毕业设计说明书配气机构的设计
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目录
概述
1、配气机构的功用 (6)
2、配气机构的设计要求 (6)
3、配气机构计算参数的确定 (7)
一、凸轮轴的设计：
1、凸轮轴的设计要求 (7)
2、凸轮轴的结构 (7)
3、凸轮轴的选材 (7)
4、凸轮轴的支承轴颈轴承的材料 (7)
5、凸轮轴的定位方式 (7)
6、凸轮轴的最小尺寸定位方式 (7)
7、凸轮轴的热处理工艺.........................................................................................
(8)
8、凸轮轴的损坏形
式.........................................................................................
(8)
9、凸轮轴的计算
........................................................................................
(9)
二、凸轮的设计
1、凸轮设计的要
求 (10)
2、凸轮基圆设计 (11)
①基圆半径的确定.........................................................................................
(13)
②凸轮位置的确
定.........................................................................................
(13)
③配气相位与凸轮的作用
角.........................................................................................
(14)
④凸轮顶部的圆弧半
径.........................................................................................
(14)
三、挺柱的设计
1、挺柱的结构 (10)
2、挺柱的材料 (15)
3、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计算 (16)
4、平面挺柱的最大速度.........................................................................................
(16)
5、凸轮与挺柱间接触应力的计算
(17)
6、挺柱导向面直径r d与长度r L按照下面的公式确定 (18)
7、挺柱头部球面支座的设计 (19)
8、凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防 (19)
四、推杆的设计
1、推杆的功能 (20)
2、推杆的材料 (20)
3、推杆的结构形式.........................................................................................
(20)
4、尺寸设
计.........................................................................................
(20)
5、推杆稳定性安全系数的确定 (20)
6、推杆球头与挺柱球面支座，推杆球头与摇臂调节螺钉球面支座间接触应力的计算......................................................................................... .................................21五、摇臂的设计
1、摇臂的工作原理 (22)
2、摇臂的结构 (22)
3、摇臂比
(22)
4、摇臂润滑 (2)
2
5、摇臂的定位.........................................................................................
(23)
6、摇臂的材
料.........................................................................................
(23)
7、摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算 (23)
六、气门组的设计
1、气门的设计 (25)
?1）气门设计的基本要求....................................................................................
(25)
? 2)气门的工作条件分析....................................................................................
(25)
? 3）气门材料的选择....................................................................................
(26)
? 4）气门头的设计....................................................................................
(27)
? 5）气门杆的设计....................................................................................
.............................
29
2、气门旋转机构的设计 (30)
3、气门座圈的设计 (30)
4、气门导管的设计 (32)
5、气门的主要损坏形式和预防措 (33)
七、气门弹簧的设计
1、气门弹簧的设计要求 (34)
2、气门弹簧的作用 (35)
3、气门弹簧的工作条件 (35)
4、气门弹簧的结构 (35)
5、气门弹簧的选材 (35)
6、气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线的配合 (36)
7、气门弹簧的有关计算 (37)
?1）弹簧的最大弹
力....................................................................................
(37)
? 2）弹簧最小的弹
力....................................................................................
(38)
? 3）弹簧的刚
度.................................................................................... ...........................
38
? 4）弹簧变
形....................................................................................
(38)
? 5）内、外弹簧之间的负荷分
配 (39)
? 6）内外弹簧的刚
度....................................................................................
(39)
? 7）弹簧的尺
寸....................................................................................
(40)
8、提高气门弹簧疲劳强度的措施 (42)
参考文献 (43)
致谢..................................................................................................... .. (43)
配气机构的设计
概述
1、配气机构的功用：是完成换气过程，根据发动机气缸的工作循环次序，定时地开启和关闭进、排气门，不断的用新鲜的气体来气缸内上一循环的的废气。
2、配气机构的要求：
对于一个正常工作的配气机构应该具有如下的要求：
① 进、排气门的时间足够大，泵气损失小，配气正时恰当，在排气过程中能较好的排出废气，进气过程中能吸入较多的新鲜空气，因而使发动机具有较高的充量系数和合适的扭矩特性。
② 振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨。 ③ 结构简单、紧凑。
④ 为了减轻惯性负荷，使配气机构运动零件的质量减到最小。 3、配气机构设计的计算参数确定：
从确定气门座处的通过截面Fxn 以及确定喉口流通截面
rop
f 开始。气
阀处的流通截面积根据气体不可压缩连续流动的条件确定，也即在额定转速I 情况，气门最大升程时，按气门座截面处假设的平均速度来确定。
已知：气缸直径D=95，
气道喉口的最带直径，在气缸直径D ，配气机构的结构方案以及燃烧是
的形式都已给定的情况下，气门布置在气缸上可能性的限制。进气门drop 的数值应大于下列规定的范围：
采用气门顶置式：D drop )52.0~35.0(=， 则可以得到：
)9.44~25.33(=drop ， 根据柴油机的195B 的结构，选择drop =36mm, 排气门的气道喉口的直径，通常取得比进气门的气道喉口直径小10%~~20%，气阀升程h 时，某研究瞬间具有圆锥密封面之气门的流通截面为： ()a a a drop hkn
Fkn 2cos sin cos *+=π式中a —气门头
斜面角（现代发动机上，a=45度);
hkn气门的升程，它的取值一般是气门头的25%左右，气门头的直径是40.mm，
则：hkn=10mm
所以: f kn=
()a
a
a
drop
hkn
Fkn2
cos
sin
cos
*+
=π
=10π（35*COS45+10*Sin45*Cos45)
=865mm
对drop进行校核：
∵Frop=（1.1~1.2）Fxn=(1.1~1.2)x865=(951.5~1038) 取1000mm
喉口的直径为：
drop=14
3.
