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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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。這種方案傳動(dòng)簡單，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，裝配時(shí)必須使記號對齊。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 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，對配氣正時(shí)的影響也 很?。?3) 緩沖段終點(diǎn)時(shí)挺柱升程對凸輪轉(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? 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 對我大學(xué)期間學(xué)習(xí)的一個(gè)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(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，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 幫助下找到了對設(shè)計(jì)有幫助的資料，通過資料，直觀的認(rèn)識了設(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] 朱仙鼎.中國內(nèi)燃機(jī)工程師手冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2000.8 [5] 內(nèi)燃機(jī)氣門手冊 [M].美國 TRW 公司氣門部 [6] 張敬援，楊成璞，劉振強(qiáng).氣門標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)探討[R].蓬萊動(dòng)力機(jī)械配件廠 [7] William Giles.Valve Problems with Lead Free Gasoline.SAE [8] 艾兆虎，秦娟英 .進(jìn)口與國產(chǎn)摩托車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社.1996，3 [9] 剛憲約，車業(yè)軍，賈繼興. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧參數(shù)優(yōu)化方法研究[J]. 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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)澫峦昝赖木涮枴?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，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，對于你們的幫助和支持，在此我表示深深地感謝！