大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析（含CAD圖紙、說明書）
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（開題報(bào)告） 上汽大眾EA888 1.8L 配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
《上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析》
開題報(bào)告
一 選題背景及意義
1.1 配氣機(jī)構(gòu)迅速發(fā)展的原因：
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(dāng)中重要交通工具，對(duì)機(jī)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(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量化和自動(dòng)化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)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(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，會(huì)損害操作者的身心健康，污染環(huán)境。因此必須對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性與低振動(dòng)、低噪聲的要求。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確的預(yù)測(cè)出產(chǎn)品或工程的技術(shù)性能，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場(chǎng)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。為了在工程應(yīng)用中節(jié)約成本、提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，很多廠家已經(jīng)把前期的軟件模擬作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛中是動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲，這類振動(dòng)將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與分析，把動(dòng)態(tài)特性作為設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)常處在高溫、高壓下工作，因此氣門機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)最容易發(fā)生故障的零部件之一。而配氣機(jī)構(gòu)性能的好壞, 直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性, 并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與振動(dòng)產(chǎn)生直接影響。而配氣機(jī)構(gòu)的主要零件氣門既是燃燒室的組成部分，又是氣體進(jìn)、出燃燒室的通道，工作時(shí)需承受很高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，尤其是排氣門，由于經(jīng)常受到高溫燃?xì)獾臎_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(yán)酷。其后果將影響氣缸內(nèi)的換氣質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃燒惡化，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，特別是氣門進(jìn)行深入研究是非常有必要的。
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高, 配氣機(jī)構(gòu)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展過程中的一個(gè)重要而且困難的環(huán)節(jié)。這不只是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的急劇增長(zhǎng), 使機(jī)構(gòu)零件慣性力和振動(dòng)迅速提高,而且還由于發(fā)動(dòng)機(jī)平均有效壓力的增加。因此配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)成為研究小型高速發(fā)動(dòng)機(jī)的重要課題。此外隨著發(fā)動(dòng)機(jī)低排放、高速化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其性能指標(biāo)要求越來越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因此對(duì)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高。
1.2 配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
配氣機(jī)構(gòu)零部件的設(shè)計(jì)要基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境，工作特點(diǎn)，燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的性能的要求，設(shè)計(jì)成本等多方面因素，配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1.1。
圖1.1 配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
1.3 配氣機(jī)構(gòu)的種類：
配氣機(jī)構(gòu)是進(jìn)、排氣門的控制機(jī)構(gòu)，它按照氣缸的工作順序和工作過程的要求，準(zhǔn)時(shí)地開閉進(jìn)、排氣門，向氣缸供給可燃混合氣并及時(shí)排出廢氣。另外，當(dāng)進(jìn)、排氣門關(guān)閉時(shí)，保證氣缸密封，進(jìn)飽排凈。新鮮空氣或可燃混合氣被吸入氣缸愈多，則發(fā)動(dòng)機(jī)可能發(fā)出的功率愈大。新鮮空氣或可燃混合氣充滿氣缸的程度。充氣效率越高，表明進(jìn)入氣缸的新氣越多，可燃混合氣燃燒時(shí)可能放出的熱量也就越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大。
配氣機(jī)構(gòu)可從不同角度來分類。按氣門的布置分為氣門頂置和氣門側(cè)置式；按凸輪軸的布置位置分為下置式、中置式和上置式；按曲軸和凸輪軸的傳動(dòng)方式分為齒輪傳動(dòng)式、鏈條傳動(dòng)式和齒帶傳動(dòng)式；按每氣缸氣門數(shù)目分，有二氣門式和四氣門式等。
各式配氣機(jī)構(gòu)中，按其功用都可分為氣門組和氣門傳動(dòng)組兩大部分。氣門組包括氣門及與之相關(guān)聯(lián)的零件，其組成與配氣機(jī)構(gòu)的型式基本無關(guān)。氣門傳動(dòng)組、是從正時(shí)齒輪開始至推動(dòng)氣門動(dòng)作的所有零件，其組成視配氣機(jī)構(gòu)的形式而有所不同，它的功用是定時(shí)驅(qū)動(dòng)氣門使其開閉。 進(jìn)氣門和排氣門都倒掛在氣缸蓋上。氣門組包括氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座、彈簧座、氣門彈簧、鎖片等零件；氣門傳動(dòng)組一般由搖臂、搖臂軸、推桿、挺柱、凸輪軸和正時(shí)齒輪組成。
氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)的工作情況是：當(dāng)氣缸的工作循環(huán)需要將氣門打開進(jìn)行換氣時(shí)，由曲軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，使凸輪軸上的凸輪凸起部分通過挺柱、推桿、調(diào)整螺釘推動(dòng)搖臂擺轉(zhuǎn)，搖臂的另一端便向下推開氣門，同時(shí)使彈簧進(jìn)一步壓縮。當(dāng)凸輪的凸起部分的頂點(diǎn)轉(zhuǎn)過挺柱以后，便逐漸減小了對(duì)挺柱的推力，氣門在彈簧張力的作用下開度逐漸減小，直至最后關(guān)閉。壓縮和做功行程中，氣門在彈簧張力的作用下嚴(yán)密關(guān)閉。
氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)根據(jù)凸輪軸的位置有以下三種型式：
(1)凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)：凸輪軸裝在曲軸箱內(nèi)，直接由凸輪軸正時(shí)齒輪與曲軸正時(shí)齒輪相嚙合，由曲軸帶動(dòng)。氣門傳動(dòng)組包括上述全部零件，其應(yīng)用最為廣泛。
(2)凸輪軸中置式配氣機(jī)構(gòu)：凸輪軸位于氣缸體的上部。為了減小氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，對(duì)于高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，可將凸輪軸的位置移到氣缸體的上部，由凸輪軸經(jīng)過挺柱直接驅(qū)動(dòng)搖臂而省去推桿。該形式的配氣機(jī)構(gòu)因曲軸與凸輪軸的中心線距離較遠(yuǎn)，一般要在中間加入一個(gè)中間齒輪(惰輪)。
(3)凸輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu)：凸輪軸布置在氣缸蓋上。凸輪軸直接通過搖臂來驅(qū)動(dòng)氣門，沒有挺柱和推桿，使往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量大為減小，對(duì)凸輪軸和氣門彈簧的要求也最低，因此它適用于高速?gòu)?qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)。
凸輪軸下置式 凸輪軸中置式 凸輪軸頂置式
圖1.2 配氣結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式
1.4 配氣機(jī)構(gòu)工作原理
圖1.3凸輪驅(qū)動(dòng)氣門開閉
凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)凸輪的基圓部分與挺柱接觸時(shí)，挺柱不升高，挺柱以上的傳動(dòng)件不動(dòng)作，氣門是關(guān)閉的。當(dāng)凸輪的凸起部分與挺柱接觸時(shí)，便開始將挺柱頂起，于是氣門被打開。當(dāng)凸輪的最大凸起處與挺柱接觸時(shí)，氣門達(dá)到最大開度。隨后，凸輪與挺柱接觸表面的凸起開始逐漸變小，氣門在氣門彈簧的作用下開始上升關(guān)閉，并反向推動(dòng)搖臂等傳動(dòng)桿件，使挺柱下移保持與凸輪接觸。當(dāng)凸輪凸起部分離開挺柱時(shí)，氣門完全關(guān)閉。
二 國(guó)內(nèi)外配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)研究現(xiàn)狀
2.1 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)及技術(shù)特征：
2.1.1頂置凸輪軸技術(shù)
