輪(惰輪)。 3.凸輪軸上置式配氣機構(gòu) 這種配氣機構(gòu)的凸輪軸布置在汽缸蓋上，凸輪軸可直接通過搖臂來驅(qū)動氣 門或凸輪軸直接驅(qū)動氣門，如圖1.5所示，它省去了挺柱和推桿，使往復(fù)運動質(zhì) 量大大減小，因此適合于高速發(fā)動機。捷達王裝用的EA113型發(fā)動機即采用凸 輪軸上置式配氣機構(gòu)。進氣凸輪軸2(見圖1.2)和排氣凸輪軸1 分別驅(qū)動進氣門7 和排氣門6。進氣凸輪軸與排氣凸輪軸分開安裝后，有利于多氣門布置，該發(fā)動 機每個汽缸為5個氣門。氣門數(shù)目越多，發(fā)動機的充氣效率越高(當發(fā)動機轉(zhuǎn)速 達4000r/min時，充氣效率可大于1.0；而當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6000r/min 時，充氣效率 仍不低于0.9)，發(fā)動機功率也就越大。在工作容積不變的條件下，僅僅是單缸氣 門由兩個變成五個，捷達王轎車較普通捷達轎車的功率提高了近40%。 圖 1.4 凸輪軸中置式配氣機構(gòu)圖 1.5 凸輪軸上置式配氣機構(gòu) 2.4 凸輪軸傳動方式 凸輪軸由曲軸帶動旋轉(zhuǎn)，它們之間的傳動方式有齒輪傳動、鏈傳動及齒形 帶傳動等幾種。 1. 齒輪傳動 凸輪軸下置、中置式配氣機構(gòu)大多數(shù)采用圓柱正時齒輪傳動。一般由曲軸 到凸輪軸只需一對正時齒輪傳動，必要時可加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)，減 12 小噪聲和磨損，正時齒輪一般都用斜齒輪并用不同材料制成，曲軸正時齒輪常 用鋼來制造，而凸輪軸正時齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制成。為了保證裝配時配 氣正時，齒輪上都有正時記號，裝配時必須使記號對齊。如解放CA1091 和東風 EQl090E型載貨汽車的配氣機構(gòu)采用齒輪傳動。 2. 鏈傳動和齒形帶傳動 鏈傳動特別適合于凸輪軸上置式配氣機構(gòu)，如圖1.6所示，但其主要問題是 其工作可靠性和耐久性不如齒輪傳動。近年來在高速汽車(一汽奧迪100)發(fā)動機 上還廣泛采用齒形帶代替?zhèn)鲃渔湥鐖D1.7所示。這種傳動對于減小噪聲，減小 結(jié)構(gòu)質(zhì)量與降低成本都有很大好處。齒形帶用氯丁橡膠制成，中間夾有玻璃纖 維以增加強度。 圖 1.6 凸輪軸的鏈傳動裝置 圖 1.7 一汽奧迪的轎車齒形帶傳動裝置 2.5 氣門數(shù)目及排列方式 一般發(fā)動機都采用每缸兩氣門，即一個進氣門和一個排氣門的結(jié)構(gòu)。為了 進一步改善汽缸的換氣性能，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，應(yīng)盡量增大進氣門頭部的 直徑。當汽缸直徑較大，活塞平均線速度較高時，每缸一進一排的氣門結(jié)構(gòu)就 不能保證良好的換氣質(zhì)量，因此，在很多中、高級新型轎車和運動型汽車發(fā)動 機上普遍采用每缸多氣門結(jié)構(gòu)。如天津夏利TJ7100和日本豐田TOYOTA2E 型 汽車發(fā)動機采用每缸三氣門結(jié)構(gòu)；奔馳190E2.3L型發(fā)動機采用每缸四氣門結(jié)構(gòu)； 13 捷達王EA113 型發(fā)動機采用每缸五氣門結(jié)構(gòu)(三個進氣門、二個排氣門)。氣門 數(shù)目的增加，使發(fā)動機的進、排氣通道的橫截面積大大增加，提高了發(fā)動機的 充氣效率，改善了發(fā)動機的動力性能。 當每缸采用兩氣門時，為了使結(jié)構(gòu)簡單，常采用所有氣門沿機體縱向軸線 排成一列的方式。