发动机链传动式配气机构设计（含CAD图纸和三维图及说明书）
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第3章 配 气 机 构 教学提示：配气机构是保证新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入汽缸并把燃烧后生成的废气及时排出汽缸的装置。本章重点介绍了配气机构的布置形式、配气相位、配气机构的气门组及气门传动组，同时还介绍了汽缸数自动变化机构以及可变配气系统。 教学目标：本章要求学生熟练掌握配气机构的布置形式、结构特点、基本组成和工作原理，尤其是配气机构的气门组和气门传动组；了解汽缸数自动变化机构和可变配气系统。 概 述 发动机配气机构的功用是根据发动机每一汽缸内进行的工作循环顺序，定时地开启和关闭各汽缸的进、排气门，以保证新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入汽缸并把燃烧后生成的废气及时排出汽缸。 配气机构主要分为气门配气和气口配气两种。汽车发动机一般采用气门配气机构。 配气机构按气门的布置形式可分为气门顶置式和气门侧置式；按凸轮轴的布置形式可分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式；按凸轮轴的传动方式可分为齿轮传动式、链条传动式和齿形带传动式；按每个汽缸气门数及其排列方式可分为二气门式、四气门式、五气门式等。 充气效率 为了保证发动机每个汽缸排气彻底，进气充分，要求气门具有尽可能大的通过能力。新鲜空气或可燃混合气被吸进汽缸越多，则发动机可能发出的功率就越大。新鲜空气或可燃混合气充满汽缸的程度，用充气效率 = 式中满汽缸工作充气效率气效率越燃混合气燃烧时可能动机发出的功率气效率一定及燃烧门等，一般为 配气机构 61 61 配气机构求其、排气门的开启时配气机构的布置形式 1. 气门顶置式配气机构 气门顶置式配气机构是进气门和排气门轮轴门3、气门轮轴15和动机工作时，过门门关闭。 气门顶置式配气机构 1汽缸盖 2气门导管 3气门 4气门主弹簧 5气门副弹簧 6一气门弹簧座 7锁片 8气门室罩 9摇臂轴 10摇臂 11锁紧螺母 12调整螺钉 13推杆 14挺柱 15凸轮轴 16正时齿轮 四行程发动机每缸进、排气门各开启一。 气门顶置式发动机，气有良好的抗爆性和前国内外汽车发动机中绝大多数一汽奥迪 100、红旗 达/海桑塔纳、神龙富康和天津夏风动机工作时，62 62 轴通过气凸轮轴再通过传动链3轮轴上的凸轮通过液力2. 气门侧置式配气机构 气门侧置式配气机构的特点是进、排气门.3 门 3的开、闭去了化了配气机构。但是制了气前这种形式的配气机构已被淘汰。 捷达王轿车气门侧置式配气机构 1排气凸轮轴 2进气凸轮轴 3传动链 4液压链张紧器 5汽缸盖 6排气门 7进气门 8凸轮轴带轮 9油封 10液力挺柱 1汽缸盖 2汽缸垫 3气门 4气门导管 5汽缸体 6气门弹簧 7汽缸壁 8气门弹簧座 9锁销 10调整螺钉 11锁紧螺母 12挺柱 13挺柱导管 14凸轮轴 凸轮轴的布置形式 凸轮轴的布置形式可分为下置、中置和上置三种形式。三者1. 凸轮轴下置式配气机构 凸轮轴凸轮轴布置为凸轮轴下置式配气机构，、种方案传动简单，一般2. 凸轮轴中置式配气机构 将凸轮轴位置移至汽缸轮轴经过种配气机构 63 63 机构，.4 种方案大多采用齿轮传动，但凸轮轴的中心线距轮)。 3. 凸轮轴上置式配气机构 这种配气机构的凸轮轴布置轮轴可直接通过省去了达王气凸轮轴2(排气凸轮轴1分别气凸轮轴发动机每个汽缸为 5 个气门。气门数目越多，发动机的充气效率越气效率可大；发动机功率仅是单缸气门达王轿车较普通捷达轿车的功率 凸轮轴中置式配气机构 凸轮轴上置式配气机构 凸轮轴的传动方式 凸轮轴们传动及齿形带传动等几种。 1. 齿轮传动(凸轮轴下置、中置式配气机构大多数采用圆般要时可了啮合平稳，了保证轮上2. 链传动(齿形带传动(链传动特别.6 其主要汽奥迪100)发动机上还.7 种传动形带用汽车构造 64 64 凸轮轴的链传动装置 一汽奥迪的轿车齿形带传动装置 l液力张紧装置 2驱动油泵的链轮 1张紧轮 2正时齿形带 3中间轴正时带轮 3曲轴 4导链板 4曲轴正时带轮 5凸轮轴正时带轮 汽奥迪100和捷达/海桑塔纳及天津夏气门数目及排列方式 一般发动机了进一缸一进一排的气门达王个进气门、二个排气门)。气门数目的增气通道的了采用得气门缸单油机中为进、排气道分别置油机的进、排气道通常置门排列的方式有两种。一种是同a. 同名气门排成两列 b. 同名气门排成一列 每缸四气门的布置 12气门尾端的从动盘 第3章 配气机构 65 65 种方案不常采用；种证排气门及缸一般需用两根凸轮轴。 气门间隙 为保证气门关闭常发动机一动机工作时，气门门及其传动了常门般气门的0气门的5门时了能配 气 相 位 用气门为配气通常用种行程发动机的进气门气门则气时气时气进气门的配气相位 1. 进气提前角( 气门为进气气门为了保证进气行程开鲜气配气相位图 汽车构造 66 66 2. 进气迟后角( 气门为进气气门内时气可以气门开启180。 