凸轮型线设计

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1、序号：编码：重庆理工大学第二十四届“开拓杯”学生课外学术科技作品竞赛参赛作品作品名称：配气凸轮型线设计作品类别：A类别：A 自然科学类学术论文B 科技发明制作C 哲学社会科学类学术论文与社会调查报告配气凸轮型线设计摘要：配气机构是内燃机重要组成部分，它控制着内燃机的换气过程， 其设计优劣直接影响着内燃机的动力性，经济性和排放性以及工作可 靠性。今年来随着内燃机的高速化，低排放化的趋势，人们对其配气 机构的性能要求越来越高。而凸轮型线配气机构的核心部分，其设计 的合理性影响着配气机构的各个性能指标。凸轮型线的设计既要保证 获得尽可能的大时面值和丰满系数以提高换气效率，又要保证加速度 曲线连续，、

2、无突变。本次论文针对以上情况，设计出一款缸径为68 的配气凸轮，并对其性能做出相应的评价。关键词：配气机构 凸轮升程 凸轮型线Abstract:Air distribution mechanism is an important part of the internal combustion engine, which controls the gas exchange process of the internal combustion engine, the design of which has a direct impact on the engine power, economy a

3、nd emissions as well as work reliability. This year, with the high speed of the internal combustion engine, the trend of low emission, the performance requirements of the gas distribution agencies are getting higher and higher. And the core part of the cam type air distribution mechanism, the ration

4、ality of its design affects the performance indexes of the air distribution mechanism. The design of the cam profile is not only to ensure that the face value and fullness coefficient are obtained as much as possible to improve the ventilation efficiency, but also to ensure that the acceleration cur

5、ve is continuous, and there is no mutation. This paper, in view of the above situation, design a bore 68 of the cam, and make the corresponding evaluation on its performance.Key word:Valve train Cam lift Cam profile1. 凸轮设计的基本原则凸轮的设计即凸轮外轮廓线的设计，凸轮廓 线有两种表示方法： （1）型线式，给出凸轮对应的挺柱升程曲线以及基圆半径， （2）外型式，给出轮廓形的几何

6、形状和曲线方程。两种方法的都能 清楚的表示出凸轮的轮廓。它们没有什么本质的区别，外型线能直接 反映出凸轮的轮廓，看起来更为直接方便，而型线式的优点是可以直 接反映出气门等从动件的运动规律，在设计配气机构是，需要对配气 机构的性能进行计算，这时就需要气门开启和关闭的规律，在生产过 程也需要的是气门的运动规律，因此，型线式具备方便加工和计算简 介的优点，在一般的设计中也常被采用，所以本文将按照型线式的方 式表示。2. 配气凸轮的外形设计的两种方法（1）先选定凸轮与挺柱的形式，然后求出挺柱和气门的升程、 加速度、速度以及时间面值，再根据这些参数所选的凸轮的几何形状 进行校核。（2）从保证较大的时间面

7、积值和较好的配气机构动力学特性出 发，先预定挺柱的生成规律然后再求出其几何形状。在发动机设计中 第一种方法更为较多的被采用，本次设计也将采用第一种方法。3. 基圆半径的确定凸轮型线是从基圆开始绘制的，从保证配气机构能够具备的刚性 条件出发选择它的基圆半径R，通过查阅设计手册其值一般在R= （1.52.5 ） xhmax的范围。基圆半径：R=（1.52.5）x8=1220mm基圆的设定可根据具体结构大小而定，本次设计设定为 13mm。4. 凸轮缓冲段设计（ 1）缓冲段的设计的基本要求1）由于存在气门间隙L0气门实际开启时刻要落后于挺柱运动时刻， 所以必须设计一段缓冲段减少冲击。2）由于气门弹簧具

8、备一定的预紧力 F0 ，机构在一开始要压缩弹簧使其 变形，等弹性变形力克服了气门弹簧预紧力后才能开始正 常运动。3）由于气缸内存在气压力，气压力的作用和气门弹簧预紧力的作用 有一定的相似性，它们都是阻止气门的开启，使气门开启有一定的延 迟。由于以上方面的原因，没有缓冲段的凸轮，会使气门气门初速度由零 在短时间内变的很大，这样会产生很大的冲击力，容易导致零件变形， 损坏零件。(2)凸轮缓冲段参数的确定1 )缓冲段高度H进气门开启h 0(2-12 ) 进气门关闭h0 1(2-13 )排气门开启 H I+L+Fg/c)( 2-14 )排气气门关闭H 丄亠(2-15 )上式中，C0为机构刚度(N/mm