/
4Frop x10
=36mm
∴喉口的直径经过检验取值正确。
一、凸轮轴的设计
1、凸轮轴设计的要求：
1）正确的设计进排气凸轮的位置，实现配气正时，使柴油机正确的按照一定规律运转。
2）从柴油机的总体布局来设计凸轮的允许弯曲变形，合理的计算出支撑它的轴颈数目，轴颈的直径、和凸轮轴的最小直径尺寸。
3）选择合理的材料和热处理工艺，使它不仅有足够的刚度与韧性，而且要使凸轮和支撑轴的表面有合理的硬度，具有较好的耐磨性。
2、凸轮轴的结构：
195B柴油机是小功率柴油机，可以采用整体式凸轮轴，它的结构较紧凑，这种结构都是将凸轮轴从机体一端插入的，所以将它的两个支撑轴颈加工的尺寸大小是不同，前端的支撑轴颈尺寸大，后端的小些，而且前端轴颈的尺寸必须大于凸轮轴的高度，这样便于安装。轴颈上安装滑动轴承。
3、凸轮轴支承轴颈的数目：
由于该柴油机是单缸四冲程发动机，不必将支承轴颈设计的过多，只是将凸轮轴的前后端各设计一个就已经足够了，所以将该轴颈数目为2个。
4、凸轮轴的选材：
因为凸轮轴要承受一定的机械强度，必须要有足够的强度和韧性，同时还应具有一定的耐磨性，才能让发动机在正常的工况下工作，选择碳钢，一般选
择45钢就可以满足要求了。
5、凸轮轴的支承轴颈轴承的材料：
195B柴油机经过查表得知，采用铁基粉末冶金，它是将它直接安装在凸
6、凸轮轴的定位方式：
定位的原因:由于汽车的上下坡或者在加速的时候，都可能使凸轮轴发生轴向窜动。为防止由此引起的对配气定时的不良影响，需要采用轴向定位措施。对也195B型柴油机的采用的是轴向定位方式。
7、凸轮轴的最小直径确定：
凸轮轴的最小尺寸可以按照下面的公式：Db=2Ro—（2~4）（mm）
上式中的Ro是凸轮的基圆半径，由表可知：Ro=14.5
Db=2Ro—（2~4） =2x14.5—（2~4）=（25~27）
当转速较高时，支承轴颈间距离较大、凸轮上受力较大时取上限值。凸轮轴支承轴颈与轴承孔德径向间隙一般在0.02~0.03mm，范围内，轴向间隙为0.01~0.25mm。
8、凸轮轴的热处理工艺：
a 渗碳；
b 渗碳；
c 机械加工；
d 高频淬火（回火）；
f 机械加工；
9、凸轮轴的损坏形式：
（1）支承轴颈的磨损。
（2）凸轮表面的磨损、刮伤和点蚀。
10、凸轮轴的计算：
根据气门弹簧和配气的计算的：配气机构运动零件的质量Mkn=115g，Mn=75g Mr=0/
Mmr=0和Mn=120g，凸轮的尺寸Ro=14.5mm，R1=138 R2=8.3mm Htmax=7mm 摇臂的尺寸：Lr=46 L=32 凸轮轴的角速度ω=115rad/s弹簧的最小弹力是P=239牛顿，进气么的喉口直径d=36mm。
从排气门作用到凸轮上的最大的力为：
Prmax=[min Pnp +π2n d /4（Pr —"r p ）]Ln/Lr+Mr 2x w （r1—r2）
=[239+3.14*33.0/4x （0.445—0.1）x 610x46/32+374x 2115x （138—14.5）x 610-=2539牛顿
注： 式中的a d =36mm 为排气门的直径 ba
d
=42mm 为进气门的直径
r P 0.445兆帕，是由指示功图而确定 'r p ≈0p =0.1兆帕
Mr=（k
n m +np m /3）x （r n l /r l )
2)+99=374g
''n m =k m 2kn l /32r l =120x 246/3x 232=81g
凸轮轴的弯曲量：
Y=0.8)1032(*95*10*2.269*26*24178.0)(4452
2442
2max -=-p p t d El b a P δ
=0.0003mm
式中 E=2.2*510兆帕——钢的弹性模量; L=a+b=26+70=96mm---凸轮轴跨距长度
根据结构总体布置来取：
mm
r 3225.14*2220=+=+---轴的外径
mm p 10=δ——轴的外径，选取时要考虑利用轴的外径向凸轮供给润滑油和保持
轴具有足够的刚度。 挤压应力：
()
1max /418.0r b E P n r cm =σ
=0.418()0572.0*025.0/10*2.2*002417.06 =255兆帕 式中 ： n b =25mm —凸轮的宽度
毕业设计说明书配气机构的设计 姓名: 所属院校： 专业: 班级: 学号: 指导教师：
目录 概述 1、配气机构的功用 (6) 2、配气机构的设计要求 (6) 3、配气机构计算参数的确定 (7) 一、凸轮轴的设计： 1、凸轮轴的设计要求 (7) 2、凸轮轴的结构 (7) 3、凸轮轴的选材 (7) 4、凸轮轴的支承轴颈轴承的材料 (7) 5、凸轮轴的定位方式 (7) 6、凸轮轴的最小尺寸定位方式 (7) 7、凸轮轴的热处理工艺 (8) 8、凸轮轴的损坏形式 (8) 9、凸轮轴的计算 (9) 二、凸轮的设计
1、凸轮设计的要求 (10) 2、凸轮基圆设计 (11) ①基圆半径的确定 (13) ②凸轮位置的确定 (13) ③配气相位与凸轮的作用角 (14) ④凸轮顶部的圆弧半径 (14) 三、挺柱的设计 1、挺柱的结构 (10) 2、挺柱的材料 (15) 3、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计算 (16) 4、平面挺柱的最大速度 (16) 5、凸轮与挺柱间接触应力的计算 (17) 6、挺柱导向面直径r d与长度r L按照下面的公式确定 (18) 7、挺柱头部球面支座的设计 (19) 8、凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防 (19) 四、推杆的设计 1、推杆的功能 (20) 2、推杆的材料 (20)