排气门的配气相位 1. 排气提前角( 气门气门缸内的气0仍可以2. 排气迟后角( 气门为排气气门缸内的可以气门开启 +180 。 气门重叠 就出气门同时开启的种时开启的 + 称为气门不有不同发动机，一台发动机这常按发动机性能要求，通过气气这一点第3章 配气机构 67 67 配气机构的主要零部件 配气机构门门门门传动轮轴门顶置式配气机构)、气门组 气门1. 气门(气门气通道，门的作用是按工作循环的要求定时开启和关闭，门门求气门必须具有度、气门材料常采用合金钢(铬钢或镍铬钢等)，排气门则采用铬钢等)。了70时为液达王轿车发动机排气门1) 气门门叭形顶和球前顶气门、排气门均可采用。喇叭形顶其顶气气清球形气门顶气门常将这一锥般45。采用锥形工作像锥形获得较大的气门气门为保证良好磨好的气门门口通道、排气虑尽气门直气门组 1气门 2气门弹簧 3气门弹簧座 4锁片 5气门导管 汽车构造 68 68 a. 平顶 b. 喇叭形顶 c. 球面顶 气门头部结构形式 气门锥角 2) 气门门往复运动。气门门用的这时气门2. 气门导管(气门为气门门圆后再精铰内孔。为了的发动机门滑般用含石墨较多的铸铁或铁基粉末冶金制成，以a. b. 1气门杆 2气门弹簧 3气门弹簧座 1气门导管 2卡环 4锥形锁片 5锁销 3汽缸盖 4气门座 气门弹簧座的固定方式 气门导管和气门座 3. 气门座(汽缸气道门接门门顶置时)或汽缸门侧置时)。损3章 配气机构 69 69 然后镶嵌入汽缸以时4. 气门弹簧(气门证气门及时时气门门保证其可门丝光或喷丸以安门了采用变多数两根气门这能门汽奥迪 100 型、捷达、海桑塔纳及二者是方门的气门传动组 气门传动，并保证规定的开启时1. 凸轮轴(凸轮轴主要轮轴轴颈2等电器的 和用以。凸轮轮轴要有轮轴一般用轮和轴颈的工作a. b. c. 气门弹簧 汽车构造 70 70 a. 发动机凸轮轴 b. 各凸轮的相对角位置图 c. 进(排)气凸轮投影 四缸四行程汽油机凸轮轴 1凸轮 2凸轮轴轴颈 3驱动汽油泵的偏心轮 4驱动分电器等的螺旋齿轮 一汽缸的进、排气凸轮的动机各个汽缸的进、排气凸轮的据凸轮轴的气和凸轮的工作顺序，就可以个汽缸4车发动机的点轮轴点6凸轮轮 点为凸轮轴的轴心，门轮门门开轮门开度达D点，外文翻译资料 1 机电一体化技术及其应用研究 1 机电一体化技术发展 机电一体化是机械、微、控制、机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、化、人性化、微型化、集成化、带源化和绿色化。 字化 微控制器及其发展奠定了机电产品数字化的基础，如不断发展的数控机床和机器人；而计算机网络的迅速崛起，为数字化设计与制造铺平了道路，如虚拟设计、计算机集成制造等。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、易操作性、可维护性、自诊断能力以及友好人机界面。 数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。 能化 即要求机电产品有一定的智能 ,使它具有类似人的逻辑思考、判断推理、自主决策等能力。例如在 控机床上增加人机对话功能，设置智能 I/O 接口和智能工艺数据库，会给使用、操作和维护带来极大的方便。随着模糊控制、神经网络、灰色、小波理论、混沌与分岔等人工智能技术的进步与发展，为机电一体化技术发展开辟了广阔天地。 块化 由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元模块是一项复杂而 有前途的工作。如研制具有集减速、变频调速电机一体的动力驱动单元；具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的电机一体控制单元等。这样，在产品开发设计时，可以利用这些标准模块化单元迅速开发出新的产品。 络化 由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾。而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品，现场总线和局域网技术使家用电器网络化成为可能，利用家庭网络把各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家用电器系统，使人们在家里可充分享受各种高技术带来的好处，因此，机电一体化产品无疑应朝网络化 方向发展。 性化 机电一体化产品的最终使用对象是人，如何给机电一体化产品赋予人的智能、情感和人性显得愈来愈重要，机电一体化产品除了完善的性能外，还要求在外文翻译资料 2 色彩、造型等方面与环境相协调，使用这些产品，对人来说还是一种享受，如家用机器人的最高境界就是人机一体化。 型化 微型化是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。微机电系统(称 指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制 电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。