氣門－凸輪式配氣機(jī)構(gòu)具有保證氣缸密封性的優(yōu)點(diǎn)，尤其是進(jìn)排氣門能夠持久地保證燃燒室的密封性，四沖程內(nèi)燃機(jī)大多采用氣門—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)。氣門—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)按氣門布置分為側(cè)置氣門和頂置氣門機(jī)構(gòu)。頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內(nèi)燃機(jī)有較好的性能指標(biāo)，是側(cè)置氣門機(jī)構(gòu)所不能達(dá)到的，故側(cè)置氣門機(jī)構(gòu)己被淘汰。頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)又由凸輪軸的放置位置分成凸輪軸下置型和頂置凸輪軸型。絕大部分柴油機(jī)采用凸輪軸下置型，但這種機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力和振動(dòng)及噪聲，消耗較大的動(dòng)力。目前的趨向是把凸輪軸放在氣門上方，省去了推桿、挺柱，稱頂置凸輪軸型（OHC）；還有些機(jī)構(gòu)將頂置凸輪軸放在氣門室罩里，凸輪直接作用于氣門上，這種機(jī)構(gòu)省去了搖臂，高速時(shí)氣門工作良好，零件慣性力極小，工作平穩(wěn)。頂置凸輪軸型（OHC）又可分成SOHC 型和DOHC 型。前者只用一根凸輪軸來驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門；而后者采用兩根凸輪軸來分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門。這種結(jié)構(gòu)適用于進(jìn)、排氣門呈v 形排列的內(nèi)燃機(jī)。凸輪軸的傳動(dòng)類型有三種：正時(shí)齒輪傳動(dòng)、正時(shí)鏈輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)。其中，正時(shí)齒輪傳動(dòng)主要用于要求長(zhǎng)壽命和大載荷的內(nèi)燃機(jī)，如船用、商用車和賽車內(nèi)燃機(jī)；正時(shí)鏈輪傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于轎車內(nèi)燃機(jī)，一般來說，它比正時(shí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪音?。候?qū)動(dòng)帶傳動(dòng)或齒形帶傳動(dòng)是最新出現(xiàn)的傳動(dòng)方式，主要用于頂置凸輪軸內(nèi)燃機(jī)上。
2.1.2多氣門技術(shù)
配氣機(jī)構(gòu)的最新發(fā)展是改善燃料經(jīng)濟(jì)性，其關(guān)鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，多氣門內(nèi)燃機(jī)很早就已經(jīng)出現(xiàn)了，但僅用于賽車，目的是減輕排氣門的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，但并未能在內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)得到推廣。意大利布加奇公司首先創(chuàng)出具有四個(gè)排氣門和一個(gè)進(jìn)氣門的內(nèi)燃機(jī)。促進(jìn)多氣門內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)量迅速提高的原因在于自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和生產(chǎn)的工藝水平越來越高，可以充分發(fā)揮多氣門配氣方案的優(yōu)越性，保證內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)負(fù)荷和速度范圍內(nèi)形成最佳混合氣，并適時(shí)適度送入氣缸。多氣門內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，如圖2用2個(gè)進(jìn)氣門取代1個(gè)進(jìn)氣門，流通截面加大30%～35%以上，可大大改進(jìn)充氣系數(shù)。因此，多氣門內(nèi)燃機(jī)可以提高功率。4氣門內(nèi)燃機(jī)曲軸在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩一般比2氣門內(nèi)燃機(jī)大10%～15%，高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大10%～20%。多氣門內(nèi)燃機(jī)不僅可以提高內(nèi)燃機(jī)功率，還可以降低燃油消耗，減少排污。據(jù)分析，4氣門內(nèi)燃機(jī)燃油消耗比2氣門內(nèi)燃機(jī)燃油消耗低6%～8%。
圖2.1 頂置凸輪多氣門技術(shù) 圖2.2可變氣門正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)
2.1.3可變配氣定時(shí)及氣門升程技術(shù)
常規(guī)內(nèi)燃機(jī)配氣相位都是按內(nèi)燃機(jī)性能要求，通過試驗(yàn)確定某一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下較為適合的配氣相位，自然只達(dá)到一種轉(zhuǎn)速最為有利。然而為了在更大的曲軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高功率指標(biāo)，降低燃料消耗，現(xiàn)代多氣門內(nèi)燃機(jī)氣門開啟相位可以改變、升程也可以改變，稱作可變氣門運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)（VVT）。通過這套機(jī)構(gòu)對(duì)配氣過程的調(diào)節(jié)和控制，低、中轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度低，氣流動(dòng)力學(xué)特性差，因而要求“縮小”相位重疊角，以減少工作混合氣倒流，保證低、中轉(zhuǎn)速時(shí)扭矩曲線形狀較好，可顯著地降低燃油消耗率。在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度快，氣流動(dòng)力學(xué)特性好，因而要求“放大”相位重疊角，廢氣排放徹底，進(jìn)氣量充分，可相應(yīng)增加內(nèi)燃機(jī)扭矩。顯然，采用這一機(jī)構(gòu)，可提高內(nèi)燃機(jī)性能、降低污染、改善怠速性能?？勺兣錃饧夹g(shù)，從大類上分，包括可變氣門正時(shí)和可變氣門行程兩大類，有些發(fā)動(dòng)機(jī)只匹配可變氣門正時(shí)，如豐田的VVT-i 發(fā)動(dòng)機(jī)；有些發(fā)動(dòng)機(jī)只匹配了可變氣門行程，如本田的VTEC；有些發(fā)動(dòng)機(jī)既匹配的可變氣門正時(shí)又匹配的可變氣門行程，如豐田的VVTL-i，本田的i-VTEC，通過這套系統(tǒng)的控制，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠根據(jù)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣調(diào)整。實(shí)現(xiàn)可變氣門技術(shù)有多種途徑，按照有無凸輪軸可分為基于凸輪軸的可變氣門機(jī)構(gòu)和無凸輪軸的可變氣門機(jī)構(gòu)2 類。傳統(tǒng)氣門控制技術(shù)都是由凸輪軸機(jī)械推動(dòng)的，電磁氣門控制技術(shù)采用由電磁驅(qū)動(dòng)的組件推動(dòng)氣門，根據(jù)ECU 需要進(jìn)行動(dòng)作，這也正是VTEC 等氣門控制技術(shù)追求的最高境界。
2.2 配氣機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：
配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分，其性能好壞對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)有著很重要的影響。配氣機(jī)構(gòu)的作用是按照內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)與工作順序的要求，控制新鮮氣體及時(shí)地進(jìn)入氣缸，同時(shí)排除燃燒后的廢氣。一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是否優(yōu)越，工作是否可靠，噪音與振動(dòng)能否控制在較低的限度，常常與其配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理有密切關(guān)系。設(shè)計(jì)合理的配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)具有良好的換氣性能，進(jìn)氣充分，排氣徹底，即具有較大的時(shí)面值，泵氣損失小，配氣正時(shí)恰當(dāng)。與此同時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力性能，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音較小，不發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊磨損等現(xiàn)象，這就要求配氣機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件具有良好的運(yùn)動(dòng)加速度變化規(guī)律，以及合適的正、負(fù)加速度值。隨著汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)也提出了更高的要求，其相關(guān)新技術(shù)也得到了發(fā)展。
隨著內(nèi)燃機(jī)高功率、高速化發(fā)展，人們對(duì)其性能指標(biāo)的要求更高，這給配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及制造工藝增加了難度。目前廣泛采用的是氣門－凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，它具有保證氣缸密封性的優(yōu)點(diǎn)。配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容歸納起來主要有兩個(gè)方面，一方面是零部件的設(shè)計(jì)，包括凸輪型線，氣門搖臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，氣門彈簧及氣門等零部件的設(shè)計(jì)，其中又以凸輪型線的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，這是因?yàn)橥馆喿鳛檎麄€(gè)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，它直接控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。另一方面是機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題，而對(duì)于機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的研究，又主要集中在氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上。國(guó)外對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時(shí)等的研究有一些報(bào)道。國(guó)內(nèi)也在致力于研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱副的動(dòng)力潤(rùn)滑、非對(duì)稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：?
