畢業(yè)論文（設計）北京吉普汽車發(fā)動機氣門機構的運動學仿真

誠信聲明本人鄭重聲明本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人簽名2015年6月1日畢業(yè)設計任務書設計題目北京吉普汽車發(fā)動機氣門機構的運動學仿真系部機械工程系專業(yè)機械電子工程學號112012108學生指導教師（含職稱）（講師）1設計的主要任務及目標以四沖程的汽油機下置式凸輪配氣機構為例，應用PRO/E軟件，對配氣機構的凸輪運動進行仿真，并對結果分析，提出合理優(yōu)化建議。2設計的基本要求和內(nèi)容完成汽油發(fā)動機氣門機構的零件模型建立。運用軟件完成氣門機構的運動仿真并提出優(yōu)化策略。提交設計說明書一份，提交PRO/E模型一份及分析圖表各一份。3主要參考文獻1）濮良貴，機械設計（第八版）M，高等教育出版社，201062）孫恒，機械原理（第七版）M，高等教育出版社，201273）劉崢，王建昕，汽車發(fā)動機原理教程M，清華大學出版社,20014）松凌珺，岳榮剛，王永皎，中文版PRO/ENGINEERWILDFIRE基礎教程（第二版）M，清華大學出版社，201254進度安排設計各階段名稱起止日期1對零件進行測繪，準備零件建模3月3日3月23日2用PRO/E完成零件建模3月24日4月13日3完成零件裝配，準備進行運動仿真分析4月14日5月4日4完成仿真模型分析，數(shù)據(jù)比較并撰寫設計說明書5月5日6月1日5提交及修改設計說明書，答辯6月2日6月22日審核人年月日北京吉普汽車發(fā)動機氣門機構的運動學仿真摘要配氣機構是發(fā)動機的重要組成部分，它是按照發(fā)動機的每一氣缸所進行的工作循環(huán)和發(fā)火次序的要求，定時開關進、排氣門，是使新鮮空氣及時充分的進入氣缸，廢氣得以及時的徹底的排除氣缸。為了提高發(fā)動機的性能，需要大量的實驗和計算優(yōu)化配氣機構的相關參數(shù)。但是由于發(fā)動機實驗耗時較長，而且經(jīng)費消耗巨大，實驗數(shù)據(jù)也不便測量，同時由于計算機技術的飛速發(fā)達，現(xiàn)代設計技術被廣泛的應用于發(fā)動機設計制造當中。本設計以四沖程的汽油機下置式凸輪配氣機構為例，在借鑒國內(nèi)外設計開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，應用PRO/E軟件，對配氣機構的凸輪運動進行仿真，并對結果分析，提出合理優(yōu)化建議。關鍵詞發(fā)動機，氣門機構，凸輪，運動仿真，PRO/E軟件BEIJINGJEEPAUTOMOBILEENGINEVALVEMECHANISMKINEMATICSIMULATIONABSTRACTDISTRIBUTIONINSTITUTIONISANIMPORTANTPARTOFTHEENGINEITISACCORDINGTOTHEWORKCYCLEOFEACHCYLINDEROFENGINEANDFIRINGORDERREQUIREMENTS,TIMESWITCHINLETANDEXHAUSTVALVES,ITISTOMAKETHEFRESHAIRINATIMELYMANNERFULLYINTOTHECYLINDER,EXHAUSTGASTOTIMELYCYLINDERCOMPLETELYRULEDOUTINORDERTOIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHEENGINEREQUIRES,WENEEDALOTOFVALVETRAINOPTIMIZATIONOFEXPERIMENTANDCALCULATIONOFRELEVANTPARAMETERSBUT,BECAUSEOFTHEENGINEEXPERIMENTTAKESLONGTIME,ANDMOREMONEY,ANDTHEEXPERIMENTALDATAISNOTCONVENIENTTOMEASUREINADDITION,BECAUSEOFTHECOMPUTERTECHNOLOGYDEVELOPEDRAPIDLY,ANDTHEMODERNDESIGNTECHNOLOGYHASBEENWIDELYAPPLIEDTOTHEDESIGNANDMANUFACTUREOFENGINETHISDESIGNPUTTHEFOURSTROKEGASOLINEENGINEUNDERNEATHTYPEVALVETRAINCAMASANEXAMPLEONTHEBASISOFTHEDESIGNANDDEVELOPMENTEXPERIENCEATHOMEANDABROADFORREFERENCEUSETHEPRO/ETODOTHEVALVETRAINCAMMOTIONSIMULATION,THENGIVEADVISEBASEONTHERESULTSOFTHEANALYSISKEYWORDSTHEENGINE,THEVALVEBODY,CAM,MOTIONSIMULATION,PRO/ESOFTWARE目錄1緒論111研究背景及意義112國內(nèi)外對氣門機構的研究進展和缺陷2121凸輪軸氣門驅(qū)動機構2122無凸輪軸驅(qū)動氣門機構313本設計主要內(nèi)容62配氣機構結構原理721配氣機構的機構及其組成722氣門機構的分類7221按氣門的布置分類7222按凸輪軸的布置型式分類823凸輪軸的傳動方式824配氣相位93配氣機構的運動學分析1131由挺柱運動規(guī)律求氣門的理論運動規(guī)律1132球面挺柱運動規(guī)律與凸輪輪廓的關系164運用PRO/E建立模型2241PRO/E簡介2242配氣機構建模的具體步驟22421零件建模2242零件的裝配2943本章總結335配氣機構的運動仿真與分析3451機構連接定義34511凸輪連接定義34512彈簧定義3552運動仿真36521添加電機36522機構分析定義3753運動仿真及數(shù)據(jù)測量3754結果分析4055改進凸輪模型406結論43參考文獻44致謝451緒論11研究背景及意義隨著時代的發(fā)展，人們越來越重視汽車的節(jié)能和環(huán)?！，F(xiàn)代高科技的發(fā)展已將發(fā)動機的節(jié)能、增效、低排放作為“節(jié)能高效環(huán)?！币惑w化課題進行綜合研究和技術開發(fā)。而配氣機構是影響發(fā)動機性能最主要的因素之一。配氣相位的選擇對燃燒過程的優(yōu)劣有著非常重要的作用。不僅僅要選擇發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，還要考慮發(fā)動機運轉的地府平穩(wěn)性和發(fā)動機飛起排放的問題。想要改善發(fā)動級的性能，減少有害物質(zhì)的排放，可以通過改變發(fā)動機氣門的運動過程來實現(xiàn)。為達到這些目的，要經(jīng)過大量的實驗和計算。如何在最短的時間內(nèi)高效、高質(zhì)地完成設計和相關實驗，是目前所關心的問題。隨著計算機技術的發(fā)展，建模（包括數(shù)學模型、物理模型等）仿真技術已成為汽車發(fā)動機研發(fā)過程中的一個重要手段。運用計算機軟件的仿真技術可以得出準確數(shù)據(jù)，從而代替了繁瑣冗長的實驗。通過仿真計算、分析，可靈活的調(diào)整設計方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預測各種條件下系統(tǒng)的性能，有效縮短開發(fā)和設計周期，以降低科研經(jīng)費，有助于樣品的制造和實驗。作為發(fā)動機最重要系統(tǒng)之一的配氣機構也緊隨時代的腳步前進，氣門控制技術和氣門動態(tài)仿真技術早期的研究進展比較緩慢，主要成果是在20世紀70年代以后取得的下圖為其發(fā)展歷程。圖11氣門控制技術和氣門動態(tài)仿真技術的發(fā)展歷程隨著現(xiàn)代信息技術的高速發(fā)展，氣門機構動態(tài)仿真技術也緊隨其腳步，在汽車發(fā)動機設計制造領域的應用中不斷向廣度和深度拓展。配氣機構是發(fā)動機中的重要機構，它的優(yōu)劣直接影響發(fā)動機性能和壽命，而且關系到節(jié)省能源和減少污染等問題。隨著時代的發(fā)展，動態(tài)仿真技術的發(fā)展將給發(fā)動機制造領域帶來便捷，為設計者在最短的時間內(nèi)設計出性能強勁的發(fā)動機做出巨大貢獻。因此需要對配氣機構進行優(yōu)化設計，使其工作更加合理，從而提高發(fā)動機性能和壽命。12國內(nèi)外對氣門機構的研究進展和缺陷121凸輪軸氣門驅(qū)動機構絕大多數(shù)活塞式內(nèi)燃機是采用傳統(tǒng)的機械驅(qū)動凸輪結構來驅(qū)動進排氣門的，其氣門的升程、配氣定時一般是基于某一狹小工況范圍發(fā)動機性能的局部優(yōu)化而確定，氣門運動規(guī)律完全由凸輪的型線確定的。這種氣門驅(qū)動機構不夠經(jīng)濟、環(huán)保。特別是車用發(fā)動機，要求配氣相位可變，氣門升程可調(diào)。但是由于它簡單、可靠、相對來說不昂貴，所以至今仍廣泛的使用。由于汽車在行駛過程中路況很復雜，所以要求汽車發(fā)動機在不同的轉速下都能高效率的工作，這就需要凸輪軸可變氣門驅(qū)動機構了。凸輪軸可變氣門驅(qū)動機構是在傳統(tǒng)氣門驅(qū)動機構的基礎上改進的，通過對凸輪軸傳動、搖臂比、頂柱或正時皮帶的調(diào)節(jié)達到改變氣門正時或升程的目的，一般為機械控制，也有少量為電子控制。但是由于依舊采用了凸輪，所以其運動還是受到凸輪輪廓線的限制。LEXUS、ALFAROMEO、TOYOTA以及MERCEDESBENZ、TOYOTA等公一些可變氣門正時系統(tǒng)都是這一類。