3、推杆的结构形式 (20) 4、尺寸设计 (20) 5、推杆稳定性安全系数的确定 (20) 6、推杆球头与挺柱球面支座，推杆球头与摇臂调节螺钉球面支座间接触应力的计算..........................................................................................................................21五、摇臂的设计 1、摇臂的工作原理 (22) 2、摇臂的结构 (22) 3、摇臂比 (22) 4、摇臂润滑 (22) 5、摇臂的定位 (23) 6、摇臂的材料 (23) 7、摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算 (23) 六、气门组的设计 1、气门的设计 (25) ?1）气门设计的基本要求 (25) ?2)气门的工作条件分
配气机构整体系统仿真及优化 康黎云司庆九 （重庆长安集团汽车工程研究院CAE所） 摘要：通过A VL EXCITE Timing Drive的仿真，对某机型的配气机构进行动力学计算以了解存在的问题和优化方向。拟定重新设计凸轮型线和调整弹簧参数的优化措施，并用EXCITE Timing Drive进行对比计算，结果表明凸轮型线的设计和弹簧参数的更改达到了优化目的。 关键词：配气机构；动力学；凸轮型线；气门弹簧 主要软件：A VL EXCITE Timing Drive；MSC/NASTRAN 1. 前言 某发动机的配气机构采用四气门单顶置凸轮轴摇臂驱动，其中进、排气侧分别为两同形式的指形从动件摇臂。摇臂驱动形式的配气机构刚度一般比挺柱直接驱动的配气机构要弱，相应其动力性也要差些。现实的问题是：如何从优化配气机构的角度出发，在不提高发动机转速的情况下增加该发动机的功率，同时还必须使配气机构的动力性也满足设计要求，如不出现飞脱、反跳及弹簧并圈等问题。 2. 分析过程 2.1 总体流程 为解决问题，制订以下分析流程，如图1所示： 图1 配气机构分析及优化流程图
2.2 优化前仿真分析 机构的主要全局参数如表1所示： 表1 配气机构主要技术参数 进气侧排气侧 15.5mm 基圆半径 15.5mm 气门正时 466°(曲轴转角) 258°(曲轴转角) 气门包角(含缓冲段) 170° 175° 气门倾角 16° 20° 0.25mm 气门间隙 0.15mm 弹簧预紧力 114N 工作段弹簧刚度 29N/mm 建立整个阀系的EXCITE Timing Drive模型：①. 从凸轮轴前端往后端看，凸轮的布置是排气门、两个进气门、排气门的形式；②. 由于发动机的点火顺序是1-3-4-2，所以对应缸的阀系相位要依次滞后90°；③. 忽略皮带传动对阀系的影响，而直接将转速加载到凸轮轴的最前段的SHPU单元上。整个模型如图2所示： 图2 阀系模型 以下为发动机优化前6000rpm下的动力学计算结果(图3~图6所示)，从各曲线图可以看出，该配气机构在高转速下出现反跳、飞脱和并圈，因此，有必要对该套系统进行优化。优化的措施主要有以下几点： (1) 重新设计进、排气凸轮型线，以避免飞脱和反跳的产生。对于摇臂驱动的凸轮型线，使
（一）发动机配气机构 一、实验目的 1 ．熟悉发动机配气机构零件的构造特点和配气机构整个系统的特点 2 ．熟练进行凸轮轴、气门组的拆装 3 ．熟练进行不同发动机配气机构气门间隙的检查、调整方法与步骤 二、实验原理 配气机构的功用是按照发动机的工作顺序和各缸工作循环的要求，定时开启和关闭进排气门，使可燃混合气（汽油机）或新鲜空气（柴油机）准时进入气缸，使燃烧后的废气及时从气缸内排出。 根据气门在发动机上布置型式，分顶置式配气机构和侧置式配气机构。其中顶置式配气机构应用最广泛。它由气门组和气门传动组两部分组成。 气门组主要机件有气门、气门座、气门弹簧、气门导管等。 气门传动组根据凸轮轴的布置型式由摇臂、摇臂轴、调整螺钉、推杆、挺杆、凸轮轴和正时齿轮（链轮）等。 凸轮轴布置型式可分下置、中置、上置三种。 凸轮轴下置式配气机构中的凸轮轴位于曲轴箱中部。 凸轮轴中置式配气机构中的凸轮轴位于气缸体上部，省去推杆。 凸轮轴上置式配气机构中的凸轮轴位于气缸盖上，这种结构中的凸轮轴可通过摇臂来驱动气门，也可通过凸轮轴直接驱动气门。 三、实验仪器 四、实验内容和步骤 （一）顶置气门式配气机构气门组的拆卸 1、首先从发动机上拆去燃料供给系、点火系等有关部件。 2、拆下气缸拆下气缸盖罩，拆下摇臂机构及凸轮轴（凸轮轴上置式），取出推杆（凸轮轴下置式）。 3、拆下气缸盖（方法步骤同曲柄连杆机构）。 4、用气门弹簧钳拆卸气门弹簧，依次取出锁块、弹簧座、弹簧和气门。锁块应用尖嘴钳取出。将拆下的气门做好相应标记，按缸号顺序放置。 5、从缸盖下面向上平面方向用压床将气门导管压出（或用尺寸合适的冲头以手锤轻轻击出）。 6、将摇臂机构解体。 （二）气门传动组的拆卸（凸轮轴下置或中置） 1、取下气门挺杆（应保持各气门挺杆正确的存放顺序，以利于将来安装）。 2、取下驱动皮带和水泵皮带轮，取下曲轴皮带轮。 3、拆下正时链盖，取下正时链张紧器。
发动机配气机构发展综述 张正有 （重庆工学院汽车学院200246班22号） 【内容摘要】：本文论述了发动机配气机构的发展进程，阐述了可变技术在配气机构中的发展和应用，对迄今已有的发动机气门驱动机构进行了分类介绍，总结了不同气门驱动机构的结构、工作原理和优缺点。并指明了配气机构今后的发展方向。 【关键词】：发动机配气机构可变技术驱动机构 Development Overview of Valve-train of Engine Zhang zheng-you (Chongqing Institute of Technology；Automobile college 20024622) 【Abstract】: This text discussed development progress of valve-train of engine and variable technique be using in the field. In addition, classifications and detail introductions were made for the valve actuators of automotive engine. The structures, fundamentals and advantage of the different actuators were summed up. In the end, further investigations in the future wre put forwards. 【Key word】: engine； valve train； variable technique； valve actuators 0 前言 伴随着社会经济的发展，人类生活水平的提高，我们对生活质量也提