自 1986 年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针， 1988 年美国加州大学 校研制出第一个微电机以来，国内外在艺、材料以及微观机理方面取得了很大进展，开发出各种 件和系统，如各种微型传感器（压力传感器、微加速度计、微触觉传感器），各种微构件（微膜、微粱、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微泵、微弹簧以及微机器人等）。 成化 集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包含在生产过程 中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统分解为若干层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全地运转，然后再通过软、硬件将各个层次有机地联系起来，使其性能最优、功能最强。 源化 是指机电一体化产品自身带有能源，如太阳能电池、燃料电池和大容量电池。由于在许多场合无法使用电能，因而对于运动的机电一体化产品，自带动力源具有独特的好处。带源化是机电一体化产品的发展方向之一。 色化 技术的发展给人们的生活 带来巨大变化，在物质丰富的同时也带来资源减少、生态环境恶化的后果。所以，人们呼唤保护环境，回归，实现可持续发展，绿色产品概念在这种呼声中应运而生。绿色产品是指低能耗、低材耗、低污染、舒适、协调而可再生利用的产品。在其设计、制造、使用和销毁时应符合环保和人类健康的要求，机电一体化产品的绿色化主要是指在其使用时不污染生态环境，产品寿命结束时，产品可分解和再生利用。 2 机电一体化技术在钢铁中应用 在钢铁企业中，机电一体化系统是以微处理机为核心，把微机、工控机、数外文翻译资料 3 据通讯、显示装置、仪表等技术有机的结合起来，采用组装合并方式，为实现工程大系统的综合一体化创造有力条件，增强系统控制精度、质量和可靠性。机电一体化技术在钢铁企业中主要应用于以下几个方面： 能化控制技术 (由于钢铁具有大型化、高速化和连续化的特点，传统的控制技术遇到了难以克服的困难，因此非常有必要采用智能控制技术。智能控制技术主要包括专家系统、模糊控制和神经等，智能控制技术广泛于钢铁的产品设计、生产、控制、设备与产品质量 诊断等各个方面，如高炉控制系统、电炉和连铸车间、轧钢系统、炼钢 连铸 轧钢综合调度系统、冷连轧等。 布式控制系统 ( 分布式控制系统采用一台中央机指挥若干台面向控制的现场测控计算机和智能控制单元。分布式控制系统可以是两级的、三级的或更多级的。利用计算机对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。随着测控技术的，分布式控制系统的功能越来越多。不仅可以实现生产过程控制，而且还可以实现在线最优化、生产过程实时调度、生产计划统计管理功能，成为一种测、控、管一体化的综合系统。 有特 点控制功能多样化、操作简便、系统可以扩展、维护方便、可靠性高等特点。 监视集中控制分散，故障面小，而且系统具有连锁保护功能，采用了系统故障人工手动控制操作措施，使系统可靠性高。分布式控制系统与集中型控制系统相比，其功能更强，具有更高的安全性。是当前大型机电一体化系统的主要潮流。 放式控制系统 (开放控制系统 (计算机技术发展所引出的新的结构体系概念。“开放”意味着对一种标准的信息交换规程的共识和支持，按此标准设计的系统，可以实现不同厂家 产品的兼容和互换，且资源共享。开放控制系统通过工业通信网络使各种控制设备、管理计算机互联，实现控制与经营、管理、决策的集成，通过现场总线使现场仪表与控制室的控制设备互联，实现测量与控制一体化。 算机集成制造系统 (钢铁企业的 将人与生产经营、生产管理以及过程控制连成一体，用以实现从原料进厂，生产加工到产品发货的整个生产过程全局和过程一体化控外文翻译资料 4 制。目前钢铁企业已基本实现了过程自动化，但这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，难以适应钢铁生产的要求。 未来钢铁企业竞争的焦点是多品种、小批量生产，质优价廉，及时交货。为了提高生产率、节能降耗、减少人员及现有库存，加速资金周转，实现生产、经营、管理整体优化，关键就是加强管理，获取必须的效益，提高了企业的竞争力。美国、日本等一些大型钢铁企业在 20 世纪 80 年代已广泛实现 。 场总线技术 ( 现场总线技术 ( 连接设置在现场的仪表与设置在控制室内的控制设备之间的数字式、双向、多站通信链路。采用现场总线技术取代现行的信号传输技术 (如 4 20 C 直 流传输 )就能使更多的信息在智能化现场仪表装置与更高一级的控制系统之间在共同的通信媒体上进行双向传送。通过现场总线连接可省去 66%或更多的现场信号连接导线。现场总线的引入导致变革和新一代围绕开放自动化系统的现场总线化仪表，如智能变送器、智能执行器、现场总线化检测仪表、现场总线化 现场就地控制站等的发展。 