（1）設(shè)計(jì)了許多性能優(yōu)良的凸輪型線；?
（2）配氣機(jī)構(gòu)由剛性設(shè)計(jì)發(fā)展為彈性設(shè)計(jì)；?
（3）由孤立研究凸輪設(shè)計(jì)發(fā)展到配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。?
內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪的研究已經(jīng)涉及到配氣機(jī)構(gòu)性能的各個(gè)方面，包括型線、挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、氣門振動(dòng)模型、挺柱與凸輪的接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力等。在研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱副的動(dòng)力潤(rùn)滑、非對(duì)稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等方面上，國(guó)內(nèi)外都有很大的發(fā)展。
2.3 配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)
2.3.1配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
配氣凸輪是影響配氣機(jī)構(gòu)工作狀況的關(guān)鍵零件，如何設(shè)計(jì)和加工出具有合理外形的凸輪軸是整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的問題。對(duì)內(nèi)燃機(jī)氣門通過能力的要求，實(shí)際上是對(duì)由凸輪外形所決定的氣門位移規(guī)律的要求，氣門開閉迅速就能增大時(shí)面值，但這將導(dǎo)致氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的加速度和慣性負(fù)荷增大，沖擊、振動(dòng)加劇，機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性變差。因此，對(duì)氣門通過能力的要求與機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性的要求間存在一定矛盾，應(yīng)視所設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速、性能要求、配氣機(jī)構(gòu)剛度大小等，主要在凸輪外形設(shè)計(jì)中兼顧解決。配氣凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在確保配氣機(jī)構(gòu)能可靠工作的前提下尋求最佳的凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)。凸輪型線的設(shè)計(jì)己從靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)展到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖2.3、圖2.4 分別為雙質(zhì)量運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形，可更精確地描述配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并統(tǒng)一考慮機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與凸輪型線，從而實(shí)現(xiàn)凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖2.3 簡(jiǎn)化閥系雙質(zhì)量運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 圖2.4 配氣機(jī)構(gòu)多自由度動(dòng)力學(xué)模型
2.3.2配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化前景
從現(xiàn)階段研究方向來看，配氣機(jī)構(gòu)中氣門數(shù)目呈現(xiàn)多起門化，氣門及其他配氣機(jī)構(gòu)零件材料向著陶瓷方向發(fā)展，氣門彈簧的設(shè)計(jì)趨向于基于各種算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)；由于發(fā)動(dòng)機(jī)緊湊性的要求，氣門傳動(dòng)組的發(fā)展趨向于頂置凸輪軸式的發(fā)動(dòng)機(jī)；配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，凸輪型線的設(shè)計(jì)正在從靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)步入到系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，而動(dòng)力學(xué)分析也從最初的單質(zhì)量動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展到多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)。
三 課題研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案
3.1研究?jī)?nèi)容
1、收集上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)資料，并對(duì)其進(jìn)行整理分析；
2、根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合文獻(xiàn)資料進(jìn)行選型以及方案設(shè)計(jì)；
3、完成所有參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)作強(qiáng)度校核；
4、整理零件數(shù)據(jù)；
5、繪制相應(yīng)的零件圖，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的撰寫；
6、建總成三維模型，并對(duì)配氣機(jī)構(gòu)做仿真分析。
3.2實(shí)驗(yàn)方案
1.檢索文獻(xiàn)資料，市場(chǎng)調(diào)研，了解配氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)與使用情況；
2.進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)（凸輪、軸、氣門等）的結(jié)構(gòu)方案分析，確定該汽車配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式；
3.根據(jù)功能要求，進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)總體布置設(shè)計(jì)：根據(jù)性能要求，分析確定凸輪型線類型、凸輪的外形尺寸、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析和氣門彈簧的彈簧力，并進(jìn)行相關(guān)的性能分析計(jì)算；
4.根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)總體布置設(shè)計(jì)的結(jié)果以及零件的功能與性能要求，進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)零件的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)；
5.根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)零件圖，繪制配氣機(jī)構(gòu)裝配圖；
6. 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。
四 本論文（設(shè)計(jì)）的目標(biāo)及工作進(jìn)度?
4.1 目標(biāo)
具體來說，為保證配氣機(jī)構(gòu)有良好的工作性能，需要滿足下列要求：?
1. 設(shè)置節(jié)氣門、進(jìn)氣管，使空氣進(jìn)入配氣機(jī)構(gòu)；?
2. 設(shè)置凸輪軸，按照發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的做工次序、各缸工作循環(huán)和配齊相位的要求，定時(shí)開啟和關(guān)閉各缸進(jìn)、排氣門；
3. 設(shè)置排氣管，三元催化器，使發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣可以排出；?
4. 使發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的充氣系數(shù)；
5. 具有良好的可靠性和耐久性；?