下圖LEXUS公司的可變氣門正時系統(tǒng)的結構圖圖12LEXUS公司的可變氣門正時系統(tǒng)的結構圖還有一種凸輪軸調(diào)相位機構是由諧波傳動實現(xiàn)的。其機構是由剛輪、柔輪和波發(fā)生器構成。柔輪是容易變形的薄壁外齒圈，剛輪則是剛性內(nèi)齒輪，和諧波發(fā)生器由橢圓盤和柔性軸承組成。這些機構的特點是機構容易實現(xiàn)對氣門上升和下降以及氣門開啟持續(xù)時間的調(diào)節(jié)。而氣門正時系統(tǒng)無法實現(xiàn)氣門開啟持續(xù)時間的調(diào)節(jié)和氣門升程的調(diào)節(jié)，僅僅是可以無極可調(diào)。還有一種是FIAT公司的三維凸輪可變氣門機構，凸輪軸的軸向移動使得凸輪的不同部分與可傾斜導板接觸，改變了氣門的升程和正時，由潤滑系統(tǒng)的油壓提供動力。控制方式有機械的，也有電子的。該機構的缺點是氣門升程和氣門正時的變化范圍受到限制，而且工作過程中，接粗應力較大。該機構的優(yōu)點為氣門開啟和回位的特性以及落座的速度都是可以控制的。另外還有可變連接件式機構，多凸輪機構，可變液壓頂桿是機構等，這里不再一一介紹。122無凸輪軸驅(qū)動氣門機構無凸輪軸啟動氣門機構取消了直接受制于曲軸運動的凸輪軸及其從動件，而以電液、電磁、電氣或者其他方式驅(qū)動氣門。無凸輪軸驅(qū)動配氣機構比傳統(tǒng)的機械式配氣機構簡化了發(fā)動機結構、提高了發(fā)動機的制動性能并且降低了能耗、提高了輸出功率和怠速穩(wěn)定性、減少了磨損和沖擊噪聲等等，無凸輪軸驅(qū)動配氣機構截止當前為止最有潛力的、自由度最大的可變氣門系統(tǒng)。（一）電機控制可變氣門驅(qū)動機構電機控制可變氣門驅(qū)動系統(tǒng)的凸輪由與原凸輪軸傳動系統(tǒng)無關的電動機直接單獨驅(qū)動。如下圖圖13電機控制可變氣門驅(qū)動機構這種系統(tǒng)中，每一個氣門都由一套永磁無刷直流電機帶動凸輪進行驅(qū)動，過增加或減少氣門開啟時凸輪/電機的角速度來改變氣門動作的持續(xù)時間，以應縮短或延長氣門的動作時間。該系統(tǒng)的缺點是難以將發(fā)動機的運轉過程與電動機協(xié)調(diào)一致。優(yōu)點是，轉速范圍廣，在可變定時和部分升程運行方面具有較好的靈活性。在高轉速下，電機消耗的功率太大。（二）電液驅(qū)動氣門機構電液驅(qū)動氣門機構有一般分為兩種，一種是無彈簧，一種是有彈簧的。無彈簧液壓可變氣門驅(qū)動系統(tǒng)取消了凸輪軸及回位彈簧，它包括一路高壓油源和一路低壓油源，在氣門頂部裝有一個雙作用的液壓活塞，活塞上部的油腔分別與高壓和低壓油源相連通，活塞下部油腔一直與高壓油源連通，活塞上部的面積顯著大于下部的面積。有彈簧的電子控制液壓可變氣門驅(qū)動系統(tǒng)取消了凸輪軸，保留了氣門回位彈簧，系統(tǒng)由一個常閉型和一個常開型兩位兩通電磁閥共同作用，控制氣門的開啟與關閉，通過回位彈簧回位。（三）電磁氣門驅(qū)動機構目前來看，電磁氣門驅(qū)動系統(tǒng)是一種很有前途的驅(qū)動方式。相比于傳統(tǒng)的凸輪軸驅(qū)動，它結構簡單，性能優(yōu)越，并且在燃油經(jīng)濟性和排放方面都有優(yōu)勢。采用雙彈簧、雙線圈的電磁氣門驅(qū)動機構。發(fā)動機不工作時,兩線圈均不通電。銜鐵4及氣門1在彈簧7的作用下,處于半開半閉的中間狀態(tài)。控制系統(tǒng)根據(jù)曲軸轉角判定各氣門應打開或關閉,使關門線圈5或開門線圈2通電,電磁力克服彈簧力將氣門1關閉或開啟。若系統(tǒng)判定氣門應開啟,則開門線圈2通電,銜鐵4與開門鐵芯3間的電磁力克服彈簧力,使氣門1向下運動直至最大開啟位置。1）氣門2）開門線圈3）開門鐵心4）銜鐵5）關門線圈6）關門鐵心7）彈簧8）氣門導管）圖14雙彈簧、雙線圈的電磁氣門驅(qū)動機構這種系統(tǒng)的優(yōu)點是L取消了凸輪軸，可以隨意定時氣門的開啟和關閉；2開啟和關閉動作迅速。缺點是1氣門落座沖擊較大，易產(chǎn)生噪聲，磨損較快；2為了防止線圈過熱，需要另外的冷卻和潤滑；3氣門落座速度過大。由上可知，只要是存在凸輪的可編氣門系統(tǒng)，其氣門的工作特性都受到凸輪輪廓線的限制。無凸輪可變氣門系統(tǒng)去掉了凸輪，而且系統(tǒng)由電子控制單元控制，其氣門正時、開啟持續(xù)期、升程、動作速度都是柔性可調(diào)的，是截止目前為止最有潛力、自由度最大的可變氣門系統(tǒng)。另外，凸輪軸被去掉，大大簡化了結構，改善了曲軸的應力狀態(tài)，減少了發(fā)動機的能耗。13本設計主要內(nèi)容本文在借鑒國內(nèi)外設計開發(fā)經(jīng)驗的基礎上，以四沖程的汽油機下置式凸輪配氣機構為例，建立運動學模型。