文献综述 题目 168F汽油机设计——配气机构 二级学院车辆工程学院 专业能源与动力工程 班级 112040601 学生姓名彭元平学号 11204060117 指导教师屈翔职称副教授 时间 2016-3-20
摘要： 配气机构作为内燃机的重要组成部分其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。本文综述了汽油机配气机构的发展现状，论述了对配气机构优化设计的必要性，阐述了发动机配气机构优化设计的发展方向。 关键词：配气机构、凸轮型线、配气相位、气门弹簧。 Abstract： As important part of the internal combustion engine, valve mechanism with right design is a must, for it is directly relevant to power, economic performance, emission performance, reliability and durability of the internal combustion engine. This paper reviewed the gasoline engine valve mechanism from the aspects of the state-of-the-art and the necessities of its optimization design, and set forth the development of engine valve mechanism optimization design. Key words：Air distribution mechanism Cam type line Gas distribution phase Valve spring 1.前言 配气机构是汽油机最重要的组成部分它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时的开启和关闭进、排气门，以保证换气充分。一台汽油机的工作是否稳定可靠[1]，噪声与振动是否控制在较低的水平，都与其配气机构设计合理的是密不可分的。配气机构要使各气缸都保持换气良好的状态，使充气系数尽可能的提高，按照工作的需要，科学的开启与关闭进气门和排气门。 随着人们的需求，发动机的设计趋于高速化、高功率化。人们对其性能的要求也越来越高，配气机构作为发动机的配给系统，很大程度的决定了发动机的优劣[2]。所以想要提高发动机的性能，配气机构的优化设计也是必不可少的。随着前人的不断积累，配气机构的供给能力及结构形式都发生了很多改观，下面我将介绍配气机构的发展现状及主要优化形式。 2.凸轮型线的优化 内燃机配气凸轮机构是由配气凸轮驱动的，所以配气机构的这些性能指标在很大程度上取决于配气凸轮的结构。尤其是当发动机转速提高以后，凸轮型线设计的好坏对发动机的充气性能和动力性能的影响更大[3]。最近，海马轿车有限公司的王艳芳、王少辉[4]等汽车工程师做了相应的实验，他们选择了三种不同型线的进气凸轮轴和同
单元三配气机构 一、填空题 1．充气效率越高，进人气缸内的新鲜气体的量就__多_____，发动机研发出的功率就__高____。 2．气门式配气机构由__气门组___ 和___气门传动组______组成。 3．四冲程发动机每完成一个工作循环,曲轴旋转__2___周，各缸的进、排气门各开启 ___1____ 次,此时凸轮轴旋转___1___周。 4．气门弹簧座是通过安装在气门杆尾部的凹槽或圆孔中的___锁片____或___锁块____ 固定的。 5．由曲轴到凸轮轴的传动方式有下置式、上置式和中置式等三种。 6．气门由__头部___和___杆身____两部分组成。 7．凸轮轴上同一气缸的进、排气凸轮的相对角位置与既定的___配气相位____相适应。 8．根据凸轮轴___旋向_____和同名凸轮的____夹角____可判定发动机的发火次序。 9．汽油机凸轮轴上的斜齿轮是用来驱动__机油泵___和__分电器____的。而柴油机凸轮轴上的斜齿轮只是用来驱动___机油泵____的。 10．在装配曲轴和凸轮轴时,必须将___正时标记____对准以保证正确的___配气相位__。 二、判断题 1．充气效率总是小于1的。( √) 2．曲轴正时齿轮是由凸轮轴正时齿轮驱动的。( X) 3．凸轮轴的转速比曲轴的转速快1倍。( X) 4．气门间隙过大，发动机在热态下可能发生漏气，导致发动机功率下降。( √) 5．气门间隙过大时，会使得发动机进气不足，排气不彻底。( √) 6．对于多缸发动机来说，各缸同名气门的结构和尺寸是完全相同的，所以可以互换使用。( X) 7．为了安装方便，凸轮轴各主轴径的直径都做成一致的。( X) 8．摇臂实际上是一个两臂不等长的双臂杠杆，其中短臂的一端是推动气门的。 ( X) 9.非增压发动机在进气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（X） 10.发动机在排气结束时，气缸内压力小于外界大气压。（X）
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 湖北文理学院 毕业设计(论文)正文题目 基于PRO/E的四缸内燃机凸轮配气机构的结 构设计及运动仿真分析 专业机械设计制造及其自动化 班级机制0812班 姓名李旭东 学号08116249 指导教师 职称 李梅 副教授 2012年5 月23日