6. 振動(dòng)和噪聲小。
4.2 工作進(jìn)度安排
11月21日~ 1月11日：收集相關(guān)上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的技術(shù)資料，并對(duì)其整理分析；
1月12日 ~ 1月31日：據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成配氣機(jī)構(gòu)選型以及方案初步設(shè)計(jì)；
2月1日 ~ 2月20日：完成參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算并校核；
2月21日 ~ 3月1日：繪制總成裝配圖以及配氣機(jī)構(gòu)零件圖；
3月2日 ~ 3月11日：編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；
3月12日 ~ 3月20日：完成論文初稿，并交系里老師中期檢查；
3月21日 ~ 4月15日：修改完善論文，完成二稿、終稿并交至系里檢查；
4月16日 ~ 4月21日：制作PPT，進(jìn)行答辯準(zhǔn)備。
參考文獻(xiàn)
[1] 徐兆坤.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].清華大學(xué)出版社 2010.
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[3] 王望予.汽車設(shè)計(jì)（第四版）[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2004.
[8] 錢楊,陳燕,余啟志.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)AutoCAD第二版[M].上海交通大學(xué)出版社 2012.
[5] 董雨棻.汽車配氣機(jī)構(gòu)調(diào)整與故障排除[M]. 四川科學(xué)技術(shù)出版社,1999.
[6] 楊勝,林超剛.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016,(6).
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[8] 濮良貴,陳國(guó)定,吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì) 第九版[M].高等教育出版社 2013.
[9] 王昆,何小柏,汪信遠(yuǎn).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社.2010.
[10] Krzysztof Siczek.Tribological Processes in the Valve Train Systems with Lightweight Valves[M].2016.
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15
畢業(yè)設(shè)計(jì)（畢業(yè)論文）任務(wù)書
學(xué) 院
汽車工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（中美合作）
班級(jí)學(xué)號(hào)
學(xué) 生
指導(dǎo)教師
題目
上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)
設(shè)計(jì)與分析
任務(wù)規(guī)定
進(jìn)行日期 自2016年 11 月 21 日起，至2017年4月21日止
2
一、題目來源、目的、意義
來源：本課題為設(shè)計(jì)類題目。
目的：通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際工作能力以及考察其對(duì)專業(yè)知識(shí)的了
解程度。
意義：發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析需要綜合運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)，可以
對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面訓(xùn)練，充分鍛煉學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生
掌握收集資料，借鑒他人成果的方法；熟悉并掌握發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
的一般過程； 掌握技術(shù)方案的分析、比較、取舍與綜合方法；掌握方案設(shè)計(jì)
方法以及掌握工程設(shè)計(jì)方法。
二、主要工作內(nèi)容
1、收集上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)文獻(xiàn)資料，并對(duì)其進(jìn)行整理
分析；
2、根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合文獻(xiàn)資料進(jìn)行選型以及方案設(shè)計(jì)；
3、完成所有參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算并對(duì)作強(qiáng)度校核；
4、整理零件數(shù)據(jù)；
5、繪制相應(yīng)的零件圖，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的撰寫；
6、建總成三維模型，并對(duì)配氣機(jī)構(gòu)做仿真分析。
三、主要技術(shù)指標(biāo)（或主要論點(diǎn)）
缸徑：82.5mm
活塞行程：84.1mm
壓縮比：9.6
最大功率：118kW（160PS）@ 5000-6200rpm
最大扭矩：250Nm @ 1500-4500rpm
四、進(jìn)度計(jì)劃
11月21日 ~1月11日：收集相關(guān)上汽榮威發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)資料，并對(duì)其整理分
析；
1月12日 ~ 1月31日：據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)完成活塞連桿組選型以及方案初步設(shè)計(jì)；
2月1日 ~ 2月20日：完成參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算并校核；
2月21日 ~ 3月1日：繪制總成裝配圖以及活塞連桿組零件圖；
3月2日 ~ 3月11日：編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書；
3月12日 ~ 3月20日：完成論文初稿，并交系里老師中期檢查；
3月21日 ~ 4月15日：修改完善論文，完成二稿、終稿并交至系里檢查；
4月16日 ~ 4月21日：制作PPT，進(jìn)行答辯準(zhǔn)備。
五、主要參考資料（外文資料至少一篇）
[1] 劉錚 王建昕《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理教程》[M].清華大學(xué)出版社 2001年
[2] 郭新華《汽車構(gòu)造》[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2004年．
[3] 王望予《汽車設(shè)計(jì)（第四版）》[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2004年
[4] 席振鵬《機(jī)械CAD基礎(chǔ)教程》[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2007年
[5] 董雨棻《汽車配氣機(jī)構(gòu)調(diào)整與故障排除》[M]. 四川科學(xué)技術(shù)出版社 , 1999年
[6] 楊勝;林超剛《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究》[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016,(第6期).
[7] 吳宗澤，羅圣國(guó)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3版）》[M].高等教育出版社.
[8] M. Azadi, A. Mafi, M. Roozban, F. Moghaddam . 《 Journal of Failure Analysis and Prevention》[J]., 2012, Vol.12 (3), pp.286-294
六、系審批意見
系主任（簽名）:
七、院領(lǐng)導(dǎo)審核意見
院領(lǐng)導(dǎo)（簽名）:
八、學(xué)生實(shí)際完成日期 九、同組設(shè)計(jì)（論文）者
3
2016 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）立題審核表
學(xué)院
汽車工程學(xué)院
專業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（中美合作）
班級(jí)
指導(dǎo)教師
職稱
題目名稱
上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
題目類型
設(shè)計(jì)■論文□
題目性質(zhì)
模擬題□ 實(shí)際題■ 科研題□
完成周數(shù)
18
1. 題目來源、目的、意義
來源：本課題為設(shè)計(jì)類題目
目的：通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際工作能力以及考察其對(duì)專業(yè)知識(shí)的了解程度。
意義：發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析需要綜合運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)，可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面訓(xùn)練，充分鍛煉學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握收集資料，借鑒他人成果的方法；熟悉并掌握發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的一般過程； 掌握技術(shù)方案的分析、比較、取舍與綜合方法；掌握方案設(shè)計(jì)方法以及掌握工程設(shè)計(jì)方法。
2. 主要工作內(nèi)容
通過課題使所學(xué)的基礎(chǔ)課知識(shí)，專業(yè)基礎(chǔ)課知識(shí)和專業(yè)課知識(shí)能理論聯(lián)系實(shí)際，進(jìn)行綜合運(yùn)用，對(duì)上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，以及校核分析。培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。
本課題需要參考文獻(xiàn)不少于50篇，其中外文參考文獻(xiàn)至少1篇，翻譯外文資料單詞不少于5000個(gè)。
3. 主要參考資料(資料名稱、刊物名稱、年(卷)期號(hào))
[1] 劉錚 王建昕《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理教程》[M].清華大學(xué)出版社 2001年
[2] 郭新華《汽車構(gòu)造》[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2004年
[3] 王望予《汽車設(shè)計(jì)（第四版）》[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社 2004年
[4] 席振鵬《機(jī)械CAD基礎(chǔ)教程》[M]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 2007年
[5] 董雨棻《汽車配氣機(jī)構(gòu)調(diào)整與故障排除》[M]. 四川科學(xué)技術(shù)出版社 , 1999年
[6] 楊勝;林超剛《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究》[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016,(第6期).