運用PRO/E軟件完成零件建模，并利用PRO/E中的運動仿真模塊對建立的模型進行運動學仿真分析。得出氣門運動過程中的位移、速度、加速度與時間的關系圖線。然后對得到的結果進行分析，運用凸輪運動特性的相關知識，通過修改凸輪輪廓線對模型進行合理改進。從而使配氣機構更加合理的工作，提高發(fā)動機性能。2配氣機構結構原理21配氣機構的機構及其組成1）凸輪軸；2）氣門搖臂；3）氣門彈簧；4）氣門導管；5）氣門；6）氣門座圖21氣門機構氣門機構由氣門組和氣門傳動組組成。氣門組包括氣門及與之相關聯(lián)的零件，其組成與配氣機構的型式基本無關。氣門傳動組是從正時齒輪開始至推動氣門動作的所有零件，其組成視配氣機構的形式而有所不同，關于氣門結構的結構，各種系統(tǒng)也不盡相同，但是大體上是一致的，下面我們按照分類來教要說明一下。22氣門機構的分類221按氣門的布置分類按照氣門布置分為側置氣門（氣門布置在氣缸蓋側面，已淘汰）和頂置氣門式（氣門布置在氣缸蓋上）。氣門頂置式配氣機構氣門頂置式配氣機構應用最廣泛，其進氣門和排氣門都倒掛在汽缸蓋上。氣門側置式配氣機構的進氣門和排氣門都裝在汽缸體的一側。這種配氣機構的氣門開啟方法有兩種一種是利用搖臂驅(qū)動，另一種是通過凸輪軸直接驅(qū)動。雖然這種機構的結構簡單，制造方便。但由于氣門布置在汽缸的一側，使燃燒室的結構不緊湊，限制了壓縮比的提高，此外，還由于進氣道拐彎多，進氣流動阻力大，因而發(fā)動機的動力性和高速性均較差。222按凸輪軸的布置型式分類凸輪軸的布置型式可分為下置、中置和頂置三種。它們都可用于氣門頂置式配氣機構，而氣門側置式配氣機構的凸輪軸只能是下置式。凸輪軸頂置式氣門機構的凸輪軸布置在汽缸蓋上。在這種結構中，凸輪軸直接通過搖臂來驅(qū)動氣門。這種傳動機構沒有挺柱、推桿，使往復運動質(zhì)量大大減小。因此，它適用于高速發(fā)動機。但由于凸輪軸離曲軸中心線更遠，因此正時傳動機構更為復雜，而且拆裝汽缸蓋也比較困難。缸徑較小的柴油機的凸輪軸頂置時，給安裝噴油器也帶來了困難。凸輪軸下置（圖22）和中置的配氣機構中的凸輪軸分別位于曲軸箱和汽缸體上部。對于高轉速的發(fā)動機，為了減小氣門傳動機構的往復運動的質(zhì)量，可將凸輪軸的位置移到汽缸體的上部，由凸輪軸經(jīng)過挺柱直接驅(qū)動搖臂而省去推桿，這種結構被稱為凸輪軸中置式配氣機構。23凸輪軸的傳動方式凸輪軸的傳動機構不僅要曲軸帶著凸輪軸轉動，而且要使凸輪軸對曲軸保持一定的相位關系以保證氣門適時啟閉，因此常被稱為正時傳動系統(tǒng)機構。曲軸與凸輪軸之間的傳動方式有齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動。1）曲軸凸輪正時齒輪2）凸輪軸正時齒輪3）凸輪軸4）挺住5）推桿6）搖臂座7）搖臂軸8）搖臂9）氣門圖22齒輪傳動鏈傳動，可以想得到，就是用鏈條來傳遞曲軸和凸輪軸之間的轉動，特別適合于凸輪軸頂置的配氣機構。這種傳動方式對于減少噪聲、減輕結構質(zhì)量和降低成本都有很大的好處。齒帶傳動是現(xiàn)在高速發(fā)動機廣泛采用的傳動方式，齒形帶由含鋼絲或尼龍絲的塑料帶制成，不需要潤滑松邊也要張緊以防跳齒。成本低噪聲小，對轎車很有利，但是壽命一般不是很長，只適用于小型高速汽油機。1）曲軸正時皮帶2）中間軸正時皮帶3）齒形皮帶4）張緊輪5）凸輪軸傳動皮帶輪6）進氣凸輪軸7）凸輪8）液壓挺住9）進氣門組件10）進氣凸輪軸圖23齒形皮帶傳動24配氣相位配氣相位就是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上、下止點曲軸位置的曲軸轉角的環(huán)形圖來表示，這種圖形常被稱為配氣相位圖如圖24所示。現(xiàn)代發(fā)動機都采取延長進、排氣時間的方法，即氣門開啟和關閉的時刻并不正好是曲拐處在上止點和下止點的時刻，而是分別提早和延遲一定的曲軸轉角，以改善進、排氣狀況，從而提高發(fā)動機的動力性。圖24配氣相位圖凸輪軸上配置有各缸進、排氣凸輪，用以使氣門按一定的工作次序和配氣相位及時開閉，并保證氣門有足夠的升程。同一汽缸的進、排氣凸輪的相對轉角位置是與既定的配氣相位相適應的。發(fā)動機各個汽缸的進氣或排氣凸輪的相對角位置應符合發(fā)動機各汽缸的點火次序和點火間隔時間的要求。因此，根據(jù)凸輪軸的旋轉方向以及各進氣或排氣凸輪的工作次序，就可以判定發(fā)動機的點火次序。凸輪軸通常由曲軸通過一對正時齒輪驅(qū)動，小齒輪和大齒輪分別用鍵裝在曲軸與凸輪軸的前端，其傳動比為2L。氣門機構的工作原理是這樣的，氣門機構運動的動力來源是曲軸，即由連接于氣缸曲軸上的時規(guī)齒盤以時規(guī)鏈條來帶動連接于凸輪軸末端的另一個時規(guī)齒盤，兩個齒盤的齒比是12，也就是說經(jīng)過4個行程后曲軸轉了7200度，而凸輪軸只轉了3600度。