這樣，相鄰兩缸同名氣門就有可能合用一個氣道，并得到較 大的氣道通過截面；另一種方式是將進、排氣門交替布置，每缸單獨占用一個 氣道，這樣有助于汽缸蓋冷卻均勻。柴油機中為避免進氣受到預(yù)熱而影響充氣 效率，把進、排氣道分別置于汽缸蓋的兩側(cè)。汽油機的進、排氣道通常置于汽 缸蓋的同一側(cè)，以便進氣受到排氣的預(yù)熱。當每缸采用四氣門時，氣門排列的 方式有兩種。一種是同名氣門排成兩列，如圖1.8a 所示，由一個凸輪軸通過T 形 驅(qū)動件同時驅(qū)動，并且所有氣門都可以由一根凸輪軸驅(qū)動，又由于兩個氣門串 聯(lián)，會影響進氣門充氣效率且使前后兩排氣門熱負荷不均勻，這種方案不常采 用；另一種是同 名氣門排成一列，如圖1.8b所示，這種結(jié)構(gòu)在組織進氣渦流、保證排氣門及缸 蓋熱負荷均勻等方面都具有相當?shù)膬?yōu)越性，但一般需用兩根凸輪軸。 a. 同名氣門排成兩列 b. 同名氣門排成一列 圖 1.8 每缸四氣門的布置 1-T 形桿 2-氣門尾端的從動盤 14 2.6 氣門間隙 為保證氣門關(guān)閉嚴密，通常發(fā)動機在冷態(tài)裝配時，在氣門桿尾端與氣門驅(qū) 動零件( 搖臂、挺柱或凸輪)之間留有適當?shù)拈g隙，這一間隙稱為氣門間隙。發(fā) 動機工作時，氣門因溫度升高而膨脹。如果氣門及其傳動件之間，在冷態(tài)時無 間隙或間隙過小，則在熱態(tài)下，氣門及其傳動件的受熱膨脹勢必會引起氣門關(guān) 閉不嚴，造成發(fā)動機在壓縮和做功行程中漏氣，從而使功率下降，嚴重時甚至 不易啟動。為了消除這種現(xiàn)象，通常留有適當?shù)臍忾T間隙，以補償氣門受熱后 的膨脹量。氣門間隙的大小由發(fā)動機制造廠根據(jù)試驗確定，一般在冷態(tài)時，進 氣門的間隙為0.25～0.30mm，排氣門的間隙為0.30～0.35mm。氣門間隙過大， 將影響氣門的開啟量，同時在氣門開啟時產(chǎn)生較大的沖擊響聲。為了能對氣門 間隙進行調(diào)整，在搖臂(或挺柱)上裝有調(diào)整螺釘及其鎖緊螺母。一些中、高級 轎車由于裝用液力挺柱，故不預(yù)留氣門間隙。 15 3 配氣相位 1. 配氣相位介紹 配氣相位就是按活塞的工作行程去配置進排氣門的開啟時間。進氣沖程： 活塞從上止點往下止點運動，進氣門開、排氣關(guān)；壓縮沖程：活塞從下止點往 上止點運動，進排氣門關(guān)閉；做功沖程，活塞從上止點往下止點運動，進排氣 門關(guān)閉；排氣沖程，活塞從下止點往上止點運動，進氣門關(guān)，排氣門開。 2. 氣門重疊 進氣門開啟時間早于進氣行程上止點時間叫做進氣門早開。曲軸從進氣門 開到上止點為止所運動過的角度叫進氣提前角 α。進氣門關(guān)閉時間晚于進氣行 程下止點關(guān)閉稱為進氣門晚關(guān)。曲軸從進氣行程下止點出發(fā)到進氣門關(guān)閉結(jié)束 時轉(zhuǎn)過的扇形的圓心角稱作進氣遲后角 β。整個進氣過程所使用的總耗時或進 氣轉(zhuǎn)過扇形的圓心角為 180°+α+β 曲軸轉(zhuǎn)角。一般取 α=0°～30°、β=30°～80°曲 軸轉(zhuǎn)角。 進氣門在進氣開始時需要較大的張開即較大的進氣通過面積，這是進氣門 早開的目的，這可以減小進氣阻力，使進氣暢通。進氣門晚關(guān)則是為了充分利 用氣流的慣性以增加進氣量，為此要在進氣遲后角內(nèi)繼續(xù)進氣。進氣阻力減小 不僅可以提升充氣效率，還可以減少損耗的功率。 排氣門早開就是排氣門在做功行程結(jié)束之前開啟，即開啟時間在做功行 程下止點之前。從排氣門開啟到下止點曲軸轉(zhuǎn)過的扇形的圓心角角度叫排氣提 前角 γ。