旋转阀式配气机构的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 配气机构是 发动机 的重要 机构之 一，其设计好坏对发动机的性能、可靠性和寿 命 有着 很大的影响。现阶段我们普遍使 用的 是往复式顶杆气门进排气装置， 其不 足 之 处在 于： 1）噪音比较大； 2）内燃机是自然吸气的， 传统 顶杆气门装置由凸轮驱 动 ，一 旦凸轮形线确定，气门最大开度 和相 位配合角度也随之确定。而气动 发动 机 进 气要 求压力和流量可调节，即要求进 气相 位可调。所以传统顶杆气门进排 气装 置 不能满足气动发动机的要求。 为了改 善和 克服 传统气 动发 动机 所采 用 的往 复 开闭气 门振 动大 及进 气角度 问 题 ，本 实用新型往复式发动机的旋转阀 配气 机构提出了一种结构简单的旋转 气门 配 气 机构 。本实用新型配气机构采用了旋 转阀 ，旋转阀体是一个管状回转体， 安装 在 气 缸盖 中。曲轴通过正时带轮、正时皮 带带 动旋转阀转动。旋转阀进、排气 道沿 阀 体 轴向 排列，阀体外圆周面开有旋转阀 进、 排气口，旋转阀进、排气口分别 将旋 转 阀 进气 道、排气道与燃烧室连通，旋转 阀进 气道和旋转阀排气道分别与进气 管、 排 气 管连 结。由于采用了旋转气门， 免除 了配 气机构的往复运动，有效减小了 气门 开 闭的震动 ，使整个发动机的震动大大减小。由于进、排气通道设 计在一 个旋转 体中 ， 传动件很少。本实用新型特别适用于小型单或多缸发动机。 关键词： 配气机构；顶杆气门；旋转阀 I 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 he is of of e,it a en a it is is is en by to m of be of be of co of en In to ve u en a a is a st ce of ex ex po co of of a of is in of so n of en As st in a mu n e; I 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 目 录 摘 要 . I .一章 绪论 . 配气 机构的 研究历 程 . 1 配气 机构的 发展 . 1 配气 机转轴 阀机与 气门机 的结构 及性能 比 较 . 2 第二章 配气机构的功用及组成 . 3 新型 配气机 构的机 构原理 . 3 新型 配气机 构的功 用 . 3 新型 配气机 构的组 成 . 3 新型 配气机 构的工 作原理 . 4 第三章 配气机构的 设计 . 6 新型 配气机 构的设 计要求 . 6 配气 机构设 计的主 要任务 . 6 配气机构气 缸盖的 设计 . 6 气缸盖的作 用 . 6 气缸盖的设 计原则 . 6 气缸盖的结 构 . 7 气缸 盖的材 料 . 7 气缸 盖壁厚 设计 . 7 齿轮传动的 计算 . 选择材料、 热处理 方法及 精度等 级 . 8 链轮的设计 与校核 . 11 选择材料、 热处理 方法及 精度等 级 . 11 旋转轴的设 计与校 核 . 13 旋转轴的结 构设计 . 13 旋转 轴的校 核 . 14 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 四章 五章 六章 轴承 的选择 与校核 . 21 其他 结构的 设计 . 22 法兰 盘的设 计 . 22 沟槽的设计 . 23 齿轮盒的设 计 . 23 缸头侧盖的 设计 . 24 配气机构的配气相位 . 25 进气 口和排 气口的 设计 . 26 进、排气配 气相位 . 27 进气 门的配 气相位 . 27 气门的配 气相位 . 27 排气阀配 气配合 相位 . 28 配合公差的选择 . 30 齿轮 内孔和 轴的配 合 . 30 键的 选择 . 30 齿轮 与轴的 配合 . 31 轴和 轴承的 配合 . 31 轴和 缸盖的 配合 . 32 三维立体图 . 