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊基于PRO/E的四缸内燃机凸轮配气机构的结构设计及运动仿 真分析 摘要：配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 运用多体力学的方法对配气机构进行了动态仿真分析，采用数字多体程 序的方法，建立了配气系统的理论模型，进行配气机构的运动学、动力学分析，除了得到气门的升程、速度、加速度外，还考虑了摇臂与气门之间的碰撞，以及摇臂支座的柔性。因此得到气门与摇臂之间的碰撞力，摇臂支座的柔性衬套的受力，气门弹簧力，凸轮轴支座反力，气门座反力及凸轮与摇臂之间的压力角等。为凸轮型线、摇臂形状和整个配气机构的设计改进提供了重要依据。 利用pro/e强大的分析仿真功能, 对凸轮式配气机构的运动特性以及弹簧刚度对系统运动的影响进行了仿真分析, 得出弹簧刚度与气门振动的关系图, 为改善系统动力学性能和关键零部件设计提供了依据。利用计算机软件仿真, 有利于降低研发成本并缩短产品的开发周期。 关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；优化设计;汽车；发动机；配气系统；顶置凸轮；动态仿真
一.配气凸轮优化设计 1.1配气凸轮结构形式及特点 配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件，如何设计和加工出具有合理型线的凸轮轴是整个配气系统设计中最为重要的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实际上就是对由凸轮外形所决定的气门升程规律的要求，气门开启迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧、机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应该观察所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决发动机配气凸轮外形的设计也就是对凸轮从动件运动规律的设计。从动件升程规律的微小差异会引起加速度规律的很大变动，在确定从动件运动规律时，加速度运动规律最为重要，通常用其基本工作段运动规律来命名，一般有下面几种： 1.1.1等加速凸轮 等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式，其中又可分为两类，一类可称为“正负零型”，指其相应的挺柱加速度曲线为正—负—零：另一类可称“正零负型”，指其加速度曲线为正一零一负。当不考虑配气机构的弹性变形时，对最大正负加速度值做一定限制且在最大升程、初速度相同的各种凸轮中，这种型式的凸轮所能达到的时面值最大。等加速型凸轮常常适用于平稳性易保证，而充气性能较差的中低速柴油机中。但就实际情况而言，配气机构并非完全刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内燃机中一般不采用等加速型凸轮[9]。 1.1.2组合多项式型 组合多项式型凸轮的基本段为一分段函数，它由几个不同的表达式拼接而成。通过调整各段所占角度及函数方程，获得不同斜率的加速度曲线。组合多项式型凸轮时面值大，而且能够方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的圆滑过渡，可以较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求[7]。由于凸轮从动件运动规律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律三阶以上导数的连续性，可能会影响配气机构工作的平稳性，组合多项式型凸轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性能的情形。 1
1.配气机构的作用及组成 一、功用： 是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气或空气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。 二、组成： 气门组：气门及与之关联的零件； 气门传动组：从正时齿轮到推动气门动作的所有零件。 2.为什么要预留气门间隙？什么是气门间隙?为什么要留气门相位? 在气门杆尾端与摇臂端（侧置式气门机构为挺杆端）之间留有气门间隙，是为补偿气门受热后的膨胀之需的. 发动机发动时，气门将因气温升高而膨胀。如果气门以其传动件之间在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和作功行程中的漏气，从而使功率下降，严重时甚至不易启动。为了消除这种现象，通常在发动机冷态装配时，在气门与其传动机构中预留一定的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。这一间隙被称为气门间隙。 但是，如果气门间隙留得太大，冷态下传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击，而且加速磨损，同时使得气门开启的持续时间减少，汽缸的充气情况变坏。 所以高级轿车上都采用液压挺柱，挺柱长度能自动变化，随时补偿气门的热膨胀量，故不需要预留气门间隙。 3.为什么有的配气机构中采用两个套装的气门弹簧 你所指两套装置的气门弹簧我可否理解成控制气门开闭的弹簧。 所有的气门弹簧都是大簧套小簧；并且是是旋向相反。 采取这种结构的原因是防止因为气门弹簧旋向的原因产生谐振，造成气门关闭不严，所以设置成旋向相反的两个气门弹簧，让它们的谐振频率相反进行抵消，消除谐振引起的气门关闭不严的现象 4.什么是点火提前角,其过大或过小有什么危害 点火提前角：从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。 点火过早，会造成爆震，活塞上行受阻，效率降低，磨损加剧。