有了這些驅(qū)動裝置，凸輪軸便能隨發(fā)動機運轉而轉動。平時因為氣門彈簧的彈力作用而關著的氣門，當凸輪軸上的凸輪轉到凸面時，由凸輪推動氣門搖臂，氣門便被打開，之后再隨著凸面的離開及氣門彈簧的作用而關閉。所以氣門機構的功用就是按照發(fā)動機每一汽缸內(nèi)所進行的工作循環(huán)和點火次序的要求，定時開啟和關閉各汽缸的進、排氣門，使新鮮可燃混合氣汽油機或空氣柴油機得以及時進入汽缸，廢氣得以及時從汽缸排出。3配氣機構的運動學分析氣門機構運動學所研究的內(nèi)容包括凸輪從動件（下置凸輪軸式氣門機構中的挺柱，頂置凸輪軸式氣門機構中的搖臂）運動規(guī)律與凸輪的關系，以及從動件與凸輪的相對滑動關系；在不考慮機構彈性的條件下，凸輪從動件的運動規(guī)律與氣門運動規(guī)律的關系。由前者可以明確從動件運動規(guī)律對凸輪輪廓的曲率半徑以及凸輪從動件摩擦潤滑特性的影響，由后者可以得出單純凸輪從動件運動規(guī)律所決定的“氣門理論（幾何）運動規(guī)律”。這里只對下置式凸輪氣門機構作詳細介紹。31由挺柱運動規(guī)律求氣門的理論運動規(guī)律在下置凸輪軸式氣門機構中，搖臂通常以其長臂端的圓柱面與氣門桿端面接觸，短臂端則固定著氣門間隙調(diào)整螺釘，螺釘以球頭（或球窩）與推桿端的球面接觸。圖31搖臂簡圖這樣的搖臂可以用圖31所示的杠桿AOB和擺桿BC來表示。在搖臂驅(qū)動氣門的過程中，桿AOB繞O點（搖臂軸中心）擺動，桿BC則繞B點擺動而始終保持著垂直于氣門桿端面的位置。圖32給出了下置凸輪軸式氣門機構的簡圖。作為一般可能的情況，挺柱中心線與氣門不平行。點F表示推桿下球頭和挺柱球窩的中心,AF表示推桿。當凸輪驅(qū)動挺柱以速度運動時，點F沿挺柱中心線以運動，而搖臂的VFVA、B兩點的速度方向各垂直于OA和OB。延長OA，與通過F的挺柱中心線垂線交于P，則P即推桿AB的瞬時轉動中心。于是（31）SIN9COSOAFFFVVV而BBAALOV式中、以及下文即將出現(xiàn)的含義見圖32。ALB氣門的運動速度（32COSCOSSBVBFALVV）定義“搖臂比”為氣門速度與挺柱速度之比，則I（33COSVBVFAFVLL）式中的就是圖32中的。點是通過點的挺柱中心線垂線與推桿的延長線FLODOOE的交點，則是點至的垂直距離。VLBC圖32下置凸輪軸式氣門機構簡圖如果搖臂比是一個常數(shù)，則氣門的速度和加速度為VVVJFI（34）VFDVJIJTT而任意時刻時的氣門升程為T（35）0000VVVFFTTTTFHVDIVIVIVD式中是氣門始動時刻，是挺柱始動時間。顯然就是時刻的挺柱升0VT0FT0FTVDT程，而就是為消除氣門間隙所用去的挺柱升程。因此Y0FTVDY（36）0HIYIM若按此式算出的，說明氣門間隙尚未消除，而即為該瞬時的間隙值。HH式（35）、（36）說明，當搖臂比為常數(shù)時，氣門運動規(guī)律就是挺柱運動規(guī)I律的簡單放大。但是下置凸輪軸式氣門機構的搖臂比只是在滿足2OR（37）00的條件下才近似于常數(shù)。此處、和各為圖32中所示的三個位置角的初始值，即挺柱處于凸輪基圓上時的位置角。當很小時可以認為因此COS1,0,（38）000這樣，式（43）中的，搖臂比也近似于一個常數(shù)了。COS1IBAL如果不能滿足式（34），則對于的氣門機構，其搖臂比會隨著挺00I柱的升起而漸漸變大。反之，對于的氣門機構，將隨著挺柱的升起而逐I漸變小。例如，492QA的氣門機構。其搖臂比就在148157的范圍內(nèi)變化，氣門全開時最大。I對于搖臂比隨時間變化的下置凸輪軸式氣門機構來說，任一瞬時的氣門速度仍然是，而氣門加速度VFVI（）（39）VFFDVIDVIJTTTT2/MS不僅與有關，還同搖臂比的變化有關?？梢韵雀鶕?jù)氣門機構的幾何關VJFDVJTI系逐點計算和氣門升程，再利用、和逐點計算。IHFJVFJDITVJ下面就給出逐點計算氣門升程和搖臂比的算式。式中各符號的含義見圖37。坐標軸線平行于氣缸中心線。挺柱中心線對軸線傾斜，斜度以挺柱中心線的垂OYOY直線對軸線的夾角表示，和推桿長度，搖臂尺寸、和，氣門桿EUPLALB端面在氣門桿關閉時高出搖臂軸線的距離，氣門間隙等均為設計給定值。在氣Z門機構的初始位置，挺柱和凸輪基圓接觸，推桿上球頭中心的坐標、。已知0XY同時搖臂長臂端圓柱面與氣門桿端面之間有氣門間隙。按照圖33（A）中所示幾何關系，可以先依次把、和算出來。然后可計算OE0F0TS00挺柱升程為時的各位置參數(shù)（圖33（B），圖形如下YA）初始位置B氣門啟動過程中任一瞬時狀態(tài)圖33下置凸輪軸式氣門機構傳動鏈幾何關系圖各參數(shù)之間的關系可以從下面方程獲得0SINYYUCOX2OF（310）2ARCOSAPLOFLTAXSTARCTGY180OUS0CSINAOELARCTGFY0挺柱升程為時氣門升程和搖臂比就是YHI0SINBL311COSBAL按此計算出的若為負值，說明此時刻氣門間隙尚未清除，即該瞬時的間隙值。