凸輪型線設(shè)計(jì)

序號(hào)：—編碼：重慶理工大學(xué)第二十四屆“開拓杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽

參賽作品作品名稱：配氣凸輪型線設(shè)計(jì)作品類別：A類別：A自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文B科技發(fā)明制作C哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類學(xué)術(shù)論文與社會(huì)調(diào)查報(bào)告2016年重慶理工大學(xué)研究生開拓杯配氣凸輪型線設(shè)計(jì)摘要：配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)重要組成部分，它控制著內(nèi)燃機(jī)的換氣過程，其設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響著內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排放性以及工作可靠性。今年來隨著內(nèi)燃機(jī)的高速化，低排放化的趨勢，人們對(duì)其配氣機(jī)構(gòu)的性能要求越來越高。而凸輪型線配氣機(jī)構(gòu)的核心部分，其設(shè)計(jì)的合理性影響著配氣機(jī)構(gòu)的各個(gè)性能指標(biāo)。凸輪型線的設(shè)計(jì)既要保證獲得盡可能的大時(shí)面值和豐滿系數(shù)以提高換氣效率，又要保證加速度曲線連續(xù)，、無突變。本次論文針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)出一款缸徑為68的配氣凸輪，并對(duì)其性能做出相應(yīng)的評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：配氣機(jī)構(gòu)凸輪升程凸輪型線Abstract:Airdistributionmechanismisanimportantpartoftheinternalcombustionengine,whichcontrolsthegasexchangeprocessoftheinternalcombustionengine,thedesignofwhichhasadirectimpactontheenginepower,economyandemissionsaswellasworkreliability.Thisyear,withthehighspeedoftheinternalcombustionengine,thetrendoflowemission,theperformancerequirementsofthegasdistributionagenciesaregettinghigherandhigher.Andthecorepartofthecamtypeairdistributionmechanism,therationalityofitsdesignaffectstheperformanceindexesoftheairdistributionmechanism.Thedesignofthecamprofileisnotonlytoensurethatthefacevalueandfullnesscoefficientareobtainedasmuchaspossibletoimprovetheventilationefficiency,butalsotoensurethattheaccelerationcurveiscontinuous,andthereisnomutation.Thispaper,inviewoftheabovesituation,designabore68ofthecam,andmakethecorrespondingevaluationonitsperformance.Keyword:ValvetrainCamliftCamprofile.凸輪設(shè)計(jì)的基本原則凸輪的設(shè)計(jì)即凸輪外輪廓線的設(shè)計(jì)，凸輪廓線有兩種表示方法：(1)型線式，給出凸輪對(duì)應(yīng)的挺柱升程曲線以及基圓半徑，(2)外型式，給出輪廓形的幾何形狀和曲線方程。兩種方法的都能清楚的表示出凸輪的輪廓。