点火过迟，气体做功效率低，排气声大。不论点火过早或过迟，都会影响转速的提升。 若点火提前角过大，则活塞还在向上止点运动时，气体压力已达很大的数值，活塞受到迎面而来的反向压力的作用，压缩行程的负功增加使发动机功率下降，甚至有时造成曲轴反转使发动机不能工作。而且点火提前角过大也易于发生不正常燃烧--爆燃。 若点火提前角过小，混合气的燃烧将在逐渐增大的容积内进行，因而燃烧最高压力降低，而且补燃增加，热损失增大，于是发动机功率下降，油耗增加，并使发动机过热 5.膜片弹簧式离合器特点？ 6.从动盘摩擦片上的铆钉为什么要沉入摩擦片平面以下? 如果不沉头，摩擦的就不是摩擦片，而是铆钉了。 五、问答题 1.汽油机燃料供给系的作用是什么？ 2.化油器的作用是什么？ 3.主供油装置的作用是什么？它在哪些工况下参加供油？ 4.为什么把加浓装置称为省油器？ 5.在加速泵活塞与连接板之间为什么利用弹簧传力？
文档编号 版本 发布日期发动机配气机构计算分析流程 编制：日期： 校对：日期： 审核：日期： 批准：日期：
目 录 1 参数定义 (3) 2 配气机构计算分析和优化流程框图 (7) 3 过程实施 (9) 3.1 AVL-workspace-TYCON软件介绍 (9) 3.1.1简介 (9) 3.1.2 AVL-Workspace Tycon的应用 (9) 3.1.3 AVL-Workspace Tycon主要菜单和主要模块介绍 (9) 3.2配气机构评价指标 (12) 3.2.1 运动学分析和评价 (12) 3.2.2 动力学分析和评价 (15) 3.3配气机构运动学动力学TYCON模型建立 (15) 3.4 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 (16) 3.4.1凸轮型线及配气机构运动学分析界面的进入 (16) 3.4.2 Cam Design界面中数据的输入 (17) 3.4.3 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 (20) 3.5 配气机构动力学分析 (21) 3.5.1动力学模型的文件和目录说明 (21) 3.5.2仿真计算、参数设置和结果控制 (22) 3.5.3动力学计算后处理 (24) 3.6 配气机构改进和优化 (25) 3.6.1 凸轮型线优化设计流程及界面 (26) 3.6.2 缓冲段设计 (26) 3.6.3 工作段设计 (29) 3.6.4 新凸轮型线的分析 (33) 致谢 (34)
1 参数定义 发动机配气机构计算分析所需参数如表1所示。 表1.1 发动机配气机构计算参数表 单元名称参数单位 旋转激励单元转速输入方式的选择 转速值 rpm或者rad 有无转速波动 凸轮单元基圆半径 mm 型线数据与实际位置偏移角度 deg 凸轮转角转转系数 凸轮升程数据单位与米的转换关系 凸轮型线数据类型 凸轮型线数据 凸轮轴承单元Y方向刚度 N/mm Z方向刚度 N/mm Y方向阻尼 N.s/mm Z方向阻尼 N.s/mm 机油动力粘度 N.s/mm2 相对间隙 轴瓦直径 mm 轴承宽度与轴瓦直径比值 带轮和链轮单元质量 t 转动惯量（扭转） t.mm2 转动惯量（弯曲） t.mm2 相对阻尼 杨氏模量 N/mm2 剪切模量 N/mm2 中截面面积 mm2 质心到第一轴距离 mm 剪切面积率 惯性矩（扭曲） mm4 惯性矩（弯曲） mm4 带的预紧力 N 传动力 N 带的阻尼 N.s/mm 带轮有效半径 mm 带刚度 N/mm 配气相位单元发火次序 deg 载荷数据时间偏移量 s 凸轮中心到接触点的距离矢量 mm
本科学生毕业设计 基于PRO/E的进排气阀门的运动仿真分析 院系名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称： 黑龙江工程学院 二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree Movement Simulation of Input Air and Outputair Valve of Engine based on Pro/e Candidate： Specialty： Class： Supervisor： Heilongjiang Institute of Technology 2012-06·Harbin
摘要 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。本文对配气机构给零件形状、尺寸进行了设计，并且应用pro-engineer进行了实体建模，得到了配气机构的三维装配图。再将配气机构模型导入ADAMS软件进行约束的建立以及驱动的添加，使得配气机构能够在ADAMS 软件中进行仿真，从而得到各种数据曲线对整个机构的性能进行分析，根据各种数据分析得到配气机构的最优设计。 关键词：内燃机；配气机构；虚拟样机技术；建模；仿真
ABSTRACT The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine.This thesis devise the parts shape and dimension for the valve train, obtain the 3D assembly diagram base on model entities by pro-engineer. Importing the valve train to ADAMS software, then creating the constraints and adding drives. Sequentially, analyze the whole organization performance, after get the various data curve from valve train be capable simulation in ADAMS software. Finally, obtain the optimum design of valve train according to various data analysis. Key words: Internal combustion engine; Valve train VPT; Virtual prototyping technology; Modeling; Simulation