排氣門晚關(guān)就是排氣門在排氣行程結(jié)束之后的時刻關(guān)閉，即在排氣行 程上止點之后排氣門才關(guān)閉。從上止點到排氣門關(guān)閉，曲軸掃過的扇形的圓心 角角度稱作排氣遲后角 δ。整個排氣過程的總耗時或排氣掃過的扇形的圓心角 為 180°+γ+δ 曲軸轉(zhuǎn)角。一般 γ=40°～80° 、δ=0° ～30° 曲軸轉(zhuǎn)角。 為了提高廢氣的排放效率，就要提高廢氣的排氣速度和縮短廢棄的排氣時 16 間，這就需要排氣門早開的時候缸內(nèi)壓力較強。排氣門開度或排氣通過面積大 幅增大的時候，活塞開始排氣行程，氣缸內(nèi)的壓力也跟著大幅減小，從而減少 抑制排氣的阻礙和降低排氣消耗的功率。為了減少氣缸內(nèi)的殘余廢氣量需要利 用廢氣流動的慣性，排氣門晚關(guān)可以在排氣遲后角內(nèi)排氣以達到上述目的。 氣門重疊產(chǎn)生的原因是進氣門早開和排氣門晚關(guān)，這兩者造成的進氣門和 排氣門同時于行程運動到上止點的時候開啟的現(xiàn)象。氣門重疊角是進氣提前角 α+排氣遲后角 δ，兩者之和，用重疊時候曲軸轉(zhuǎn)過的角度來表示。選擇合適的 氣門重疊角，可以提高充氣效率，使排氣更加徹底。這是因為雖然進排氣門在 一段時間內(nèi)同時開啟，但是這兩者并不會互相干涉，由于吸入的氣體和排出的 氣體都有較大的流動慣性，它們會獨立運行。如果氣門重疊角過大，就會對機 構(gòu)運行不利。例：廢氣流入進氣歧管，這可能是因為進氣提前角過大，后果是 進氣量減少；如果廢氣排出時，排氣遲后角過大，那么新鮮氣體可能會跟著一 同排出。 圖 2.1 配氣定時（配氣相位） 3. 配氣相位的確定 改變配氣相位的因素除了換氣質(zhì)量、泵氣損失、充氣系數(shù)以外，還有另外 17 的幾種，比如扭矩外特性、怠速穩(wěn)定性、有害氣體排放等，必須要經(jīng)由多次實 驗加以校核再進行優(yōu)化。 查找比較相近發(fā)動機配氣相位，可以暫時把幾個參數(shù)定為： 進氣提前角：α=18° ； 進氣遲后角：β=76°； 排氣提前角：γ=59°； 排氣遲后角：δ=25°； 氣門重疊角：α+δ=43°。 18 4 氣門驅(qū)動件的設(shè)計 在進行零件設(shè)計之前，我們將首先討論氣門的通過能力。為保證發(fā)動機氣 缸進氣充分、排氣徹底，在設(shè)計時要求氣門有盡可能大的通過能力。氣門的通 過能力與氣門開啟斷面（ ）息息相關(guān)。f [1] （3-=cos(in2)hfd???? 1） 式中的字母具體表示如圖 3-1 所示。 圖 3-1 氣門頂部的基本尺寸 氣門的開啟與關(guān)閉會持續(xù)一定的時間（ ） ，并且在這段時間內(nèi)氣門斷12t? 面會隨時改變。所以考慮氣門平均通過斷面積 [1] （3-2）21()tmffd??? 對于同樣的氣門，可以用 平均通過斷面（ ）與最大斷面（ ）的比來表征它的通過能力 mfmaxf （3-ax/f?? 19 3） 其中 （3-maxcos(0.5sin2)hfHd????? 4） 式子中 ——時間斷面豐滿系數(shù)；f? ——氣門最大升程。 在其他系數(shù)已定的情況下，想要提高時間斷面豐滿系數(shù)，就必須提高氣門 升程曲線豐滿系數(shù) 。而它的值由凸輪外形而決定，所以本設(shè)計的重點將是改h 善凸輪型線，提高凸輪型線豐滿系數(shù) 。Fm? 這個參數(shù)對于討論氣門的通過能力比較有實際意義。提高發(fā)動機的充氣效 率，是在進行凸輪軸設(shè)計、氣門設(shè)計以及其他配氣機構(gòu)的零件設(shè)計時的不二目 的。下面我們將進行具體零件的設(shè)計。 1. 