[7] 吳宗澤，羅圣國(guó)《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)（第3版）》[M].高等教育出版社. 2006年
[8] M. Azadi, A. Mafi, M. Roozban, F. Moghaddam . 《 Journal of Failure Analysis and Prevention》[J]., 2012, Vol.12 (3), pp.286-294
4. 系(教研室)討論意見
負(fù)責(zé)人： 日期：
5. 學(xué)院審核意見
負(fù)責(zé)人： 日期：
1 摘 要 配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)里非常重要的機(jī)構(gòu)之一，它的設(shè)計(jì)的合理性決定著內(nèi) 燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等方面的性能，它的功能主要就是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況的不 斷變化及時(shí)的關(guān)閉和開啟氣門，使充氣系數(shù)足夠高，保證換氣狀況良好。一臺(tái) 內(nèi)燃機(jī)能否穩(wěn)定可靠的工作，噪聲與振動(dòng)是否控制在較低的水平，都與其配氣 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理有著密切的聯(lián)系。 本文對(duì)同類型的內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)研究，通過對(duì)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念 的分析，設(shè)計(jì)出了一款 EA888 汽油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的工作環(huán)境需求， 以及頂置式配氣機(jī)構(gòu)的配氣相位具有準(zhǔn)確以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用 了頂置式的配氣機(jī)構(gòu)。凸輪采用了等速等加速的緩沖段以及圓弧凸輪的工作段 型線。 關(guān)鍵詞：凸輪軸，凸輪型線，氣門彈簧，搖臂 2 ABSTRACT As one of the important mechanism in internal combustion engine valve mechanism, the design rationality determines the performance of power, economy and other aspects of the internal combustion engine, its main function is according to the changing conditions of the internal combustion engine timely opening and closing of the valve, the inflation coefficient is high enough to ensure good ventilation conditions. 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 充氣效率 ........................................................................................................5 1.2 配氣機(jī)構(gòu)布置形式 ........................................................................................6 1.3 凸輪軸布置形式 ............................................................................................9 1.4 凸輪軸傳動(dòng)方式 ..........................................................................................10 1.5 氣門數(shù)目及排列方式 ..................................................................................11 1.6 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(dòng)件的設(shè)計(jì) ..............................................................................................17 3.1 凸輪軸的設(shè)計(jì) ..............................................................................................18 3.1.1 凸輪軸緩沖段設(shè)計(jì) ........................................................................................19 3.1.2 凸輪軸工作段的設(shè)計(jì) ....................................................................................21 3.1.3 凸輪軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) ....................................................................................24 4 氣門組件的設(shè)計(jì) ..................................................................................................26 4.1 氣門設(shè)計(jì) ......................................................................................................26 4.1.1 進(jìn)氣門設(shè)計(jì) ....................................................................................................27 4.1.2 排氣門設(shè)計(jì) ....................................................................................................28 4.2 氣門座的設(shè)計(jì) ..............................................................................................28 4.2.1 氣門座設(shè)計(jì)的重要性 ....................................................................................28 4.2.2 氣門座的材料與尺寸 ....................................................................................29 4.3 氣門導(dǎo)管設(shè)計(jì) ..............................................................................................29 4.3.1 氣門導(dǎo)管的作用 ............................................................................................29 4.3.2 氣門導(dǎo)管的材料與尺寸 ................................................................................30 4.4 氣門彈簧設(shè)計(jì) ..............................................................................................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 氣門彈簧疲勞強(qiáng)度校核 ................................................................................33 總結(jié) ..............................................................................................................................35 4 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................36 5 1 概述 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)每一汽缸內(nèi)進(jìn)行的工作循環(huán)順序，定 時(shí)地開啟和關(guān)閉各汽缸的進(jìn)、排氣門，以保證新鮮可燃混合氣(汽油機(jī))或空氣 (柴油機(jī) )得以及時(shí)進(jìn)入汽缸并把燃燒后生成的廢氣及時(shí)排出汽缸。 配氣機(jī)構(gòu)主要分為氣門配氣和氣口配氣兩種。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用氣門配 氣機(jī)構(gòu)。配氣機(jī)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(dòng)方式可分為齒輪傳動(dòng)式、鏈條傳動(dòng)式和齒形帶傳動(dòng)式；按每個(gè)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。 1.1 充氣效率 為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)汽缸排氣徹底，進(jìn)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(jìn)汽缸越多，則發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣過程中，實(shí)際進(jìn)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(jìn)氣過程中，實(shí)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。 充氣效率 是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)換氣質(zhì)量的參數(shù)。充氣效率越高，表明進(jìn)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(shí)可能放出的熱量越 大，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率也就越大。對(duì)于一定工作容積的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，充氣效率 6 與進(jìn)氣終了時(shí)汽缸內(nèi)的壓力和溫度有關(guān)。