485柴油机设计（配气机构） 摘要 本设计介绍了485柴油机配气机构的设计，主要是其各零部件的设计。本次设计的485柴油机主要用于轻型载货车。 配气机构的功用就是实现换气过程，即根据发动机气缸的工作顺序，定时的开启和关闭进排气门，以保证气缸排出废气和吸进新鲜空气。配气机构设计的好坏直接影响发动机整体的经济性和动力性，因此配气机构的设计在发动机整体设计上占有相当重要的作用。在气门选择上，采用每缸两个气门的方案，其优点是比较简单、可靠，对于自然吸气式柴油机可以提高新鲜空气的进气量，降低气缸的热负荷，增加气缸的耐久性和使用寿命。气门的驱动采用凸轮轴—挺柱—推杆—摇臂—气门机构。凸轮轴布置形式是下置式，采用的是整体式凸轮轴，这样的凸轮轴结构简单，加工精度高，能有良好的互换性。 本次配气机构的设计，主要包括进、排气门的设计，气门弹簧的设计，以及凸轮轴的设计。编写Matlab程序，计算得到挺柱升程表，绘出挺柱升程、速度、加速度曲线。 关键词：柴油机，配气机构，凸轮轴，气门
THE DESIGN OF VALVE TIMING MECHANISM OF 485 DIESEL ENGINES ABSTRACT This thesis introduces the design of valve timing mechanism of 485 diesel engines, mainly the design of its various components. The 485 diesel engine in this design is mostly used in light truck. The function of valve timing mechanism is to realize the exchange process, namely according to engine cylinder working order, ensure that the intake and exhaust valves open and close at the proper time. The valve gear play a direct impact on the economy and power parameters of the engine, therefore, the design of gas distribution agency in the overall design of the engine play a rather important role. Arranging two-valve per cylinder, the advantages are that it is relatively simple, reliable, for the naturally aspirated diesel engines can improve the fresh air into the cylinder, reduce the heat load of the cylinder to increase the durability of the cylinder and use life. The driving mechanism of valves is camshaft, tappet, pushrod, rocker, valve train. Camshaft arrangement is under the form of home-style, using the integral camshaft, such camshafts have simple structure, high precision machining, and good interchangeability. This design, including exhaust valve, intake valve, valve spring, and camshaft. Write Matlab program, calculate tappet lift table, map the curves of tappet lift, speed and acceleration. KEY WORDS: Diesel engine, Valve timing mechanism, Camshaft, Valve
汽车内燃机配气机构的优化设计 摘要 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；优化设计
ABSTRACT The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine. Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; Optimal design