它們沒有什么本質(zhì)的區(qū)別，外型線能直接反映出凸輪的輪廓，看起來更為直接方便，而型線式的優(yōu)點(diǎn)是可以直接反映出氣門等從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)是，需要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行計(jì)算，這時(shí)就需要?dú)忾T開啟和關(guān)閉的規(guī)律，在生產(chǎn)過程也需要的是氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此，型線式具備方便加工和計(jì)算簡介的優(yōu)點(diǎn)，在一般的設(shè)計(jì)中也常被采用，所以本文將按照型線式的方式表不。.配氣凸輪的外形設(shè)計(jì)的兩種方法(1)先選定凸輪與挺柱的形式，然后求出挺柱和氣門的升程、加速度、速度以及時(shí)間面值，再根據(jù)這些參數(shù)所選的凸輪的幾何形狀進(jìn)行校核。(2)從保證較大的時(shí)間面積值和較好的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)，先預(yù)定挺柱的生成規(guī)律然后再求出其幾何形狀。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中第一種方法更為較多的被采用，本次設(shè)計(jì)也將采用第一種方法。.基圓半徑的確定凸輪型線是從基圓開始繪制的，從保證配氣機(jī)構(gòu)能夠具備的剛性條件出發(fā)選擇它的基圓半徑R,通過查閱設(shè)計(jì)手冊其值一般在R=(1.5?2.5)xhmax的范圍?；鶊A半徑：R=(1.5?2.5)x8=12?20mm基圓的設(shè)定可根據(jù)具體結(jié)構(gòu)大小而定，本次設(shè)計(jì)設(shè)定為13mm.凸輪緩沖段設(shè)計(jì)(1)緩沖段的設(shè)計(jì)的基本要求1)由于存在氣門間隙Lo,氣門實(shí)際開啟時(shí)刻要落后于挺柱運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，所以必須設(shè)計(jì)一段緩沖段減少?zèng)_擊。2)由于氣門彈簧具備一定的預(yù)緊力F。，機(jī)構(gòu)在一開始要壓縮彈簧使其變形，等彈性變形力克服了氣門彈簧預(yù)緊力后才能開始正常運(yùn)動(dòng)。3)由于氣缸內(nèi)存在氣壓力，氣壓力的作用和氣門彈簧預(yù)緊力的作用有一定的相似性，它們都是阻止氣門的開啟，使氣門開啟有一定的延遲。由于以上方面的原因，沒有緩沖段的凸輪，會(huì)使氣門氣門初速度由零在短時(shí)間內(nèi)變的很大，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，容易導(dǎo)致零件變形，損壞零件。（2）凸輪緩沖段參數(shù)的確定1）緩沖段高度Hof.進(jìn)氣門開啟Ho＞史口）（2-12）進(jìn)氣門關(guān)閉Ho＞叱盧）（2-13）排氣門開啟Ho＞"丁"。）（2-14）排氣氣門關(guān)閉H。＞一出售）（2-15）上式中，G為機(jī)構(gòu)剛度（N/mm；F0/C0為預(yù)緊力引起的彈性變形；Fg/Co氣壓力引起的彈性形變；i為搖臂比；△H為氣門提前落座的量（由氣門與氣門導(dǎo)管間隙引起的氣門傾倒而導(dǎo)致）緩沖段的一般高度范圍為H）=o.15-o.3mm。2）緩沖段速度M=o.oo6-o.o25mm。緩沖段包角①o①。=15°-4。，一般內(nèi)燃機(jī)的緩沖段型線的形式有很多種，常用的有等加速段-等速型以及余弦型兩種，如下圖所示圖2-4.等加速-等速型緩沖段圖2-5,余弦型緩沖段在以上兩種緩沖段類型中，通過比較等加速-等速型緩沖段在現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中更為常用，特別是在高速發(fā)動(dòng)機(jī)中基本采用等加速-等速型緩沖段凸輪。其主要是由于安裝誤差、加工誤差以及氣門變化方面的原因，實(shí)際氣門開啟時(shí)刻或挺柱開始移動(dòng)時(shí)刻不能準(zhǔn)確的保證在緩沖段結(jié)束，工作段開始的時(shí)亥人采用等加速-等速型緩沖段時(shí)，只需要將氣門間隙合理的控制，就能保證氣門的開啟加速度和落座加速度為零，速度為一個(gè)常數(shù)使工作更加平穩(wěn)。所以本次設(shè)計(jì)中選用等加速-等速型凸輪。根據(jù)以上的范圍要求，本次論文采用的緩沖段參數(shù)如下表：表1,緩沖段參數(shù)表緩沖段高度H0緩沖段速度V0緩沖段包角①0等加速段包角①01等速段保包角①020.20mm0.01mm/(0)302010等加速-等速型有以下性質(zhì)：等加速段：ht=c6c20w少三①01(2-16)上式中，C為二次項(xiàng)系數(shù)，可通過邊界調(diào)節(jié)確定；①01為凸輪等加速段的包角。