此時(shí)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(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)氣流的阻力造成進(jìn) 氣終了時(shí)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(duì)進(jìn)入汽缸內(nèi)的新鮮氣體加熱，使進(jìn)氣終 了時(shí)氣體的溫度升高，實(shí)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(dòng)機(jī)充氣效率的因素很多，就配氣機(jī)構(gòu)而言，要求其結(jié)構(gòu)有 利于減小進(jìn)氣和排氣的阻力，進(jìn)、排氣門的開啟時(shí)刻和持續(xù)開啟的時(shí)間應(yīng)適當(dāng)， 使吸氣和排氣過程盡可能充分，使充氣效率得以提高。 1.2 配氣機(jī)構(gòu)布置形式 1. 氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu) 氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的一種配氣機(jī)構(gòu)形式，其進(jìn)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 3.1 所示。其組成主要包 括氣門導(dǎo)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(shí)齒輪 16 等。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸通 過正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)到凸輪的凸起部分頂起挺柱 14 時(shí)， 通過推桿 13 和調(diào)整螺釘 12 使搖臂 10 繞搖臂軸 9 擺動(dòng)，壓縮氣門彈簧，使氣 門離座，即氣門開啟。當(dāng)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。 7 圖 1.1 氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu) 1—汽缸蓋 2—?dú)忾T導(dǎo)管 3—?dú)忾T 4—?dú)忾T主彈簧 5—?dú)忾T副彈簧 6 一氣門彈簧座 7—鎖 片 8—?dú)忾T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(shí)齒輪 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，各缸進(jìn)、排氣門各開 啟一次，此時(shí)凸輪軸只旋轉(zhuǎn)一周，因此曲軸與凸輪軸的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)比為 2：1。 氣門頂置式發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。因此，目前國(guó)內(nèi)外汽車 發(fā)動(dòng)機(jī)中絕大多數(shù)都采用氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)。 一汽奧迪 100、紅旗 CA7220、捷達(dá)/高爾夫、上海桑塔納、神龍富康和天 津夏利等型轎車及解放 CAl091、東風(fēng) EQl090E 型載貨汽車發(fā)動(dòng)機(jī)均采用氣門 頂置式配氣機(jī)構(gòu)。 捷達(dá)王 EA113 型發(fā)動(dòng)機(jī)氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)的布置如圖 1.2 所示。發(fā)動(dòng)機(jī) 工作時(shí)，曲軸通過曲軸齒形帶驅(qū)動(dòng)排氣凸輪軸 1，排氣凸輪軸再通過傳動(dòng)鏈 3 驅(qū)動(dòng)進(jìn)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(jìn) 氣或排氣行程。 8 圖 1.2 捷達(dá)王轎車 EAll3 型發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)零件圖 1—排氣凸輪軸 2—進(jìn)氣凸輪軸 3—傳動(dòng)鏈 4—液壓鏈張 緊器 5—汽缸蓋 6—排氣門 7—進(jìn)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(jī)構(gòu) 氣門側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是進(jìn)、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(jiǎn)化了配氣機(jī)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(jìn)氣彎道多，進(jìn)氣流動(dòng)阻力增大，因 而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性較差，目前這種形式的配氣機(jī)構(gòu)已被淘汰。 9 圖1.3氣門側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu) 1—汽缸蓋 2—汽缸墊 3—?dú)忾T 4—?dú)忾T導(dǎo)管 5—汽缸體 6—?dú)忾T彈簧 7—汽缸壁 8—?dú)忾T彈簧座 9—鎖銷 10—調(diào) 整螺釘 11—鎖緊螺母 12—挺柱 13—挺柱導(dǎo)管 14—凸輪軸 1.3 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(jī)構(gòu)，而氣門側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸只能下置。 1.凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu) 凸輪軸由曲軸通過正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)，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(jī)構(gòu)，如圖1.1、 圖1.3所示。這種方案?jìng)鲃?dòng)簡(jiǎn)單，一般都采用齒輪傳動(dòng)。 2.凸輪軸中置式配氣機(jī)構(gòu) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，為減小氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)搖臂，而省去推桿，這種結(jié)構(gòu) 稱為凸輪軸中置式配氣機(jī)構(gòu)，如圖1.4所示。這種方案大多采用齒輪傳動(dòng)，但凸 10 輪軸的中心線距離曲軸中心線較遠(yuǎn)，需加中間齒輪(惰輪)。 3.凸輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu) 這種配氣機(jī)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(dòng)氣 門或凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)氣門，如圖1.5所示，它省去了挺柱和推桿，使往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì) 量大大減小，因此適合于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。捷達(dá)王裝用的EA113型發(fā)動(dòng)機(jī)即采用凸 輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu)。進(jìn)氣凸輪軸2(見圖1.2)和排氣凸輪軸1 分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣門7 和排氣門6。進(jìn)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(dòng) 機(jī)每個(gè)汽缸為5個(gè)氣門。氣門數(shù)目越多，發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率越高(當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 達(dá)4000r/min時(shí)，充氣效率可大于1.0；而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000r/min 時(shí)，充氣效率 仍不低于0.9)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)變成五個(gè)，捷達(dá)王轎車較普通捷達(dá)轎車的功率提高了近40%。 圖 1.4 凸輪軸中置式配氣機(jī)構(gòu)圖 1.5 凸輪軸上置式配氣機(jī)構(gòu) 1.4 凸輪軸傳動(dòng)方式 凸輪軸由曲軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，它們之間的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)及齒形 帶傳動(dòng)等幾種。 1. 齒輪傳動(dòng) 凸輪軸下置、中置式配氣機(jī)構(gòu)大多數(shù)采用圓柱正時(shí)齒輪傳動(dòng)。一般由曲軸 到凸輪軸只需一對(duì)正時(shí)齒輪傳動(dòng)，必要時(shí)可加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)，減 11 小噪聲和磨損，正時(shí)齒輪一般都用斜齒輪并用不同材料制成，曲軸正時(shí)齒輪常 用鋼來制造，而凸輪軸正時(shí)齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制成。為了保證裝配時(shí)配 氣正時(shí)，齒輪上都有正時(shí)記號(hào)，裝配時(shí)必須使記號(hào)對(duì)齊。如解放CA1091 和東風(fēng) EQl090E型載貨汽車的配氣機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)。 2. 鏈傳動(dòng)和齒形帶傳動(dòng) 鏈傳動(dòng)特別適合于凸輪軸上置式配氣機(jī)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(dòng)。近年來在高速汽車(一汽奧迪100)發(fā)動(dòng)機(jī) 上還廣泛采用齒形帶代替?zhèn)鲃?dòng)鏈，如圖1.7所示。這種傳動(dòng)對(duì)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(qiáng)度。 圖 1.6 凸輪軸的鏈傳動(dòng)裝置 圖 1.7 一汽奧迪的轎車齒形帶傳動(dòng)裝置 1.5 氣門數(shù)目及排列方式 一般發(fā)動(dòng)機(jī)都采用每缸兩氣門，即一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門的結(jié)構(gòu)。為了 進(jìn)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(jìn)氣門頭部的 直徑。