凸輪軸的設(shè)計 凸輪軸是汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)中重要的零件，汽油機配氣凸輪控制著汽油 機的進氣和排氣過程。較好的配氣凸輪型線不僅可以保證汽油機具有較高的進 氣效率，同時可以減少配氣機構(gòu)的振動和噪聲，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。凸輪軸的 結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工質(zhì)量好壞，直接影響發(fā)動機的性能。 發(fā)動機的充氣性能和動力性能很大程度上取決于凸輪軸輪廓線設(shè)計的好壞。 評價凸輪設(shè)計的好壞通常用凸輪型線豐滿系數(shù)。 （3-00Fmax()tchHd ?????? 5） 式子中 ——挺柱位移；th ——凸輪工作半包角；? ——挺柱最大升程；maxH 20 ——緩沖段高度；0H ——挺柱位移對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角。c? 在設(shè)計中，要求 >0.5 [1]。Fm? 配氣機構(gòu)由很多零件組成，在發(fā)動機的實際工作中，它們會有不同程度的 伸縮，所以在配氣機構(gòu)的傳動鏈中必須要留有一定的間隙。正是由于這個間隙 的存在，使得氣門與傳動件不能同步，氣門就可能在很短的時間內(nèi)從零變到和 從動件相同的速度。落座時也同樣，氣門和從動件脫離自行落座時就會對氣門 座產(chǎn)生猛烈的沖擊，這不僅會發(fā)出噪聲，還會加快氣門和氣門座的損壞。為了 補償氣門間隙，在凸輪實際的工作段前后要設(shè)計緩沖段，以保證氣門在開啟和 落座時速度較小，消除氣門對氣門座的沖擊 [1]。 圖 3-2 凸輪的緩沖段與工作段 因此凸輪的設(shè)計包括兩部分的內(nèi)容，即凸輪緩沖段與工作段的設(shè)計。 3.1.1 凸輪軸緩沖段設(shè)計 在凸輪緩沖段的設(shè)計時，應(yīng)該確定緩沖段的高度 、緩沖段所占的凸輪0H 轉(zhuǎn)角 以及選擇合適的緩沖段函數(shù)。o? 21 緩沖段的高度 應(yīng)該從以下這幾方面考慮。在從動件上升段，當機構(gòu)消0H 除了氣門間隙以后，氣門還不能立即升起，挺柱要進一步升高，使得驅(qū)動機構(gòu) 受壓產(chǎn)生的靜變形抵消氣門彈簧預(yù)緊力后，氣門才能開啟，所以緩沖段的高度 應(yīng)為以下兩項之和：一是用以消除氣門間隙的高度；二是使機構(gòu)變形到氣門剛 開啟的高度。凸輪下降段和上升段的緩沖段高度是相等的，通常 =0.15～0.20mm 。本設(shè)計中取 =0.2mm。0H0H 挺柱在緩沖段上的運動速度應(yīng)在允許范圍之內(nèi)。速度過高，氣門會發(fā)生沖 擊，產(chǎn)生噪聲；速度過低，不能碾碎氣門座上的雜質(zhì)，并且使時間-斷面減小， 所以挺柱的速度 =0.006～0.025mm/° [2]。本設(shè)計中取 =0.015 mm/°。ov ov 緩沖段所占的凸輪轉(zhuǎn)角一般為 =15°～40° [2]。本設(shè)計中取 =30°。o?o? 緩沖段型線的函數(shù)形式有多種。通常使用的有等加速-等速型和余弦型。 對于本設(shè)計中的通用汽油機，選擇等加速-等速型函數(shù)。其特點有：(1) 緩沖段 末端的加速度為零，沖擊和噪聲比較??；(2) 在氣門的上升或降落側(cè)，氣門間 隙和配氣機構(gòu)剛度的變化不會影響挺柱的速度和加速度，對配氣正時的影響也 很小；(3) 緩沖段終點時挺柱升程對凸輪轉(zhuǎn)角的二階、三階導數(shù)皆為零，它與 凸輪基本輪廓線銜接的光滑性較好 [2]。 