9、); F0/C0为预紧力引起的弹性 变形；Fg/C0气压力引起的弹性形变；i为摇臂比；为气门提前落 座的量(由气门与气门导管间隙引起的气门倾 倒而导致) 缓冲段的 一般高度范围为 H0=0.15-0.3mm。2 )缓冲段速度 V0=O.OO6-O.O25mm。缓冲段包角%=15。-40。一般内燃机的缓冲段型线的形式有很多种，常用的有等加速段-等速 型以及余弦型两种，如下图所示。代汽车发动机中更为常用，特别是在高速发动机中基本采用等加速- 等速型缓冲段凸轮。其主要是由于安装误差、加工误差以及气门变化 方面的原因，实际气门开启时刻或挺柱开始移动时刻不能准确的保证 在缓冲段结束，工作段开始的时 刻。

10、采用等加速-等速型缓 冲段时，只需要将气门间隙合理的控制，就能保证气门的开启加速度和落座加 速度为零，速度为一个常数使工作更加平稳。所以本次设计中选用等 加速-等速型凸轮。根据以上的范围要求，本次论文采用的缓冲段参数如下表：表 1. 缓冲段参数表缓冲段高度H0缓冲段速度V。缓冲段包角%等加速段包角等速段保包角e020.20mm0.01mm/()302010等加速-等速总型有以下性质：等加速段：ht =W c2OS 屮 c01(2-16)上式中/c为二次项系数可通过边界调节确定；P01为凸轮等加 速段的包角。其中：e01= 20等速段：ht = v。(屮严01)+%1%1屮 c%( 2-17)其

11、中：=30在式(2-17 )中，有边界条件：屮c =30。时ht= H0=0.20mm。且已知 vo=0.01mm/()据此可以得到：h0i =ht- v。(屮严。1)=0-2-0-01* ( 30-10)=1mm在式( 2-16)中，有边界条件：e01=20; h01=0.1mm据此可以得到：c=h01/e012=0丄/202=0.00025mm/(。) 2综上：等加速段：ht =0.00025屮 c20 屮 c20等速段：ht=0.1 （屮c-20 ） +0.120屮c30利用 MATLAB 画出凸轮缓冲等加速段及等速段升程线：尊加極凰凸轮型线S 1012凸轮话箱件图 6. 缓冲段等加速段

12、凸轮升程曲线 图 7.缓冲段等速段凸轮升程 曲线5. 凸轮型线工作段设计凸轮型线工作段的设计方法目前有三种方式：a.圆弧凸轮设计方法。它的特点有：加速度曲线近似为矩形，凸轮 型线丰满系数&佃高，但它的缺点是加速度曲线不连续，冲击也比较 严重，这种设计方法不适合用于高速发动机。b高次方多项式凸轮型线。它的特点有负加速度小正惯性力比 较小，不易发生飞脱 现象，凸轮桃尖处的 接触应力也比其他方式设计 出来的型线小。加速度曲线为连续曲线，它的冲击力小，可以适用 于高速发动机。方程形式比较简单，可以用于非对称凸轮设计。 负家虚 度曲 线平缓，与气门弹簧的适应性好。正加速度值很大c.低次方组合多项式型线。

13、它的特点有时间断面较大，各段宽 度可调节的范围很大，设计时可以灵活改动，更为方便。三阶以上 导数不连续，对平稳性有很大影响。它只适用于对称凸轮的设计。圆弧凸轮也需要设置缓冲段。通常是将基圆半径减掉一个缓冲段 高度即可，得到的实际基圆r0，然后让实际基圆与工作段平滑的连接 在一起，这个过渡段即为凸轮缓冲段。由于圆弧凸轮设计的凸轮丰满系数较高，换气效率较好，设计较 为简单，所以本次设计选用圆弧凸轮进行设计。对于圆弧凸轮，如图所示，它一般由时段圆弧和六段圆弧组成， 基圆、腹弧、顶弧组成的四圆弧凸轮。设计时根据基圆半径r。，工 作段半包角e，缓冲段高度H0然后根据给定的几何参数关系，计算 出腹弧半径r

14、1即可。图 8.凸轮的几何关系表 2.本次设给定参数：基圆r。，13mm顶弧r2 （排气凸轮）4.9mm缓冲段咼度H00.2mm凸轮最大升程hm （进 气）7.3mm工作半包角e60凸轮最大升程hm （排 气）7.7mm顶弧r2 （进气凸 轮）5.3mm进气凸轮：弧顶圆与基圆圆心距:D =h + r ， - r =7.3+13-5.3=15mm 02 m 0 2排气凸轮：弧顶圆与基圆圆心距：D =h + r ， - r =7.7+13-4.9=15.8mm 02 m 0 22-18）r = r 2 + D2 一 2r D2 cos 0 - r21 0020 022-（2 r ，一 r 一 D