當(dāng)汽缸直徑較大，活塞平均線速度較高時(shí)，每缸一進(jìn)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(jí)新型轎車和運(yùn)動(dòng)型汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)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(dòng)機(jī)采用每缸三氣門結(jié)構(gòu)；奔馳190E2.3L型發(fā)動(dòng)機(jī)采用每缸四氣門結(jié)構(gòu)； 12 捷達(dá)王EA113 型發(fā)動(dòng)機(jī)采用每缸五氣門結(jié)構(gòu)(三個(gè)進(jìn)氣門、二個(gè)排氣門)。氣門 數(shù)目的增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣通道的橫截面積大大增加，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的 充氣效率，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。 當(dāng)每缸采用兩氣門時(shí)，為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常采用所有氣門沿機(jī)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(gè)氣道，并得到較 大的氣道通過截面；另一種方式是將進(jìn)、排氣門交替布置，每缸單獨(dú)占用一個(gè) 氣道，這樣有助于汽缸蓋冷卻均勻。柴油機(jī)中為避免進(jìn)氣受到預(yù)熱而影響充氣 效率，把進(jìn)、排氣道分別置于汽缸蓋的兩側(cè)。汽油機(jī)的進(jìn)、排氣道通常置于汽 缸蓋的同一側(cè)，以便進(jìn)氣受到排氣的預(yù)熱。當(dāng)每缸采用四氣門時(shí)，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(gè)凸輪軸通過T 形 驅(qū)動(dòng)件同時(shí)驅(qū)動(dòng)，并且所有氣門都可以由一根凸輪軸驅(qū)動(dòng)，又由于兩個(gè)氣門串 聯(lián)，會(huì)影響進(jìn)氣門充氣效率且使前后兩排氣門熱負(fù)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(jìn)氣渦流、保證排氣門及缸 蓋熱負(fù)荷均勻等方面都具有相當(dāng)?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(dòng)盤 13 1.6 氣門間隙 為保證氣門關(guān)閉嚴(yán)密，通常發(fā)動(dòng)機(jī)在冷態(tài)裝配時(shí)，在氣門桿尾端與氣門驅(qū) 動(dòng)零件( 搖臂、挺柱或凸輪)之間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，這一間隙稱為氣門間隙。發(fā) 動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門因溫度升高而膨脹。如果氣門及其傳動(dòng)件之間，在冷態(tài)時(shí)無 間隙或間隙過小，則在熱態(tài)下，氣門及其傳動(dòng)件的受熱膨脹勢(shì)必會(huì)引起氣門關(guān) 閉不嚴(yán)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮和做功行程中漏氣，從而使功率下降，嚴(yán)重時(shí)甚至 不易啟動(dòng)。為了消除這種現(xiàn)象，通常留有適當(dāng)?shù)臍忾T間隙，以補(bǔ)償氣門受熱后 的膨脹量。氣門間隙的大小由發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠根據(jù)試驗(yàn)確定，一般在冷態(tài)時(shí)，進(jìn) 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(shí)在氣門開啟時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊響聲。為了能對(duì)氣門 間隙進(jìn)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(jí) 轎車由于裝用液力挺柱，故不預(yù)留氣門間隙。 14 2 配氣相位 2.1 配氣相位介紹 配氣相位就是按活塞的工作行程去配置進(jìn)排氣門的開啟時(shí)間。進(jìn)氣沖程： 活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣門開、排氣關(guān)；壓縮沖程：活塞從下止點(diǎn)往 上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣門關(guān)閉；做功沖程，活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣 門關(guān)閉；排氣沖程，活塞從下止點(diǎn)往上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣門關(guān)，排氣門開。 2.2 氣門重疊 進(jìn)氣門開啟時(shí)間早于進(jìn)氣行程上止點(diǎn)時(shí)間叫做進(jìn)氣門早開。曲軸從進(jìn)氣門 開到上止點(diǎn)為止所運(yùn)動(dòng)過的角度叫進(jìn)氣提前角 α。進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間晚于進(jìn)氣行 程下止點(diǎn)關(guān)閉稱為進(jìn)氣門晚關(guān)。曲軸從進(jìn)氣行程下止點(diǎn)出發(fā)到進(jìn)氣門關(guān)閉結(jié)束 時(shí)轉(zhuǎn)過的扇形的圓心角稱作進(jìn)氣遲后角 β。整個(gè)進(jìn)氣過程所使用的總耗時(shí)或進(jìn) 氣門轉(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(jìn)氣門在進(jìn)氣開始時(shí)需要較大的張開即較大的進(jìn)氣通過面積，這是進(jìn)氣門 早開的目的，這可以減小進(jìn)氣阻力，使進(jìn)氣暢通。進(jìn)氣門晚關(guān)則是為了充分利 用氣流的慣性以增加進(jìn)氣量，為此要在進(jìn)氣遲后角內(nèi)繼續(xù)進(jìn)氣。進(jìn)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。 排氣門早就是排氣門在做功行程結(jié)束之前門開啟，即開啟時(shí)間在做功行 程下止點(diǎn)之前。從排氣門開啟到下止點(diǎn)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(shí)刻關(guān)閉，即在排氣行 程上止點(diǎn)之后排氣門才關(guān)閉。從上止點(diǎn)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(gè)排氣過程的總耗時(shí)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(shí) 15 間，這就需要排氣門早開的時(shí)候缸內(nèi)壓力較強(qiáng)。排氣門開度或排氣通過面基大 幅增大的時(shí)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 使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(dòng)的慣性的排氣門晚關(guān)，排氣門玩慣可以在排氣遲后角內(nèi)排氣以達(dá)到 上述目的。 氣門重疊產(chǎn)生的原因是進(jìn)氣門早開和排氣門晚關(guān)，這兩者造成的進(jìn)氣門和 排氣門同時(shí)于行程運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)的時(shí)候開啟的現(xiàn)象。氣門重疊角是進(jìn)氣提前角 α+排氣遲后角 δ，兩者之和，用重疊時(shí)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?yàn)殡m然進(jìn)排氣門在 一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)開啟，但是這兩者并不會(huì)互相干涉，由于吸入的氣體和排出的 氣體都有較大的流動(dòng)慣性，它們會(huì)獨(dú)立運(yùn)行。如果氣門重疊角過大，就會(huì)對(duì)機(jī) 構(gòu)運(yùn)行不利。例：廢氣流入進(jìn)氣歧管，這可能是因?yàn)檫M(jìn)氣提前角過大，后果是 進(jìn)氣量減少；如果新鮮氣體排出時(shí)，排氣遲后角過大，那么廢棄可能會(huì)跟著一 同排出。 圖 2.1 配氣定時(shí)（配氣相位） 16 2.3 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 的幾種，比如扭矩外特性、怠速穩(wěn)定性、有害排放等，必須要經(jīng)由多次實(shí)驗(yàn)加 以校核再進(jìn)行優(yōu)化。 查找比較相近發(fā)動(dòng)機(jī)配氣相位，可以暫時(shí)把幾個(gè)參數(shù)定為： 進(jìn)氣提前角：α=18° ； 進(jìn)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°。 17 3 氣門驅(qū)動(dòng)件的設(shè)計(jì) 在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)之前，我們將首先討論氣門的通過能力。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)氣 缸進(jìn)氣充分、排氣徹底，在設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)持續(xù)一定的時(shí)間（ ） ，并且在這段時(shí)間內(nèi)氣門斷12t? 面會(huì)隨時(shí)改變。所以考慮氣門平均通過斷面積 [1] （3-2）21()tmffd??? 對(duì)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?? 18 3） 其中 （3-maxcos(0.5sin2)hfHd????? 4） 式子中 ——時(shí)間斷面豐滿系數(shù)；f? ——?dú)忾T最大升程。 在其他系數(shù)已定的情況下，想要提高時(shí)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(jì)的重點(diǎn)將是改h 善凸輪型線，提高凸輪型線豐滿系數(shù) 。Fm? 這個(gè)參數(shù)對(duì)于討論氣門的通過能力比較有實(shí)際意義。提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效 率，是在進(jìn)行凸輪軸設(shè)計(jì)、氣門設(shè)計(jì)以及其他配氣機(jī)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)時(shí)的不二目 的。下面我們將進(jìn)行具體零件的設(shè)計(jì)。 3.1 凸輪軸的設(shè)計(jì) 發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能和動(dòng)力性能很大程度上取決于凸輪軸輪廓線設(shè)計(jì)的好壞。 評(píng)價(jià)凸輪設(shè)計(jì)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 ——緩沖段高度；0 ——挺柱位移對(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角。c? 在設(shè)計(jì)中，要求 >0.5 [1]。