其中：①01=20等速段：ht=vo(^c-①01)+hc1①01W6cW①0(2-17)其中：①0=30°在式(2-17)中，有邊界條件：少c=30日tht=H=0.20mm且已知Vo=0.01mm/()據(jù)此可以得到：h01=ht-vo(^c-①01)=0.2-0.01*(30-10)=0.1mm在式(2-16)中，有邊界條件：①01=20;h01=0.1mm據(jù)此可以得到：c=h01/①。12=0.1/202=0.00025mm/()2綜上：等加速段：ht=0.00025少；0w少cW20等速段：ht=0.1(6c-20)+0.120W6cW30利用MATLAI?出凸輪緩沖等加速段及等速段升程線:9s?sSQ口9s?sSQ口0Q口婚罵“名26k期制J0凸輪碑西I寺速股凸輪型維圖6,緩沖段等加速段凸輪升程曲線圖7,緩沖段等速段凸輪升程曲線5.凸輪型線工作段設(shè)計(jì)凸輪型線工作段的設(shè)計(jì)方法目前有三種方式：a,圓弧凸輪設(shè)計(jì)方法。它的特點(diǎn)有：加速度曲線近似為矩形，凸輪型線豐滿系數(shù)&高，但它的缺點(diǎn)是加速度曲線不連續(xù)，沖擊也比較嚴(yán)重，這種設(shè)計(jì)方法不適合用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。b,高次方多項(xiàng)式凸輪型線。它的特點(diǎn)有①負(fù)加速度小，正慣性力比較小，不易發(fā)生飛脫現(xiàn)象，凸輪桃尖處的接觸應(yīng)力也比其他方式設(shè)計(jì)出來的型線小。②加速度曲線為連續(xù)曲線，它的沖擊力小，可以適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。③方程形式比較簡單，可以用于非對(duì)稱凸輪設(shè)計(jì)。④負(fù)家虛度曲線平緩，與氣門彈簧的適應(yīng)性好。正加速度值很大c.低次方組合多項(xiàng)式型線。它的特點(diǎn)有①時(shí)間斷面較大，各段寬度可調(diào)節(jié)的范圍很大，設(shè)計(jì)時(shí)可以靈活改動(dòng)，更為方便。②三階以上導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，對(duì)平穩(wěn)性有很大影響。③它只適用于對(duì)稱凸輪的設(shè)計(jì)。圓弧凸輪也需要設(shè)置緩沖段。通常是將基圓半徑減掉一個(gè)緩沖段高度即可，得到的實(shí)際基圓r°,然后讓實(shí)際基圓與工作段平滑的連接在一起，這個(gè)過渡段即為凸輪緩沖段。由于圓弧凸輪設(shè)計(jì)的凸輪豐滿系數(shù)較高，換氣效率較好，設(shè)計(jì)較為簡單，所以本次設(shè)計(jì)選用圓弧凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于圓弧凸輪，如圖所示，它一般由時(shí)段圓弧和六段圓弧組成，

基圓、腹弧、頂弧組成的四圓弧凸輪。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)基圓半徑r°\工作段半包角0,緩沖段高度H0然后根據(jù)給定的幾何參數(shù)關(guān)系，計(jì)算出腹弧半徑ri即可。圖8.凸輪的幾何關(guān)系表2.本次設(shè)給定參數(shù):基圓r?！?3mm頂弧r2（排氣凸輪）4.9mm緩沖段高度H00.2mm凸輪最大升程hm（進(jìn)氣）7.3mm工作半包角060凸輪最大升程hm（排氣）7.7mm頂弧心（進(jìn)氣凸輪）5.3mm進(jìn)氣凸輪：弧頂圓與基圓圓心距：D02=hm+r0-r2=7.3+13-5.3=15mm排氣凸輪：弧頂圓與基圓圓心距：D02=hm+r0-r2=7.7+13-4.9=15.8mmrI』；十鼠一2r。鼠cos"-r/（2-18）2「0’—『2—D02cos9）將以上參數(shù)代入公式可得:進(jìn)氣凸輪腹弧半徑:

132152一2*13*15*cos60-5.32R1二=427.3mm2*(13-5.3-15*cos60)排氣凸輪腹弧半徑：13215.82一2*13*15.8*cos60-4.92…/R==473.1mm2*(13-4.9-15.8*cos60)算出腹弧半徑后，即可根據(jù)圖(2-15)所示的符號(hào)規(guī)則，按照下列式子計(jì)算任意時(shí)刻的圓弧凸輪的平面挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。%=D0icos^i+ri-ro(2-19)%,=D0isin%(2-20)Tcos%(2-21)進(jìn)氣凸輪：ht=15cos:-h|=15sinht--15cos利用MATLAI?出具挺住對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖如下：gqMwTWgqMwTW挺七運(yùn)幼規(guī)律國102030dO5060凸輪轉(zhuǎn)角(">圖9.進(jìn)氣凸輪工作段對(duì)應(yīng)挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律排氣凸輪：ht=15.8cos-:ht=15.8sin