发动机配气机构系统的动力学建模及仿真分析 罗卫平,陈曼华,姜小菁,王 (金陵科技学院机电工程学院,江苏南京211169) 摘要:针对发动机配气机构系统,在ADAM S/Engine软件中建立了其虚拟模型,在此基础上,对该机构进行了仿真分析,得到了气门的升程、速度、加速度和摇臂与挺柱的接触力等特性曲线,为配气机构动态性能的评价和优化提出了理论依据,从而为虚拟样机技术在新产品开发中的应用提供了有效方法。 关键词:配气机构;ADAM S/Engine;虚拟样机;多体动力学 中图分类号:U463.33;TP391.9文献标识码:A文章编号:1672-1616(2012)01-0051-04 配气机构的功用是根据发动机每一汽缸内进 行的工作循环顺序,定时地开启和关闭各汽缸的 进、排气门,以保证新鲜可燃混合气或空气得以及 时进入汽缸,并把燃烧后生成的废气及时排出汽 缸。配气机构的传统开发方法往往是多方案的比 较和试凑过程,这种基于物理样机的频繁的试验, 会延长研发周期和增加开发成本。虚拟样机技术 就是在这种情况下产生的一种数字化的研发模式, 即工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各 种动态性能的分析,然后改进样机设计方案,最后 投入生产。本文就是在这样的背景下,以多体动力 学为理论基础,采用美国MDI公司开发的 ADAM S软件。对发动机配气机构进行建模与仿 真,预测实际产品的特性,提供一个全面地研究产 品工作性能的方法。 1多体系统动力学研究的理论基础 随着多体动力学的发展,目前应用于多刚体系 统动力学的方法主要有以下几种:牛顿-欧拉法、 拉格朗日方法论、图论4法、凯恩法、变分法、旋量 法等。ADAMS用刚体i的质心迪卡儿坐标和反 映刚体方位的欧拉角作为广义坐标,即:q i=[x, y,z,W,H,<]T i,q=[q T1,,,q T n]T。采用拉格朗日 乘子法建立系统运动方程[1]: d d t 5T 5q# T - 5T 5q T +f T q Q+g T q#L=Q(1) 式中:T为系统动能;q为系统广义坐标列阵;Q 为广义力列阵;Q为对应于完整约束的拉氏乘子列阵,完整约束方程时,f(q,t)=0;L为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵,非完整约束方程时,g(q, q#,t)=0。 2配气机构的动力学建模 配气机构是由凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧、挺柱、气门座等多个构件组成的机械系统,它是由凸轮的旋转带动驱动气门按预定的运动规律开启和关闭来实现配气的过程。ADAM S/Engine提供了多种配气机构部件模型的模板,因此在建立配气机构的模型时只需在ADAMS/Engine软件中选取 正确的模板,然后根据实际部件的特征,修改部件几何参数。如果模型库中不包含要建立的几何部件类型,则可以根据需要建立新的模板,然后导入标准界面进行分析[2]。本文利用ADAM S/Eng ine 模板建立了某柴油发动机顶置凸轮轴式配气机构的多刚体虚拟样机模型,如图1所示。 1)凸轮轴;2)摇臂;3)挺柱;4)气门弹簧; 5)气门;6)气门座 图1配气机构的虚拟样机模型 收稿日期:2011-08-10 作者简介:罗卫平(1973-),女,江苏南京人,金陵科技学院讲师,硕士,主要研究方向为虚拟技术和动力学仿真。
摘要 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线； I
ABSTRACT The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine. Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; II
杭州电子科技大学 毕业设计（论文）开题报告题目柴油机配气机构运动仿真研究 学院机械工程学院 专业车辆工程 姓名徐漳 班级车辆一班（08010511） 学号08015128 指导教师刘婷婷
一、内燃机配气机构技术现状及选题的依据和意义 （一）课题研发背景 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其性能好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。配气机构的作用是按照内燃机的工作循环与工作顺序的要求，控制新鲜气体及时地进入气缸，同时排除燃烧后的废气。一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值。随着汽车及发动机技术的发展，对配气机构也提出了更高的要求，其相关新技术也得到了发展。 1 内燃机配气机构的研究现状 随着内燃机高功率、高速化发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。目前广泛采用的是气门－凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。配气机构系统研究内容归纳起来主要有两个方面，一方面是零部件的设计，包括凸轮型线，气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计，其中又以凸轮型线的设计尤为关键，这是因为凸轮作为整个机构的原动件，它直接控制整个机构的运动。另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题，主要表现在以下几个方面[1,2]： （1）设计了许多性能优良的凸轮型线； （2）配气机构由刚性设计发展为弹性设计； （3）由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。 内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方面上，国内外都有很大的发展。 2 配气凸轮优化设计方法 配气凸轮是影响配气机构工作状况的关键零件，如何设计和加工出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实际上是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决。配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数。 凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力学优化设计。系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述配气机构的运动和受力情况，并统