Fm? 19 配氣機(jī)構(gòu)由很多零件組成，在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作中，它們會(huì)有不同程度的 伸縮，所以在配氣機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)鏈中必須要留有一定的間隙。正是由于這個(gè)間隙 的存在，使得氣門與傳動(dòng)件不能同步，氣門就可能在很短的時(shí)間內(nèi)從零變到和 從動(dòng)件相同的速度。落座時(shí)也同樣，氣門和從動(dòng)件脫離自行落座時(shí)就會(huì)對(duì)氣門 座產(chǎn)生猛烈的沖擊，這不僅會(huì)發(fā)出噪聲，還會(huì)加快氣門和氣門座的損壞。為了 補(bǔ)償氣門間隙，在凸輪實(shí)際的工作段前后要設(shè)計(jì)緩沖段，以保證氣門在開啟和 落座時(shí)速度較小，消除氣門對(duì)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(jì)包括兩部分的內(nèi)容，即凸輪緩沖段與工作段的設(shè)計(jì)。 3.1.1 凸輪軸緩沖段設(shè)計(jì) 在凸輪緩沖段的設(shè)計(jì)時(shí)，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? 緩沖段的高度 應(yīng)該從以下這幾方面考慮。在從動(dòng)件上升段，當(dāng)機(jī)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(jìn)一步升高，使得驅(qū)動(dòng)機(jī)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(xiàng)之和：一是用以消除氣門間隙的高度；二是使機(jī)構(gòu)變形到氣門剛 20 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(jì)中取 =0.2mm。0H0H 挺柱在緩沖段上的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)在允許范圍之內(nèi)。速度過高，氣門會(huì)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(shí)間-斷面減小， 所以挺柱的速度 =0.006～0.025mm/° [2]。本設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)于本設(shè)計(jì)中的通用汽油機(jī)，選擇等加速-等速型函數(shù)。其特點(diǎn)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(jī)構(gòu)剛度的變化不會(huì)影響挺柱的速度和加速度，對(duì)配氣正時(shí)的影響也 很??；(3) 緩沖段終點(diǎn)時(shí)挺柱升程對(duì)凸輪轉(zhuǎn)角的二階、三階導(dǎo)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(shí)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(shí) 際的氣門開啟或者挺柱移動(dòng)時(shí)刻都不能保證在相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)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(xiàng)系數(shù)。 當(dāng) 時(shí)， 。01c?01thH 式子中 為二次項(xiàng)系數(shù)， 為等加速段包角。? 等速段： （ ） （3-01()tochv??01oc?? 7） 21 式子中 ——等加速結(jié)束處的氣門位移。01H 當(dāng) 時(shí)， 。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(jì)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 22 圖 3—4 等速段的挺柱位移 3.1.2 凸輪軸工作段的設(shè)計(jì) 凸輪工作段的設(shè)計(jì)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(yán)重。2、高次方多項(xiàng)式凸輪，它的上升段和下降段相同， 在設(shè)計(jì)時(shí)只需設(shè)計(jì)工作段的一半。由此設(shè)計(jì)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(xiàng)式凸輪，該凸輪型線通常由五段曲線 組成，設(shè)計(jì)時(shí)比較靈活，時(shí)間斷面大，但是三階以上倒數(shù)不連續(xù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工 作的平穩(wěn)性有影響。綜合各方面考慮，本設(shè)計(jì)中采用高次方多項(xiàng)式凸輪。 首先，建立高次方程凸輪型線方程，本設(shè)計(jì)中采用六項(xiàng)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(duì)應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角。c? ， ， ， ， ， 是方程的各項(xiàng)系數(shù)，均未知，需要根據(jù)方程的0C2abcCd 23 各個(gè)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(xiàng)的指數(shù)規(guī)定為 2。 ， ， ， 為冪指數(shù)，冪指數(shù)的選取對(duì)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(duì)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? 37 總結(jié) 這學(xué)期進(jìn)行的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是大學(xué)期間最全面也是最后的一次設(shè)計(jì)。這次的 畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用了我在大學(xué)期間學(xué)習(xí)的專業(yè)學(xué)科和英語、計(jì)算機(jī)等公共學(xué)科，是 對(duì)我大學(xué)期間學(xué)習(xí)的一個(gè)全面檢測(cè)。在檢測(cè)中，我發(fā)現(xiàn)了自己沒有掌握到或沒 有掌握好的知識(shí)，并且通過自己學(xué)習(xí)，初步了解了并能解決遇到的問題；我也 在設(shè)計(jì)時(shí)，明白了自己的強(qiáng)項(xiàng)，增強(qiáng)了信心。這次設(shè)計(jì)是步入工作崗位前的最 徹底的一次評(píng)估，為我以后工作奠定了基礎(chǔ)，因?yàn)楹芏嗍虑槎际堑谝淮斡龅健?在設(shè)計(jì)初期，我收集了有關(guān)內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)學(xué)術(shù)文章，仔細(xì)閱 讀并且寫了文獻(xiàn)綜述。通過閱讀，我從理論上了解了內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作， 尤其是可變氣門技術(shù)。通過文獻(xiàn)綜述，對(duì)我在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)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(shí)的論文，在翻譯過程中， 學(xué)習(xí)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(shí)，使翻譯更通順，清晰。 在正式進(jìn)入到內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，由于自己的資料不足，在老師的 幫助下找到了對(duì)設(shè)計(jì)有幫助的資料，通過資料，直觀的認(rèn)識(shí)了設(shè)計(jì)，感覺到了 設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)和復(fù)雜。在電腦作圖中我采用的是AutoCAD2007軟件，由于平時(shí)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(shí)方便了許多。在完成所有圖紙的繪制之后，對(duì)AutoCAD基本工具能夠熟練掌 握了。 這次設(shè)計(jì)還讓我知道了自己學(xué)習(xí)、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(shí)，請(qǐng)教同學(xué)和老師也必不可少，設(shè) 計(jì)的東西有共通性，可以通過別人的設(shè)計(jì)，更好的完善自己的設(shè)計(jì)。 38 參考文獻(xiàn) [1] 劉樹臣，任寧寧，薛超.單缸汽油機(jī)配氣凸輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化， 2012，(6):101-108 [2] 徐儀. 基于豐滿度的汽油機(jī)配氣凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2011， （237）:45-54 [3] 趙紅寧.用 EXCEL 解線性代數(shù)方程組直接法研究[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2012 [4] 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Design and Development of the Valve Train for a Racing Motorcycle Engine. SAE. 2007，1 39 致謝 走的最快的總是時(shí)間，來不及感嘆，大學(xué)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?jiǎng)澫峦昝赖木涮?hào)。 本論文設(shè)計(jì)在 XX 老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)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(jì)期間，老師為我提供了種種專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)和一些富于創(chuàng)造性的建議， 閻老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度使我深受感動(dòng)，沒有這樣的幫助和關(guān) 懷和熏陶，我不會(huì)這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。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(jī)會(huì)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(rèn)真負(fù)責(zé)，在他們的悉心幫助和支持下，我能夠很好的掌握和運(yùn) 用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)，順利完成畢業(yè)論文。 同時(shí)，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(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，你們給了我很多的啟發(fā)， 提出了很多寶貴的意見，對(duì)于你們的幫助和支持，在此我表示深深地感謝！
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