33 结束语 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 第一章 绪论 1 气机构的 研究历 程 作为 发动机 的重要 组成部 件，配气机构的研究内容从最初单纯的凸轮经验设计 ， 发 展到 常将配气机构传动链当作完全刚 性物 体只进行运动学计算， 再发展到 了整 个 配气机构的运动学与动力学的综合研究 。国外自 20 世纪初就有许多学者开始进行这 方面的深入研究 ；相比而言，国内则起步较迟， 20 世纪 70 年代起才开始全面研究 凸轮设计与动力学分析，研究的重点放在凸轮型线设计、多质量动力学研究方面。 由于计算机的出现，配气机构设计 的整 体性完整，制造精度提高，发动 机配 气 机 构的 整体性能改善，加上一些计算机 软件 的出现，绘图更加方便，模拟的 更加 真 实 ，配 气机构在现代化社会得到了极大 的发 展，在我们生产和生活中得到了 广泛 应 用。在 21 世纪初，轴阀式配气机构开始兴起，由于受到国外先进技术输出的限制 ， 至 今为 止，旋转轴阀式配气机构在国内 一直 没有得到好的发展和运用，只是 在少 数 行业有所运用，旋转阀式配气装置正处于萌芽阶段。 1 配气机构的 发展 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）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。 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 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。 1 配气机转轴 阀机与 气门机 的结构 及性能 比较 (1)结构 简单： 轴阀机 比气门 机相对 减少 6 0%的零部件，且取消了凸轮，加工工 艺较气门机简单。 (2)散热 性好：轴阀机在旋转进排气阀轴的同一通道内完成进排气功能，进排气 变替进行，散热充分，不易出现气门机气门头的局部过热现象。 (3)进排 气通畅 ：旋转进排气阀轴上的进排气通道无阻隔，进排气畅通，气门机 因气门的阻隔进排气时气流绕行而产生阻力，为保证进排气充分，多数采用加大气 门尺寸或增加气门数量。而轴阀机能保证足够的进排气量。 (4)空气 与燃油 的混合 充分：轴阀机的旋转进排气阀轴的进排气通道可根据内燃 机工作需要设定适宜 的气流形式，使空气与燃油充分混合均匀由于新鲜可燃混 合气是旋转进入气缸内，对缸内局部过热点起到降温作用，可避免爆震的发生。而 气门机因气门的分布限制难以做到适宜的气流形式。 (5)进排 气门叠 开角减 小：轴阀机的旋转进排气阀轴进排气共用同一通道，气门 叠开角就气门机面言减小 80 ，约 5度至 8 度甚至再小，也能达到气门机现有的效果 ， 气门机的气门叠开角约在 30度至 50度之间。因此轴阀机充分利用了有效功率，增加 了动力，降低了能耗，并减少了排放污染。 (6)工作 噪音降 低：由于轴阀机的配气方式是旋转 启闭的，减少了往复 运动的 冲 击，很大程度上降低了工作噪音，同时也降低了配气机构的功率耗损。 (7)进排 气的时 间延长 ：轴阀机的旋转进排气阀轴截面为圆，其有效的进气或捧 气时间角大于 4 5度，而气门 机的进 排气门 的启闭 受凸轮 轴制约 ，其进 气或排 气的时 间角小于 45度。 因而在 同一转 速的内 燃机上 轴阀机 的进排 气时间 优于气 门机的 进排 气时间。 (8) 体积 缩小：轴阀机与气门机相比由于零部件的减少，整机的体积和高度相对 缩小。 2 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业 论文 第二章 配气机构的功用及组成 2 型配气机 构的机 构原理 旋转轴阀通过轴承装配在顶盖和气 缸盖 结合形成的轴孔中，旋转轴阀的 一端 安 装 正时 齿轮，气缸盖的轴座与气缸对应 的部 位设置气缸进排气口与气缸相通 ，顶 盖 侧 面设 置进排气通道与进排气歧管连接 ，在 旋转轴阀上按配气相位设置径向 进排 气 阀 道， 分别与气缸盖上的气缸进排气口 和顶 盖上进排气通道相对应，按配气 相位 相 应 形成 进排气通路，完成进排气控制功 能。 