流传动技术 传动技术在钢铁工业中起作至关重要的作用。随着电力技术和微电子技术的发展，交流调速技术的发展非常迅速。由于 交流传动的优越性，电气传动技术在不久的将来由交流传动全面取代直流传动，数字技术的发展，使复杂的矢量控制技术实用化得以实现，交流调速系统的调速性能已达到和超过直流调速水平。现在无论大容量电机或中小容量电机都可以使用同步电机或异步电机实现可逆平滑调速。交流传动系统在轧钢生产中一出现就受到用户的欢迎，应用不断扩大。 外文资料翻译 1 n is on of of of a of a of of as NC of as of a of it is to in NC / O of as of up a As of of a is a If is to of 文资料翻译 2 as in we As of of is of to AN a to a as of so in be of of be no 1.5 of is to of is in to it so on of or a to as is of 1.6 is a in to to be by is of or 986 1988 at at of as . 外文资料翻译 3 a of of of in at In to of a be to of at be to 1.8 to as As on be to a of of in s in at of of in of is of In of be in of is to of is at of of 2 in of in In of at of as by of a 文资料翻译 4 in in in As a of it is to in as a of a be or to on of be of be as a of be is of is to a of Is of 外文资料翻译 5 is of by a of in be of so to to to is be to of to of of of of of is of of of In to of is to to of of in 980s is in of in to 0 C 外文资料翻译 6 it in in on be 6% or to of CS of as C in a of C C to of in C C of to AC C or be to or AC in of as a to 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 王茜 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程 0893112 班 指导教师姓名 阎春利 职称 副教授 从事 专业 车辆工程 是否外聘 是否 题目名称 发动机链传动式配气机构设计 一、设计（论文）目的、意义 配气机构是根据发动机每一气缸内所进行的工作循环或发火次序的要求，定时打开和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排除，使换气过程最佳，以保证发动机在各种工况下发挥最好的性能。 通过设计链式传动 的配气机构，巩固和加深所学的专业知识，扩大专业知识范围，培养在工作中能综合运用所学知识解决实际问题的能力，提高论文的书写能力，树立人真的学习态度。 二、 设计（论文）内容、技术要求（研究方法） 技术 要求与主要内容： 本设计要求学生为根据某发动机，设计一组链传动式配气机构，设计内容包括气门组、传动组和驱动组的结构。学生利用所学过的知识，设计出配气机构的传动比及传动路线图，正确绘出二维 ，完成设计说明书，并利用 件对设计的配气机构进行三维实体建模。 通过对链传动式配气机 构的应用情况和国内外现状，明确链传动式发动机的未来趋势， 运用汽车技术及理论知识，确定主要研究方向。 三、设计（论文）完成后应提交的成果 （一）计算说明部分 设计说明书不少于 （二）图纸部分 1、 制动器展开图 张 2、 利用 件完成三维实体建模。 四、设计（论文）进度安排 进行调研，查相关资料，撰写开题报告。 毕业设计开题答辩。 按要求 完成总体设计方案、初步计算及 绘制草图。 师检查完成进度情况。 完成设计草图。 行中期检查。 绘制正式图纸及完成设计说明书草稿。 学生上交毕业设计材料。 老师对毕业设计进行评审。 29 毕业设计答辩。 31 提交所有毕业设计材料。 五、主要参考资料 1王望予 M械工业出版社 ,2004 2刘惟信 M华大学出版社 , 2001 3余志生 M械工业出版社 ,2000 4陈家瑞 M民交通出版社 ,1999 5谭荣望 . 内燃机结构设计 M国铁道出版社， 1990 6陆际清，沈祖京，孔宪清，孟嗣宗，程荫芊 . 汽车发动机设计 M. 北京：清华大学出版社， 1993 7仇涤凡 , 李 帆 . 柴油机配气机构动力学特性的数值研究 J. 辽宁石油化工大学学报， 2008(5) 8吕 林 , 王勇波 . 车用发动机配气机构运动学和动力学分析 J. 武汉理工大学学报， 2006(7) 9郭常立 ,张保成 ,马艳艳 . 