在實際的生產(chǎn)中，由于安裝誤差、加工誤差、氣門間隙的變化等情況，實 際的氣門開啟或者挺柱移動時刻都不能保證在相對應(yīng)的點上。采用等加速-等速 型緩沖段，只要保證氣門在緩沖段開啟和落座，就能保證其加速度為零。 緩沖段的氣門位移如下： 等加速段： （ ） （3-2tch??01c?? 6） 式子中 ——挺柱升程；t ——凸輪轉(zhuǎn)角；c? ——二次項系數(shù)。 當 時， 。01c?01thH 22 式子中 為二次項系數(shù)， 為等加速段包角。c01? 等速段： （ ） （3-()tochvH???01oc?? 7） 式子中 ——等加速結(jié)束處的氣門位移。01H 當 時， 。c??0th 由已知 =30°， =0.015 mm/°， =0.2mm，并且 ，所以取oov0H01H? =20°。將已知邊界條件帶入上述式子中，得到 =0.05mm， =0.000125。01 1c 所以： 等加速段： （0 20°）20.15t ch??c?? 等速段： （20° 30°）.().t??c 由 EXCEL 計算得出凸輪緩沖段凸輪轉(zhuǎn)角和挺柱位移的關(guān)系，并繪制曲線 圖： 圖 3—3 等加速段的挺柱位移 23 圖 3—4 等速段的挺柱位移 3.1.2 凸輪軸工作段的設(shè)計 凸輪工作段的設(shè)計通常有以下方法： 1、圓弧凸輪，由四段或六段圓弧組成，它的正加速度曲線近似為矩形， 凸輪型線的豐滿系數(shù)高，但是它的加速曲線不連續(xù)，工作中沖擊嚴重。 2、高次方多項式凸輪，它的上升段和下降段相同，在設(shè)計時只需設(shè)計工 作段的一半。由此設(shè)計出的凸輪曲線連續(xù)，沖擊小，正向慣性力小，不易飛脫。 3、低次方組合多項式凸輪，該凸輪型線通常由五段曲線組成，設(shè)計時比 較靈活，時間斷面大，但是三階以上倒數(shù)不連續(xù)，對發(fā)動機工作的平穩(wěn)性有影 響。綜合各方面考慮，本設(shè)計中采用高次方多項式凸輪。 首先，建立高次方程凸輪型線方程，本設(shè)計中采用六項式，建立方程如下： （3-20()()()()()abcdccccthCCC?????????? 8） 在式中 ——挺柱位移；t ——凸輪工作半包角；? ——挺柱位移對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角。c? 24 ， ， ， ， ， 是方程的各項系數(shù)，均未知，需要根據(jù)方程的0C2abcCd 各個邊界條件來求解方程的到。為了保證凸輪在上升段和下降段在最大生成處 連續(xù)，方程第二項的指數(shù)規(guī)定為 2。 ， ， ， 為冪指數(shù)，冪指數(shù)的選取對abcd 凸輪的豐滿程度和凸輪的加速度均有影響。通常來說取較大的冪指數(shù)，可以使 凸輪的升程曲線變豐滿，加速度變小，凸輪外形最小曲率半徑增大，這些對于 減低凸輪磨損，減小接觸應(yīng)力都有很大作用。各冪指數(shù)的關(guān)系 < < 1.5，滿足條件。n? 38 總結(jié) 這學期進行的畢業(yè)設(shè)計，是大學期間最全面也是最后的一次設(shè)計。這次的 畢業(yè)設(shè)計應(yīng)用了我在大學期間學習的專業(yè)學科和英語、計算機等公共學科，是 對我大學期間學習的一個全面檢測。在檢測中，我發(fā)現(xiàn)了自己沒有掌握到或沒 有掌握好的知識，并且通過自己學習，初步了解了并能解決遇到的問題；我也 在設(shè)計時，明白了自己的強項，增強了信心。這次設(shè)計是步入工作崗位前的最 徹底的一次評估，為我以后工作奠定了基礎(chǔ)，因為很多事情都是第一次遇到。 