15、cose ）将以上参数代入公式可得：进气凸轮腹弧半径：=427.3mm132 + 152 - 2*13 * 15* cos 60 -5.322* (13-5.3-15* cos 60 )排气凸轮腹弧半径:132 + 15.82 - 2*13 * 15.8* cos 60 -4.92 =473.1mm 2* (13-4.9-15.8* cos 60 )算出腹弧半径后，即可根据图(2-15)所示的符号规则，按照下列式子计算任意时刻的圆弧凸轮的平面挺柱运动规律。进气凸轮：ti0icii0h,=Dsin 9ti0icih,= -Dcos9ti0icih = D cos 9 + r 一 r,2-19)2

16、-20)2-21)h = 15 cos q - 7.7午=15 sin qh = -15 cos qt利用MATLAB画出其挺住对应的运动规律图如下:挺柱运动规律團X:创Y：12.W -挺柱升程 撰柱运动速度V: -7.11020304050凸轮转角(c)图 9.进气凸轮工作段对应挺柱运动规律排气凸轮：h = 15.8 cos * - 8.1h： = 15.8 sin *h = -15.8 cos *t利用MATLAB画出其挺住对应的运动规律图：挺在运动规律图，怛摘招凹tH澤卿岀曲琨挺柱升程 抵柱运动速度 挺柱运动加遠度0102030405060凸轮蒔角（）图 10. 排气凸轮工作段对应挺柱运

17、动规律6. 对设计的凸轮型线进行评价在完成凸轮工作段和缓冲段设计后，设计的凸轮升程和对应挺柱随凸轮转角的变化用图像表示出来如下：凸轮型线團1001502別300200 凸轮转角）2一卡型cfc韶门400图 11. 凸轮升程图501001502fl02503003504DQ凸轮申 图 12. 凸轮对应挺柱速度图L-卿未岀1从图 11 中可以看出设计的凸轮型线较为平滑，图 12 看出设计 的凸轮对应挺柱的速度为连续的，没有跳跃点，因此设计的较为理想。 前面已经完成了配气机构凸轮型线以及摇臂的设计，现在可以根据凸 轮的运动规律，求出气门随凸轮转角的运动规律。设定气门间隙为 = 0.3mm，则有气门升

18、程有H = ih H。其中i为摇臂比，h为凸轮升程。这里将摇臂比定为1.4。匕t用 MATLAB 画出其气门随凸轮转角运动规律图：迁门升程规律團DUI衆厂一lr0501DD15020025030035D40Q凸轮琢审图 3-4. 气门升程规律图在设计的最后，利用凸轮型线丰满系数来评价气门的通过能力。进气门：屮fmfe (h H )d p0 t0 c(h h)emax 0J 60(15cos p 7.7 0)d p-0(7.3 0)e0.647排气门f0 （h 一 H ）d申J60（15.8cos 申一 8.1 - 0）d申排F I 门屮 = ot0c = o = 0.625fm（H一 H ）0

19、（7.7 - 0）0max 0对于一般凸轮要求为其丰满系数大于0.5。所以本次设计的凸轮型线换气性能较为理想。7总结通过调整凸轮型线设计, 改变凸轮和摇臂的几何参数, 可以在满 足接触应力限值和润滑条件的前提下使配气机构获得最大的通气能 力。为了验证凸轮型线对接触应力和油膜厚度的影响, 还需进行机构 动态模拟试验。在此, 关于动态模拟的有关问题未能深人讨论, 以后 需作专题研究。参考文献1秦元伟. 摩托车发动机配气机构的运动学和动力学分析 D. 重庆：重庆大 学，2008. 11.2张纪龙 .配气机构优化技术的发展现状和趋势 D. 机械工程师 2015 年第 11 期3 尚汉冀内燃机配气凸轮机

20、构一设计与计算J上海复旦大学出版社,19884 王艳芳.王少辉.凸轮型线对发动机性能影响的研究装备制造技术.2015年 第8期张德明汽车发动机的配气机构科技创新与应用几2015年第18期马逢峻周振华等配气机构凸轮型线改进设计J.Diesel Engine第29卷 (2007)第1期7 张力.吴俊刚等顶置凸轮轴配气机构多体运动学分析与应D.AutomotiveEngineering2007(第 29 卷)第 7 期8 刘云.肖恩忠.高速柴油机配气凸轮优化设计综述J.拖拉机与农用运输车 Apr.2006第33卷第2期9 蒋丽仙浅谈发动机配气机构优化改进设计J.Equipment ManufacturingTechnology No.7，2014