发动机顶 置凸轮轴配气机构动力学分析 J. 现代车用动力， 2007(11) 10宋济平 , 王全娟 . 汽车发动机气门机构的动态特性分析 J. 噪声与振动控制， 2008(12) 11刘忠民 ,俞小莉 ,沈瑜铭 . 配气机构动力学模型的比较研究 J. 浙江大学学报 (工学版 ),2005 12董锡明 ,李圣华 ,罗杰敏 ,王阁顺 . 内燃机配气机构动力学的研究 J. 中国铁道科学 ,1979 13刘晓勇 ,董小瑞 . 发动机配气机构动力学分析 J. 机械工程与自动化 ,2007 14浦耿强，蒋国英，白 羽 . 顶置凸轮配气机构动力学分析 J. 汽车科技 , 2000 15吉国光 J1995. 6 16刘铮，王建昕 . 汽车发动机原理教程 M华大学出版社， 2001 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 摘要 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 关键词： 内燃机；配气机构；凸轮型线； 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 I he is of in a or of as as of of s a a it a is of is of to to on of 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 录 摘要 . I . 1 章 绪 论 . 1 述 . 3 气机构的研究历程 . 4 气机构优化设计的目的及意义 . 4 气机构采用的新技术 . 5 置凸轮轴技术 . 5 气门技术 . 6 变气门正时配气机构 . 7 章小结 . 7 第 2 章 配气机构的总体布置 . 8 门的布置形式 . 8 轮轴的布置形式 . 8 轮轴的传动方式 . 8 缸气门数及其排列方式 . 8 门间隙 . 9 章小结 . 9 第 3 章 配气正时的工作原理 . 10 气正时的介绍 . 10 作原理 . 10 章小结 . 11 第 4 章 配气机构的零件及组件 . 12 门组 . 12 门 . 12 门座圈 . 17 门导管 . 17 簧设计计算 . 18 门传动组 . 23 轮轴 . 23 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 V 轮型线设计 . 23 冲段设计 . 25 轮轴进排气凸轮角度设计 . 26 本段设计 . 26 轴正时链轮与凸轮轴正时链轮 . 28 柱 . 28 第 5 章 正时链设计方法 . 29 车链服役条件及失效形式 . 29 . 29 车链的失效形式 . 29 车链的选择 . 30 车链传动系统设计 . 31 章小结 . 35 结论 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 附录 三维建模过程及部分渲染图片 . 39 1 2 3 第 1 章 绪 论 述 配气机构是发动机的重要组成部分。它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和 排除燃烧废气。一台内燃机的经济性能是否优越，动力性是否足够大，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。 配气机构设计的优劣不仅影响发动机的结构紧凑性和制造、使用的成本，而且还决定了高速运转时柴油机的工作可靠性、耐久性。配气机构设计的好坏对柴油机的性能指标有着很重要的影响。 配气机构的功用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜充量得以及时进入气缸，而废气得以及时从气缸排出。新鲜充量充满气缸的程度用充量系数 量系数越高，表明进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量越多，发动机发出的功率越大。压力越高，温度越低，则一定容积的气体质量越大，因此充量系数越高。由于在实际工作中，压力，温度都有不利因素，所以充量系数总是小于 1，一般在 配气机构而言，主要是要求其结构有利于减小进气和排气的阻力，而且进、排气门的开启时刻和持续开启时间比较适当，使进气和排气都尽可能充分。 一般说来，设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时间 泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及不太大的正、负加速度值。 例如，对气门通过能力的要求，实际上可理解为是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求。显然，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与对机构动力特性的要求之间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工 作转速、性能要求、 4 配气机构系统刚度大小等，在凸轮外形设计中兼顾解决。 