HH通常在氣門機構的分析中挺柱、氣門的速度不用、（）表示，F(xiàn)DYVTVT/MS而用、（度）表示。此處是凸輪軸轉角。為便于區(qū)分，DY/M記（312）22,DYDYHDH則6,3FCFCVNJ（313）6VVHN式中是凸輪軸轉速。CNMINR當挺柱的運動規(guī)律即其、和隨凸輪軸轉角變化的規(guī)律已知時，對于定搖Y臂比的氣門機構，其氣門的理論運動規(guī)律就是。對于是變,HIYIHIYI量的氣門機構，則只能以較小的轉角步長，用式（36）和式（37）逐點計算每一轉角下的和，氣門速度，而氣門的加速度。此處可得HIHIYDIIYDI自數(shù)值微分。顯然，變搖臂比的氣門機構的運動學計算比定搖臂比氣門機構復雜，設計時只要結構布置條件允許，宜滿足式（34）所示的定搖臂條件。最后要說明的是，根據(jù)虛位移原理，應有（314）FVPV式中是由凸輪作用于挺柱的沿方向的力，是由氣門作用于搖臂長臂端的逆FPFVP方向的力。因此，搖臂比既是速度之比，也是作用力之比（忽略慣性力），即VVI（315）VFVPI32球面挺柱運動規(guī)律與凸輪輪廓的關系很多發(fā)動機的下置凸輪軸式氣門機構不采用平底挺柱而采用球面挺柱。原因是凸輪軸在發(fā)動機運行總有彎曲變形，要想使挺柱能適應凸輪軸的變形而不發(fā)生尖點接觸，只可能有兩種辦法，一是把平底挺柱導向部分的外圓做成桶形面，二是把挺柱底面做成球面。原則上前一種辦法可使挺柱和凸輪保持線接觸以減小接觸應力但目前用得較多的還是后一種球面底挺柱。球面半徑多大在之間，同時凸SR7501輪輪廓帶有錐度。凸輪中間斷面無需對應挺柱中心線偏移就能使挺柱轉動。815（1）基本關系式見圖38，球面挺柱的球面中心至凸輪中心的距離為SO（316）0SRRYM而（317）SSD式中的和各位球面挺柱的升程和速度（度），是凸輪驅(qū)動球面挺柱時SY/S的凸輪轉角。就凸輪輪廓上同一點來說，它所對應的不同與FSERARCTGRT凸輪驅(qū)動平底挺柱時的。,Y圖38球面挺柱與凸輪的關系依照分析平底挺柱運動的方法也可以作出一個速度三角形，并可推導出（318）SEYRM和（）2FCCSCVGRA/MS（319）壓力角（）（320）SEARTGRTR這三個式子中應以（度）為單位。R/M根據(jù)已知的數(shù)學公式，即坐標曲線的曲率半徑為SF（321）3/22SRM故凸輪輪廓的曲率半徑為（322）3/22SSRRR此式中和各以（弧度）和（弧度）的為單位。SDR2S/M/M2球面挺柱與凸輪的接觸點沿挺柱球面移動的速度為（323）SSSSCDRDRTT代入求導，最終可得（324）21SSCSRDRRT球面挺柱凸輪副建立承載油膜的有效速度為SSFCDRVTT（325）221SSCRR相應得潤滑特性數(shù)為（326）221SSSRN以上三式中的也以（弧度）為單位。R/M（2）平底挺柱運動規(guī)律與球面挺柱運動規(guī)律的換算關系凸輪外廓常常是按照它驅(qū)動平底挺柱時的升程數(shù)據(jù)表給定、制造和檢驗的。這就是說往往已知的是而不是。由圖38可見對于同一接觸點YFSSYF。根據(jù)圖中所示幾何關系可以推導出由已知的計算對應的,SSY,Y的公式如下。,S220SSROERY（327）001SSRYM因球面挺柱的很大，很小，可近似認為SR0SR20012SSYRYR（328）200SSRYM于是有（329）2001SSSYRYRSSOEARCTG（330）0SYTR在挺柱上升段和均為負值而為正值，；在挺柱下降段和S,SEYS均為正值而為負值，。SS又，由和的相似關系，SOGSE00SSEERYRY以和式（324）代入，可得,SEY（331）2012SSYYR如果要求解決的是給定的反求利用平底探頭檢驗凸輪所需的升程數(shù)據(jù)，SSF即由計算對應的，則,SY,Y0COSSRR（332）S須注意，由各計算各時，是等步長增大的，得出的不是等步,Y,SYS長遞增的。反之，由各計算各時，等步長遞增的對應不等步長遞增,S,S的。要想按等步長遞增的轉角給出對應的升程數(shù)據(jù)，還必須對計算結果進行插值處理。在實際工作中鑒于很大而很小，往往就把當作，所引SRYFSSYF起的升程誤差一般不大于。1在此順便提一下帶滾輪的挺柱。式（321）至（326）六個式子對滾輪挺柱是適用，式（332）和（334）也適用，只是因其與同一數(shù)量級，式（331）SR0Y和（333）不使用。由圖316可以看出，同一凸輪在同一轉角下的滾輪挺柱升程小于平底挺柱升程。越小，二者相差越大。因此，同SY0COSBVXLSR一個凸腹圖輪驅(qū)動滾輪挺柱時得到的氣門開啟時面值小于驅(qū)動平底挺柱時的時面值。如果用滾輪挺柱，宜配上切線凸輪（凹腹凸輪公藝性差，也不宜用）。