旋转轴阀式配气机构有单轴阀和 双轴 阀 两 种形 式，旋转轴阀有实体轴阀和中空 轴阀 两种形式。可变配气控制由液压 推动 实 现 。旋 转轴阀式配气机构可以简化机械 结构 ，提高可靠性，降低功率消耗， 适用 各 种活塞式发动机系统。 2 新型配气机 构的功 用 配 气机构的功用 ：按发动机每 一气缸内所 进行的工作循 环或点火次序 的要求， 定 时地 开启和关闭进、排气门，使新鲜 可燃 混合气（气油机）或空气（柴油 机） 得 以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。 对 配气机构的要 求：降低噪音 ，增加耐久 度，减小进气 和排 气的阻力 ，使进气 和排气都尽可能充分和完善 。 2 新型配气机 构的组 成 气动发动机旋转阀进排气装置，其特征是它主要包括缸头（ 7）、旋转 进气阀（ 5） 和 旋转 排气阀（ 3），缸头 中具 有两个与轴线平行的圆柱孔及分 别与 圆柱孔正交并贯 穿于缸头的进气通道（ 21）和 排气通 道（ 2 2），旋转进气阀（ 5）和旋转排气阀（ 3） 以装置在缸头（ 7）的轴 承（ 13）为支撑分别位于两个圆柱孔中，在旋转进气阀（ 5） 和旋转排气阀（ 3）的径向分别有进气孔（ 8 ）和排气孔（ 4） ,与缸 头的进 气通道 （ 21） 和 排气 通道（ 22）相对应，在旋 转进 气阀（ 5）和旋 转排 气阀（ 3）的外壁具 有与 设 在缸头中的油路通道（ 2）连通的纵向沟槽（ 9）和周向沟槽（ 10），旋转进气阀（ 5） 和旋转排气阀（ 3）的一 端由固 定在缸 头的缸 盖（ 6）密封，另一端各固定有齿轮（ 15） 和齿轮（ 20），该两个齿轮相互啮合，其中在一旋转阀端装置法兰（ 18），法兰（ 18） 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 与驱动轴相连接的链轮（ 16）相连。 按 上 述要求 所述 的气 动气 车发 动机 旋转 阀 进 排气 装置 ，其 特征 是所 说的 链轮 （ 16）上 设置数 个腰形 孔（ 1 7），链轮（ 16）与 法兰（ 18）通 过穿越 腰形孔 （ 17）的 微调螺丝（ 19）相连。 其结构如下 图 2 1、机油油路通道入口 2、机油油路通道 3、排气阀 4、排气口 5、进气阀 6、缸头侧盖 7、缸盖 8、进气口 9、纵向沟槽 10、周向沟槽 11、油封 12、齿轮盒 13、轴承 14、键 15、从动齿轮 16、链轮转动部分 17、腰形孔 18、链轮固定法兰 19、微 调螺丝 20、主动齿轮 21、进气通道 22、排气通道 图 2动发动机的配气机构 2 型配气机 构的工 作原理 参 照图 2动气车发动机旋转阀 进排 气装置主要包括缸头、旋转进气阀和 旋 转排 气阀。缸头中具有两个与轴线平 行的 圆柱孔及分别与圆柱孔正交并贯 穿于 缸 头 的进 气通道和排气通道，旋转进气阀 和旋 转排气阀以装置在缸头的轴承为 支撑 分 别 位于 两个圆柱孔中，在旋转进气阀和 旋转 排气阀的径向分别有进气孔和排 气孔 ， 与 缸头 的进气通道和排气 通道相对应， 当进 气孔开启进气通道时排气孔关闭 关闭 排 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 气 通道 ，反之当排气孔开启排气通道时 进气 孔关闭进气通道。为了减少旋转 进气 阀 和 旋转排气阀的 转动摩擦阻 力，在旋转进 气阀和旋转排 气阀的外壁 具有纵向沟槽 9 和周向沟槽 1 0，纵向沟槽 和周向 沟槽与 设在缸 头中的 油路通 道 2 连通，缸头的机油 油 路通 道入口 1 与油路通道 2 相连，通过油路通道 2 机油可以进入纵向沟槽和周向 沟槽 ，从而使旋转阀润滑良好。 油封 11 和固定在缸头一端的端盖 6 可防止机油的测 漏 。在旋转进气 阀和旋 转排气 阀的另 一端各 固定有 齿轮 15 和 20，该两个齿轮相互啮 合 ，其 中在一旋转阀端装置法兰，法兰 与驱 动轴相连接的链轮相连。为了实 现进 气 开始角度的微调，通常在链轮上设置数个腰形孔（如图 2链轮和法兰通过穿越 腰形孔的微调螺丝 1 9 相连 。 