配气机构的结构形式是多种多样的，四行程发动机广泛地采用气门式配气机构。气门式配气机构可从不同角度分类。按气门的布置形式不同，主要有气门顶置式和气门侧置式；顶置气门式的配气机构又可根据凸轮轴的布置位置及凸轮轴数目的不同分为凸轮轴下置式、凸轮轴中置式和凸轮轴上置式。 侧置气门式配气机构的进、排气门设置在气缸体的一侧。气门不但是气体流动的通道，而且是燃烧室的组成部分，这种燃烧室只适应于早期低压缩比内燃机。它不紧凑，单位燃烧室体积的表面积大，燃烧 室散热面积大，热损失多。此外，进、排气道由于气门侧置拐弯增多，进、排气阻力大，但结构简单，目前只用于廉价小功率汽油机。 为减少进、排气流通阻力，改进换气性能，将低压缩比燃烧室变为高压缩比燃烧室，以提高燃烧热效率和降低热损失 ;将气门从气缸体上移到气缸盖上，因而出现了顶置气门式的配气机构，大大的改善了内燃机的动力型和经济性而广泛采用在现代内燃机上。 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。 电子计算机的采用和测试技术的发展为配气机构动力学的研究开辟了新途径。利用电子计算机进行多方案的选择 , 并预测配气机构动力学的性能已经成为有效而节省的手段。目前，国际上已有各种配气凸轮设计软件，国内也出现了一些类似的软件，这些软件在速度与计算精度上都有所提高。 气机构优化 设计的目的及意义 目前，随着人们生活水平的提高，汽车、摩托车日益成为人们生活当中重要交通工具，对机械产品的需求量是越来越大，产品质量要求是越来越高。同时，随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、 5 精密、轻量化和自动化方向发展。产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高，为使产品能够安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静动态特性。同时，设备在工作时产生的振动和噪声，会损害操作者的身心健康，污染环境。因此必须对机械产品进行动态分析和动态设计，以满足机械结构静、动态特性与低振动、低噪声的要 求。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确的预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场等技术参数进行分析计算。为了在工程应用中节约成本、提高设计效率、缩短设计周期，很多厂家已经把前期的软件模拟作为检验设计成败的一个关键步骤。 发动机在车辆中是动力部件，其性能直接影响车辆在使用中的工作状况和可靠性。发动机的发展向着大功率轻重量的方向发展，使得其刚度不断减少，从而加剧了发动机的振动和结构噪声，这类振动将直接影响发动机的寿命。因此对发动机必须进行动态设计与分析，把动态特性作为设计的重要目标。 配 气机构是发动机的重要组成部分，发动机配气机构，经常处在高温、高压下工作，因此气门机构是发动机最容易发生故障的零部件之一。而配气机构性能的好坏 , 直接影响到发动机的经济性、可靠性 , 并对发动机噪声与振动产生直接影响。 气机构采用的新技术 配气机构的作用是根据内燃机工况的需要适时适度地开闭进排气门，对气缸进行换气。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。气门 凸轮式配气机构按气门布置分侧置气门和顶置气门机构。现代发动机配气机构采用的技术主要有以下三方面：顶置凸轮轴技术，多气门 技术，可变配气定时及气门升程技术。 置凸轮轴技术 顶置气门配气机构，内燃机的充气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机有较好的性能指标，是侧置气门机构所不能达到的，故侧置气门机构已被淘汰。 顶置气门配气机构又由凸轮轴的放置位置分成凸轮轴下置型和顶置凸轮轴型。绝大部分发动机采用凸轮轴下置型，但这种机构高速运转时产生 6 较大的惯性力和振动及噪声，消耗较大的动力。目前的趋向是把凸轮轴放在气门上方，省去了推杆、挺柱，称顶置凸轮轴型 (还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里，凸轮直接作用于气门上，这种机构省去 了摇臂，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳。 顶置凸轮轴型 (可分成 和 。前者只用一根凸轮轴来驱动进、排气门；而后者采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门。这种结构适用于进、排气门呈 V 形排列的内燃机。凸轮轴的传动类型有三种：正时齿轮传动、正时链轮传动和驱动带传动。其中，正时齿轮传动主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机，如船用、商用车和赛车内燃机；正时链轮传动，广泛应用于轿车内燃机，一般来说，它比正时齿轮传动机构噪音小；驱动带传动或齿形带传动是最新出现的传动方式，主要用于顶置凸轮 轴内燃机上。 