在設(shè)計初期，我收集了有關(guān)內(nèi)燃機配氣機構(gòu)設(shè)計的有關(guān)學術(shù)文章，仔細閱 讀并且寫了文獻綜述。通過閱讀，我從理論上了解了內(nèi)燃機配氣機構(gòu)的工作， 尤其是可變氣門技術(shù)。通過文獻綜述，對我在發(fā)動機設(shè)計的學習做了很好的鋪 墊。接著是外文翻譯，我找了一篇有關(guān)可變凸輪正時的論文，在翻譯過程中， 學習并鞏固了英語詞匯，尤其是汽車專業(yè)英語的了解讓我受益匪淺。在翻譯的 過程中，合理地應(yīng)用了汽車的知識，使翻譯更通順，清晰。 在正式進入到內(nèi)燃機配氣機構(gòu)設(shè)計之初，由于自己的資料不足，在老師的 幫助下找到了對設(shè)計有幫助的資料，通過資料，直觀的認識了設(shè)計，感覺到了 設(shè)計的嚴謹和復(fù)雜。在電腦作圖中我采用的是AutoCAD2007軟件，由于平時很 少電腦作圖，所以在作圖前到圖書館借閱了有關(guān)CAD制圖的書籍，在正式作圖 時方便了許多。在完成所有圖紙的繪制之后，對AutoCAD基本工具能夠熟練掌 握了。 這次設(shè)計還讓我知道了自己學習、自己解決問題的重要性，通過查找相關(guān) 資料，有些問題是可以很好的解決的。同時，請教同學和老師也必不可少，設(shè) 計的東西有共通性，可以通過別人的設(shè)計，更好的完善自己的設(shè)計。 39 參考文獻 [1] 劉樹臣，任寧寧，薛超.單缸汽油機配氣凸輪的改進設(shè)計[J].中國農(nóng)機化， 2012，(6):101-108 [2] 徐儀. 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Design and Development of the Valve Train for a Racing Motorcycle Engine. SAE. 2007，1 40 致謝 走的最快的總是時間，來不及感嘆，大學生活已近尾聲，四年多的努力與 付出，隨著本次論文的完成，將要劃下完美的句號。 本論文設(shè)計在 XX 老師的悉心指導和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇到 具體的寫作過程，論文初稿與定稿無不凝聚著 X 老師的心血和汗水，在我的畢 業(yè)設(shè)計期間，老師為我提供了種種專業(yè)知識上的指導和一些富于創(chuàng)造性的建議， 閻老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度使我深受感動，沒有這樣的幫助和關(guān) 懷和熏陶，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計。在此向 X 老師表示深深的感謝和 崇高的敬意！ 在臨近畢業(yè)之際，我還要借此機會向在這四年中給予我諸多教誨和幫助的 各位老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。不積跬步何以至千里， 各位任課老師認真負責，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運 用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。 同時，在論文寫作過程中，我還參考了有關(guān)的書籍和論文，在這里一并向 有關(guān)的作者表示謝意。 我還要感謝我的同學，在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，你們給了我很多的啟發(fā)， 提出了很多寶貴的意見，對于你們的幫助和支持，在此我表示深深地感謝！