气 动发动机运行 时，高压的压 缩空气或氮 气推动活塞， 活塞通过曲柄 推动曲轴 带 动转 轴转动，转轴驱 动链轮旋转。如图 2动机活塞运 行到上止 点 A 后 0 曲 轴转角，进气 旋转阀 的进气 孔开启 缸头进 气通道 ，进气开始。当进气过程 持续了 4 曲 轴转 角，即图中 C 点 到 D 点 的顺时针角度，进气旋转阀的进 气孔 关闭缸头进气通 道 ，进 气过程结束。随后，缸内气体进 一步 膨胀做功，当活塞运行到下止点 B 左右 时 ，排气旋转阀的排气孔开启缸头的排气通道，排气开始。当排气过程持续了 4 曲 轴 转角 ，即图中从 E 点 到 C 点 的顺时针角度。曲轴转角时，排 气旋 转阀的排气孔关 闭 缸头 的排气通道，排气过程结束，紧 接着 进气过程重新开始。由此，通过 旋转 阀 进排气装置的这种循环运转，实现了气动发动机的进气、排气过程。 进 气开始的角度 与排气开始的 角度的配合 可以通过两个 齿轮 15 和 20 的 啮合关 系 来调 整。通过调整微调螺丝，链轮可 以相 对于法兰做顺时针或逆时针的移 动， 实 现进气滞后角的微调。 图 2轮 图 2气相位 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 第三章 配气机构的设计 3 型配气机 构的设 计要求 对于一个正常工 作的旋转阀式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）进排气相 位配合 可以任 意角度 调整。 （ 3）振动、噪 声较小 ，并且 工作可 靠和耐 磨，机 械损失 小。 （ 4）结构简单 、紧凑 。 （ 5）为了减轻 惯性负 荷，使 配气机 构运动 零件的 质量减 到最小 。 （ 6）制造简单 ，环保 ，实用 性高。 配气机构设 计的主要任务 旋转阀式 配气机构设 计任务 主要包 括： （ 1） 气缸盖的设计； （ 2） 主轴、中间轴的设计及强度的校核，包括州的布置，轴上槽的设计； （ 3） 齿轮的设计； （ 4） 进、排气相 位的设 计。 配气机构气缸盖的设计 3 气缸 盖的作 用 气缸盖用来密封气缸的上面部分，它与活塞顶及气缸内壁共同组成密闭空间。气 缸 盖上 还布置有进、排气道，同时为了 润滑 装在气缸盖上的配气机构零件， 还设 有 润 滑油 道等。在旋转阀式气动发动机中 ，气 缸盖上 设有进排气旋转阀，没有 冷却 水 道和火花塞。 3 2 气缸盖的设计原则 气缸盖的结构形状十分复杂，承受 着气 体爆发力和气缸盖螺栓的预紧力 。发 动 机 工作 时，气缸盖各部分受力很不均匀 ，气 缸盖底面受力较大，容易产生受 力过 大 6 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 而 产生 爆破或者是裂纹，所以气缸盖应 有一 定的强度和刚度来承受活塞压缩 气体 做 功而产生的机械应力。由此，对气缸盖的设计要求是： （ 1 ）要 根据混 合气的 形成和 压缩方 式，合 理布置 气门 和 气道。 （ 2 ）应 具有足 够的强 度和刚 度，保 证承受 机械应 力时能 可靠工 作，并 保证良 好的 密封。 ( 3)结构工艺简单、便于生产，对装置在气气缸盖上的机件要便于拆装和维修。 3 3 气缸盖的结构 旋转阀式配气机构采用的是单体式 气缸 盖，其长度短，与气缸体之间的 密封 平 面 小， 加工平面度的要求容易保证，气 缸盖 螺栓的压紧力分布也比较均匀， 受力 不 均 匀时 气缸盖翘曲变形相应减小，这将 提高 气缸盖密封的可靠性。而且，这 类缸 盖 铸 造容 易，废品率低，维修也 比较方便 ，系 列通用化高，便于大量生产；气 道位 置 精度高，对配气有利。 3 气缸盖的材料 由于旋转阀的结构和工艺要求，气 缸盖 的材料选择球墨铸铁。球墨铸铁 是将 接 近 灰铸 铁成分（也可包括某些合金元素 ）的 铁水，经镁或镁合金或者其它球 化剂 球 化 处理 后而获得具有球状石墨的铸铁。 由于 这种铸铁中的石墨呈球状，所以 大大 减 轻 了石 墨对基体的分割作用和尖口作用 。