不過由于滾輪挺柱的質(zhì)量較大而成本又較貴，在高速汽車發(fā)動機中一般時不用的。（3）搖臂長臂端對氣門桿端面的滑移見圖39，在氣門開啟過程中搖臂和氣門接觸點在搖臂端圓柱面上的位置和氣門桿端面上的位置都在變。在搖臂端圓柱面上的接觸點位移為（333）018VSM此處是氣門間隙剛消除而氣門尚未開啟時得搖臂位置角，是開啟過程中任一0V圖39搖臂長臂端與氣門桿端的相對滑移圖310搖臂/氣門接觸點移距瞬時的位置角。，是氣門關閉時其桿端面0ARCSIN,ARCSINVBBZHZLL高出于搖臂軸線距離。在氣門桿端面上的接觸點位移為（334）0COSBVXLM和隨搖臂擺角變化的規(guī)律示于圖310。同一時刻SX0VVDT，說明搖臂和氣門桿端面間有相對滑移?；扑俣葹椤C為減少接觸面的磨損，希望（1）不出現(xiàn)；這就要求在氣門啟閉過程0XT中始終大于零，即搖臂端圓柱面的半徑應大于，此處是氣門的最大升RHZRH程；（2）相對滑移總距離盡可能小些。據(jù)推導，當略小于時最小RVSDTZ05VHS，實際氣門機構多取。0354VZH為了使氣門桿端面的受力點不偏離氣門中心線過多，宜使接觸點的移動范圍。此處是氣門全開時的搖臂位置角，MAXCOS2OSBDVVLDD是氣門桿直徑。要滿足這一要求，應小于，搖臂端圓柱面直徑的選SVDOV205O擇受此限制。此外，接觸點在氣門桿端面上的移動范圍宜對稱與氣門中心線，因此和之間宜符合于或接近于的關系，此處是搖臂擺動中心0CS/VBDVLVL至氣門中心線的距離。SO4配氣機構模型建立41PRO/E簡介PRO/E是PRO/ENGINEER的簡稱，PRO/E是美國參數(shù)技術公司（PARAMETRICTECHNOLOGYCORPORATION，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。PROE作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今主流的模具和產(chǎn)品設計三維CAD/CAM軟件之一。PRO/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。42配氣機構建模的具體步驟本文選用的是北京吉普汽車發(fā)動機的配氣機構。包括凸輪軸、推桿、搖臂、氣門組、推桿套。下面依次介紹零件建模過程和整體裝配。421零件建模1凸輪軸選取TOP平面作為基準面，點擊草繪命令，繪制直徑為34MM的圓，圖41草繪出直徑34MM的圓然后點擊確定,選擇拉伸命令拉伸28MM，得到下圖圖42拉伸出28MM的圓柱選擇FRONT平面作為基準面繪制草圖43草繪圖形確定后按旋轉命令并選擇去除材料旋轉后如下圖44旋轉切除然后選擇零件地面作為草繪平面繪制直徑32MM的圓，向下拉伸5MM得到下圖圖45拉伸出5MM的圓柱繼續(xù)選擇零件底面為草繪平面，繪制草圖如下圖46草繪凸輪輪廓線向下拉伸24MM得到第一個凸輪的圖形圖47凸輪按照上述方法得到的凸輪軸最終圖形圖48凸輪軸最后再利用前面用到的旋轉去進行切槽，最后利用倒圓角命令對凸輪的頂端倒圓角得到凸輪軸的模型；圖49凸輪軸2搖臂選取TOP平面作為草繪平面，畫直徑為25和20的兩個同心圓圖410草繪同心圓然后選擇拉伸命令拉伸出如下圖形圖411拉伸出空心圓柱繼續(xù)選擇TOP平面為基準平面，繪制下圖圖411草繪圖形然后向上拉伸3MM，圖412拉伸圖形選擇筋工具為其添加筋，如圖圖413添加筋選中全部，以TOP平面為參照進行鏡像得到搖臂大致圖形圖414搖臂最后在利用拉伸和旋轉命令對其進行修改得到最終圖形圖415搖臂3氣門組零件（1）氣門，用拉伸和旋轉命令即可得到如下圖所示的氣門圖形圖416氣門（2）氣門彈簧座，用拉伸和旋轉命令得到圖417氣門彈簧座（3）氣門導管圖418氣門導管（4）鎖片圖419鎖片（5）擋片圖420擋片4其他零件，運用PRO/E中的命令一次繪制出了各個零件的圖形圖421推桿套圖422推桿圖423機架422零件的裝配1氣門組的裝配（1）首先將擋片設置為缺省，然后添加氣門導管，并用常規(guī)連接將其完全定義，使其固定。如圖圖424裝配（2）然后添加氣門，設置為滑動桿連接，點擊放置依次選擇軸對齊和旋轉并選擇元件，得到如圖所示結果圖425滑動桿連接（3）添加鎖片和氣門彈簧座，只需要用常規(guī)連接將其完全定義在氣門上邊，即讓其固定在氣門上得到圖圖426氣門裝配2總體裝配（1）凸輪軸裝配，為了方便裝配，作者自己設計了機架，在上文中已經(jīng)列出其零件圖。這里先將機架設置為缺省然后再添加凸輪軸，選擇銷釘連接，點擊放置。依次選擇軸對齊和平移并選擇元件得到下圖圖427（A）凸輪軸裝配圖427（B）凸輪軸裝配（2）推桿套裝配，添加元件是選擇推桿套，用常規(guī)連接將其完全定義，使其固定在機架上不動，得到結果，其余推桿套按同樣方法裝配圖428推桿套裝配（3）推桿裝配，按照前面氣門裝配的方法，用滑動桿連接定義推桿，得到推桿裝配圖圖429推桿裝配（4）搖臂裝配，搖臂采用和凸輪軸一樣的銷釘連接裝配后，點擊新設置，添加槽連接，選擇直線上的點，完成定義。