气门技术 配气机构的最新发展是改善燃料经济性，其关键在于如何提供更多的新鲜空气，多气门内燃机很早就己经出现了，但仅用于赛车，目的是减轻排气门的热负荷和机械负荷，但并未能在内燃机制造业得到推广。意大利布加奇公司首先创出具有四个排气门和一个进气门的内燃机。促进多气门内燃机产量迅速提高的原因在于自动控制技术的快速发展和生产的工艺水平越来越高，可以充分发挥多气门配气方案的优越性，保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度送入气缸。 多气门内燃机优点很明显，如用两个进气门取 代一个进气门，流通截面加大 30%左右，可大大改进充气系数。因此，多气门内燃机可以提高功率。四气门内燃机曲轴在中低转速范围内，扭矩一般比二气门内燃机大 10% 15%，高转速范围内大 10% 20%。多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率，还可以降低燃油消耗，减少排污。据分析，四气门内燃机燃油消耗比二气门内燃机燃油消耗低 %6 8%。多气门内燃机的优越性是二气门内燃机无法比拟的。因而，世界各国的内燃机制造业都将生产转向多气门内燃机的制造。船用内燃机则多为四气门配气机构，如 620 等船用机。由于新的设计技术和加工技 术的应用，不仅研制新内燃机时间短、投产快，而且生产周期也短。 90 年代日本多气门内燃机有了很大的发展，几乎所有 7 的新内燃机系列都是多气门内燃机。美国几大公司于 1990 已开始并正在大量生产多气门内燃机。多气门配气方式是配气机构发展的大势所趋。 变气门正时配气机构 常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和负荷条件下较为适合的配气相位，自然只达到一种转速最为有利。然而为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升程也可以 改变，称作可变气门运动配气机构 (通过这套机构对配气过程的调节和控制，低、中转速时，活塞运动速度低，气流动力学特性差，因而要求“缩小”相位重叠角，以减少工作混合气倒流，保证低、中转速时扭矩曲线形状较好，可显著地降低燃油消耗率。在中高转速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求“放大”相位重叠角，废气排放彻底，进气量充分可相应增加内燃机扭矩。显然，采用这一机构，可以提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。目前，可变气门正时配气系统，大致可分成两种形式，一种称为可变凸轮相位的配气机构 (另一 种称为可变配气正时及气门升程的配气机构 (L)。 当今内燃机配气机构的发展趋向是，在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。 章小结 对发动机配气机构整体发展现状进行了综合分析，同时合理的研究了论文的目的及意义，肯定了本次设计的合理性和必要性。同时为以后的设计及论文的研究打下了基础。 8 第 2 章 配气机构的总体布置 门的布置形式 气门顶置式配气机构应用广泛，其进气门和排气门都倒挂在气缸顶上。发动机工作时，曲轴通过定时齿轮驱动凸轮轴旋转。当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起挺柱时，通过推杆和调整螺钉使摇臂绕摇臂轴摆动，压缩气门弹簧，使气门离座，当凸轮凸起部分离开挺柱后，气门便在气门弹簧的作用下落座，即气门关闭。 四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转两周，各缸的进、排气门各开启一次，此时凸轮轴只旋转一周。曲轴与凸轮轴转速比为 2： 1。在此，选用气门顶置式配气机构。 轮轴的布置形式 凸轮轴位于曲轴箱内的配气机构 称为凸轮轴下置式配气机构。凸轮轴下置式配气机构的主要优点是凸轮轴离曲轴近，可以简单地用一对齿轮传动，缺点是零件多，传动链长，整机机构的刚度差。在发动机高速时，可能破坏气门的运动规律和气门的定时启闭。在此，选用凸轮轴下置式配气机构。 轮轴的传动方式 凸轮轴下置、中置的配气机构大多采用圆柱形定时齿轮传动。一般曲轴与凸轮轴之间的传动只需一对定时齿轮，必要时加装中间齿轮。为了啮合平稳，减小噪声，定时齿轮多采用斜齿轮。在中小功率发动机上，曲轴定时齿轮用钢来制造，而凸轮定时齿轮则用铸铁或夹布胶木制造，以减小噪 声。在此，选用齿轮传动。 缸气门数及其排列方式 一般发动机都采用每缸量气门，即一进一排的结构。为了进一步改善气缸的换气，在可能的情况下，应尽量加大气门的直径，特别是进气门的直径。但是，由于燃烧室尺寸的限制，气门直径最大一般不能超过气缸直径的一半。当气缸直径较大，活塞平均速度较高时，每缸一进一排的气门机构就不能保证良好的换气质量。