球 墨铸铁具有灰铸铁的优良性能， 又兼 有 钢的高强度性能，有比钢更好的耐磨性、抗氧化性、减震性及小的缺口敏感 性 ,它可 以进行多种热处理以提高强度。满足我们设计的要求。 3 气缸盖壁厚设计 设计气缸盖 的基本 尺寸时 应能保 证其具 有足够 的强度 和刚度。影响气缸盖刚度最 主 要的 尺寸是气缸盖的高度。加大高度 ，可 以增加刚度，改善气缸盖与气缸 体之 问 的 密封 性，减少螺栓中的动应力及气缸 盖的 安装应力。气缸盖的高度与气门 进、 排 气 道布 置和气体压缩形式等因素有关。 气动 发动机气缸采用旋转轴式，气缸 盖高 度 查 8得 H (， D 为气缸直径。近代 内燃机 向 高速 、高功率方向发展，气缸 盖高度有适当加大的趋势，有的高度己达 直接影响了内燃机的高度。在气 缸 盖高 度一定的情况下，为增加刚度， 有些 内燃机采用帽式气缸盖或上部带 凸边 的 气 缸盖 。此外，还可以在气缸盖内壁设 置适 当的加强筋，增加受力部位最大 处的 断 面系数；也可 以将气 缸盖螺 栓孔壁 做成 X 形，以增加螺栓固定时的刚度。由 D=85 7 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 计算得 H=（ 0 2） H=8 0缸盖的外形设 计如图 3 示： 图 3盖 3 1 齿轮传动的计算 选择材料、热处理方法及精度等级 齿轮传动的承载能力主要取决于轮 齿的 材料和几何尺寸，因此，选择适 宜的 材 料及热处理方法是齿轮设计的一个重要环节。 选择轮齿的材料及热处理方法： 1）使材料具有较好的 抗失效性能，齿 面具 有 足够的硬度和耐磨性，以使 齿面有 叫好的 抗点蚀 、胶合、磨损和抗塑性变形的能力 ； 齿体具有较高的弯曲强度和冲击韧性，以保证在变载荷和冲击载荷下不致断齿。 2） 齿体材料还要 具有良好的 工艺性，易于锻造、铸造、切削 和热处 理等性 能，以达到 所需要的精度等级及表面粗糙度。 （ 1） 设计基本参 数与条 件 8 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 齿数 比 u =1，旋转 轴传递 功率 200W ，设齿 轮的传 递效率 1 8 5% ，则齿轮 的传递功率 曲轴转速 4000r / 按照机动车 使用 15 年报废的标 1 准。根据气门开启关闭与汽缸活塞做功行程的关系 ，可知曲轴转速 与旋转轴转速 n 2 之比为 2： 1，所以 2000r / 因为 两个齿 轮传动 要求相 同，所以其传动 比为 1. （ 2） 选择齿轮材 料和精 度等级 齿轮材 料为： 45 号钢 。主动齿轮采用调制处理， 2 50从动齿轮采用正 火处理， 200 精度等级取 7 级，齿形角 20 。 选择载荷系 数 K= 选择齿宽系 数 R 试选齿轮齿 数 21 ； 121 21 ( 3)齿面接触疲劳强度 计算 齿面接触疲劳强度设计公式 H R(1 ) u 1 试选载荷系数： 取齿宽系数： R Z E 根 据 循 环 次 数 公 式 3 式 ， 计 算 应 力 循 环 次 数 ： N 606012000(1153008) 0 6 查 3图 1 2接 触疲劳 寿命系 数： Z N 从动齿轮 H 460 由 3公式 算接触疲劳许用应力 ，取失效概率为 1%，安全系数 S H S H 9 n Z K T E t 1 d ( ) 2 P 2 计算齿轮传 递的扭 矩： T 9550 9 7 Z ， H 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 江西农业大学 2013 届本科生毕业论文 H 2 Z N S H 10 11 由接触强度计算出齿轮分度圆直径： d 则 d 1 R ) 0 1000 计算载荷系数： 1t a：齿轮使用系数，查 3表 K A 1.0 b：动载系数，查 3图 K v c：齿间分配系数，查 3表 K H K F 1 d：齿向载荷分布系数 K H K F H 3表 K H所以 K H K F e：接触强度载荷系数 12 K K A K v K H K H 12.1 载荷系数校正分度圆直径 1t t d1 m 1