n=-15.8cos:利用MATLAI?出具挺住對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖:o;Hf挺柱升程推柱.運(yùn)動(dòng)速度-挺柱運(yùn)動(dòng)加速度XWV13.6Ex；no;Hf挺柱升程推柱.運(yùn)動(dòng)速度-挺柱運(yùn)動(dòng)加速度XWV13.6Ex；nY:DX加?030凸輪鑄編dO圖10.排氣凸輪工作段對(duì)應(yīng)挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律6.對(duì)設(shè)計(jì)的凸輪型線進(jìn)行評(píng)價(jià)在完成凸輪工作段和緩沖段設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)的凸輪升程和對(duì)應(yīng)挺柱隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化用圖像表示出來如下:凸坨組甥劇凸航特焦＜■]凸航特焦＜■]圖11.凸輪升程圖圖12.凸輪對(duì)應(yīng)挺柱速度圖從圖11中可以看出設(shè)計(jì)的凸輪型線較為平滑，圖12看出設(shè)計(jì)的凸輪對(duì)應(yīng)挺柱的速度為連續(xù)的，沒有跳躍點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)的較為理想。前面已經(jīng)完成了配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線以及搖臂的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在可以根據(jù)凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出氣門隨凸輪轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。設(shè)定氣門間隙為Ho=0.3mm,則有氣門升程有旦=iht-H。。其中i為搖臂比，h為凸輪升程。這里將搖臂比定為1.4。用MATLAI?出其氣門隨凸輪轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖：K11IK11I圖3-4.氣門升程規(guī)律圖在設(shè)計(jì)的最后，利用凸輪型線豐滿系數(shù)來評(píng)價(jià)氣門的通過能力進(jìn)氣門：,fm；(n-H進(jìn)氣門：,fm；(n-Ho)dc(Hmax-H°尸60(15cos:-7.7-0)d:0=0.647(7.3-0)口-1600排氣門Ifm=0.625o（h[一H0）dc0（15.8cos一8.1排氣門Ifm=0.625（Hmax-H0”:（7.7-0）71對(duì)于一般凸輪要求為其豐滿系數(shù)大于0.5。所以本次設(shè)計(jì)的凸輪型線換氣性能較為理想。7總結(jié)通過調(diào)整凸輪型線設(shè)計(jì)，改變凸輪和搖臂的幾何參數(shù)，可以在滿足接觸應(yīng)力限值和潤滑條件的前提下使配氣機(jī)構(gòu)獲得最大的通氣能力。為了驗(yàn)證凸輪型線對(duì)接觸應(yīng)力和油膜厚度的影響，還需進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。在此，關(guān)于動(dòng)態(tài)模擬的有關(guān)問題未能深人討論，以后需作專題研究。參考文獻(xiàn)[1]秦元偉.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.11.[2]張紀(jì)龍.配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[D].機(jī)械工程師2015年第11期[3]尚漢冀.內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)一設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].上海復(fù)旦大學(xué)出版社，1988[4]王艷芳.王少輝.凸輪型線對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的研究《裝備制造技術(shù)》.2015年第8期