凸轮型线设计

1、2016年重庆理工大学研究生开拓杯序号： 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

2、高换气效率，又要保证加速度曲线连续，、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 engin

3、e power, economy and 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 mec

4、hanism, the rationality 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 th

5、e acceleration curve 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 profile 1. 凸轮设计的基本原则 凸轮的设计即凸轮外线的设计，凸轮线有两种表示方法：（1）型线式，凸轮对应的挺柱升程曲线以及基圆半径，（2）

6、外型式，给出轮廓形的几何形状和曲线方程。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

7、时间面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，气际开启时刻要落后于挺柱运动，所以必须设计一段缓冲段减少冲击。2）由于气簧具备一定的预紧力F0，机一

8、开始要压缩弹簧变形，等弹性变形力克服了气门弹簧力后才能开始常运动。3）由于气缸内存压力，气压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）缓冲段高度进气门开启 （2-12）进气门关闭 （2-13）排气门开启 （2-14）排气气门关闭 （2-15） 上式中，C0为机度（N/mm）；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；Hr为气门提前落座的量（由气门与气门

9、导管间隙引起的气倒而导致） 缓冲段的一般高度范围为H0=0.15-0.3mm。2）缓冲段速度V0=0.006-0.025mm。缓冲段包角00=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。图2-4.等加速-等速型缓冲段 图2-5.余弦冲段在以上两种缓冲段类型中，通过比较等加速-等速冲段在现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，工作段开始刻。采用等加速-等速冲段时，只需要将气门间隙合理的

10、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V0缓冲段包角0等加速段包角01等速段保包角020.20mm0.01mm/（）302010等加速-等速型有以下性质：等加速段：ht =cc2 0c01 （2-16） 上式中，c为二系数，可通过边节确定；01为凸加速段的包角。其中： 01 = 20等速段：ht=vo（c-01）+h01 01c0 （2-17）其中：0=30 在式（2-17）中，有边界条件：c =30时ht= H0=0.20

11、mm。 且已知vo=0.01mm/()据此可以得到： h01 =ht- vo（c-01）=0.2-0.01*（30-10）=0.1mm在式（2-16）中，有边界条件：01=20；h01 =0.1mm据此可以得到：c=h01/012=0.1/20=0.00025mm/()综上： 等加速段： ht =0.00025c2 0c20 等速段： ht=0.1（c-20）+0.1 20c30利用MATLAB画出凸轮缓冲等加速段及等速段升程线： 图6.缓冲段等加速段凸轮升程曲线 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.圆弧设计方法。它点有：加速线近似

12、为矩形，型线丰满系数&fm高，但它点是加速度曲线不续，冲击也严重，这种设计方不适合用于高动机。b.高次方多项轮型线。它的特点有负加度小，正惯性较小，不易发生现象，凸轮桃尖接触应力也比其他方式设计出来的型线小。加速线为连续曲线，它的冲小，可以适用于高动机。方程形式比单，可以用于非对称凸计。负家虚线平缓，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。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

13、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r0，工作段半包角，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r1即可。 图8.凸轮的几何关系表2.本次设给定参数：基圆r0，13mm顶弧r2（排气凸轮）4.9mm缓冲段高度H00.2mm凸轮最大升程hm（进气）7.3mm工作半包角60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

14、与基圆圆心距：D02=hm+ r0，- r2=7.3+13-5.3=15mm排气凸轮：弧顶圆与基圆圆心距：D02=hm+ r0，- r2=7.7+13-4.9=15.8mm r1= （2-18）将以上参数代入公式可得：进气凸轮腹弧半径：排气凸轮腹弧半径：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。 （2-19） （2-20） （2-21）进气凸轮：利用MATLAB画出其挺住对应的运动规律图如下：图9.进气凸轮工作段对应挺柱运动规律排气凸轮：利用MATLAB画出其挺住对应的运动规律图：图10.排气凸轮工作段对应挺柱运动规律6.对设计

15、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：图11.凸轮升程图图12.凸轮对应挺柱速度图从图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 ，则有气门升程有 。其中i为摇臂比，为凸轮升程。这里将摇臂比定为1.4。用MATLAB画出其气门随凸轮转角运动规律图：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：

16、排气门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.内燃机配气凸轮机构设计与计算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5张德明.汽车发动机的配气