其余搖臂按照同樣的方法裝配得到圖430（A）搖臂裝配圖430（B）搖臂裝配（5）氣門組的裝配。作者先采用剛性連接將氣門擋片和氣門套管完全定義，使其固定在機架上不動，然后再設置新設置中加入槽連接，其余氣門組裝配方法相同圖431（A）氣門組裝配圖431（B）氣門組裝配43本章總結本章主要介紹了配氣機構中零件的繪制以及整體的裝配，按照PRO/E的操作方法完成了模型的建立。在建模的過程中要注意在裝配時定義的連接要準確，符合實際運動情況，為下一章的運動仿真做好充分準備。5配氣機構的運動仿真與分析51機構連接定義511凸輪連接定義點擊應用程序中選擇機構，進入機構界面圖51機構界面然后點擊，選擇凸輪連接，凸輪1選擇凸輪軸，凸輪2選擇推桿，點擊確定定義凸輪連接圖52凸輪定義其余推桿與凸輪連接用同樣的方法得到。512彈簧定義在機構界面點擊定義彈簧，選取擋片上一點和氣門彈簧座上一點，設定K值為10，點擊確定得到氣門彈簧圖53定義彈簧其余彈簧方法相同，最終得到模型圖圖54模型圖52運動仿真521添加電機要使機構運動，需要在機構中添加伺服電機，為機構提供動力，在機構界面點擊，定義伺服電機圖55（A）定義電機選取凸輪軸和機架的銷釘連接作為運動軸，然后再輪廓內(nèi)設定模位常數(shù)，A36，意為凸輪軸轉速位36度/每秒。然后點擊確定。圖55（B）定義電機522機構分析定義點擊機構界面創(chuàng)建分析，類型選擇運動學，終止時間改為10，初始配置選擇快照1后點擊確定圖56創(chuàng)建分析53運動仿真及數(shù)據(jù)測量在左側機構樹中選中設置好的分析，點擊運行圖57運行分析然后點擊測量工具，選擇電機動力，創(chuàng)建新測量選擇氣門上的一個點圖58測量定義分別測量出氣門位移，速度，加速度，點擊分別得出氣門的位移、速度、加速度圖線如下圖59氣門位移圖510氣門速度圖511氣門加速度54結果分析根據(jù)分析得到的運動線圖可以得到如下結論1、位移線圖從0時刻到1時刻位置沒有變化，此時，凸輪在基圓上運動，氣門禁止不動。在1時刻到25時刻時位置位移變化較為劇烈，此時，氣門向下運動，完成進氣過程。從25秒到4秒，氣門上升運動，完成排氣過程。位移圖線有一些不合理處，應需在位移最小處停留1到2秒，保證氣門充分進氣。2、速度線圖從0秒到1秒一直為0MM/S，因為此時氣門一直不動。從1時刻到25時刻位置，開始進氣，氣門速度變化較為劇烈，而此時需要氣門速度變化較為平緩；在25時刻位置速度存在突變，變化幅度為從40MM/S到0MM/S，說明該位置凸輪輪廓曲線存在不連續(xù)的狀態(tài)，導致出現(xiàn)加速度存在無窮大突變，進而可能導致“剛性沖擊”，引起氣門沖擊問題。在排氣過程中存在同樣的問題。依據(jù)以上分析，說明在氣門上升和下落階段存在速度不合理的問題，需要修改凸輪闊線。3、加速度線圖從0時刻到1時刻位置加速度一直為0MM/S,此時氣門速度也為20MM/S，在1時刻時，氣門開始運動，此時加速度有突變，幅值位0MM/S到202MM/S，說明該位置凸輪輪廓曲線存在不連續(xù)的狀態(tài)，導致出現(xiàn)加速度存在有限突變，2進而可能導致“柔性沖擊”，在2時刻到3時刻階段，氣門加速度存在多處突變，幅度為60MM/S到180MM/S說明凸輪輪廓線存在不連續(xù)，可能導致柔性突變。依據(jù)以2上分析，說明在氣門開始運動時和氣門到達最低點返回時的加速度存在突變，需要修改凸輪闊線。55改進凸輪模型按照凸輪運動特性和實際中對氣門運動的要求，作者對凸輪模型進行修改，得到了新的凸輪輪廓線，然后重新進行運動仿真得到新的位移、速度和加速度圖線圖512改進后的氣門位移圖513改進后的氣門速度圖514改進后的氣門加速度根據(jù)改進后的圖線分析可以得出一下結論1、氣門位移圖開始時變化較為平緩，而且在最低點出停留約05S，這樣的設計可以保證氣缸充分進氣，有利于提高配氣機構性能；2、經(jīng)過修改凸輪輪廓線，從氣門速度圖中可以看出，氣門速度沒有突變，消除了氣門運動過程中的剛性沖擊，而且速度變化幅度也變?yōu)?MM/S到16MM/S。這樣可以減小氣門落座的沖擊力，減少了配氣機構的損害。3、由加速度圖像可以看出，氣門加速度幅度變化由原來的0MM/S到180MM/S2變?yōu)?MM/S到40MM/S，大大減小了氣門加速度的突變幅度。減小了氣門運動過程222中柔性沖擊，改善了配氣機構的性能。6結論本片論文通過對配氣機構的發(fā)展的學習和了解，結合所學過的知識，通過PRO/E建立模型，對氣門機構進行運動仿真得到以下結論1現(xiàn)有氣門機構，氣門在到達最頂端的時候沒有停留，不能保證充分進氣；2凸輪軸四段曲線連接處存在拐點，使氣門運動過程中出現(xiàn)速度和加速度的