因此，可采用 4 气门，甚至 5 气门的机构，采用这种结构后，进气门总的通过面积较大，充量系数较高，排气门 9 的直径可适当减小，使其工作温度相应降低，提高了工作可靠性。此外，采用四气门 后，还可适当减小气门升程，改善配气机构的动力性，多气门的汽油机还有利于改善 排放性能。 当每缸用两个气门时，为使结构简化，大多数采用气门沿机体纵向轴线排成一列的方式。这样，相邻两缸的同名气门就有可能合用一个气道，这样有助于气缸盖冷却均匀。柴油机的进、排气道一般分置于机体的两侧，以免排气对进气加热。在此，采用两气门沿凸轮轴轴线成一列的方式。 门间隙 发动机工作时，气门将因温度的升高而膨胀。如果气门及其传动件之间在冷态时无间隙或间隙过小，则在热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必引起气门关闭不 严，从而使功率下降，严重时不易启动。气门间隙的大小一般由发动机制造厂根据试验确定。在冷态时，气门的间隙为 果间隙过小，发动机在热态下可能发生漏气，导致功率下降甚至气门烧坏。如果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击声，而且加速磨损，同时也会使得气门开启的持续时间减少，气缸的充气及排气情况变坏。在此，进气门间隙选 气门间隙选 章小结 本章通过对配气机构的一般基础知识的介绍，对配气机构有了初步 的认识，了解其分类，功能，设计要求。熟悉本章内容，对后文的分析和设计起基础作用。 10 第 3 章 配气正时的工作原理 气正时的介绍 配气正时就是按活塞的工作行程去配置进排气门的开启时间。进气冲程：活塞从上止点往下止点运动，进气门开、排气关；压缩冲程：活塞从下止点往上止点运动，进排气门关闭；做功冲程，活塞从上止点往下止点运动，进排气门关闭；排气冲程，活塞从下止点往上止点运动，进气门关，排气门开。 作原理 配气正时就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转矩 的环形图来表示。如图 3 图 3轴转矩环形图 在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，即曲轴转到曲拐离上止点的位置还差一个角度 时，进气门便开始开启，直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到曲拐超过下止点位置以后一个角度 时，进气门才关闭。这样，整个进气行程持续时间相当于曲轴转角 180 + + 。 一般 11 为 10 30， 角一般为 40 80。 同样，做功行程接近终了，活塞到达下止点前，排气门便开始开启，提前开启的角度 一般为 40 80。经过整个排气行程，在活塞越过上止点后，排气门才关闭，排气门关闭的延迟角 一般为 10 30。整个排气过程的持续时间相当于曲轴转角 180 + + 。 章小结 通过对配气正时以及其工作原理的介绍，对配气正时有了进一步的了解，熟悉本章内容后，对后文的分析和设计起基础作用。 12 第 4 章 配气机构的零件及组件 门组 a)气门组包括气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件。气门组应保证气门与气门座严密贴合，在高温、冷却和润滑条件都较差的情况下工作时，能有足够的强度并耐磨、耐腐蚀。为此，对气门组提出以下设计要求： b)气门与气门座应密封； c)气门能沿气门轴心线在导管中作往复直线运动； d)气门弹簧的 两端面应与气门杆的中心线垂直，以保证气门头在气门座上不偏斜； e)气门弹簧应有足够的弹力和刚度，以保证气门能迅速关闭并严密压紧在气门座上； f)弹簧座的固定应可靠。 门 气门由头部和杆部两部分组成。头部的工作温度很高，因此，要求气门必须具有足够的强度、刚度、耐热和耐磨能力。进气门的材料采用 40气门则采用 4 气门头顶部的形状选用平顶，平顶气门头结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也小，进、排气门都可以采用。 气门密封锥面的锥角，一般做成 45。气门头的边缘应保持一定的厚度， 一般为 13防止工作中由于气门座之间的冲击而损坏或被高温气体烧蚀。为了减少进气阻力，提高气缸的充量系数，多数发动机进气门的头部直径比排气门的大。在此，气门头的边缘厚度选 1 任一气门开度时的气门开启断面积 f 可以认为就是气门处气体通道的最小断面积。在常用的气门升程不大的情况下，通常认为这个 f 就是以气门头部最小直径（一般等于气门喉口直径 小底，直径 d/ t 为大底， h/为斜高的截锥体的测表面积。 气门的作用是专门 负责向发动机内输入燃料并排出废气，传统发动机每个汽缸只有一个进气门和一个排气门，这种设计结构相对简单，成本较 13 低，维修方便，低速性能较好，缺点是功率很难提高，尤其是高转速时充气效率低、性能较弱。为了提高进排气效率，现在多采用多气门技术，常见的是每个汽缸布置有 4 个气门（也有单缸 3 或 5 个气门的设计，原理一样，如奥迪 发动机）， 4 汽缸一共就是 16 个气门，我们在汽车资料上经常看到的 “16V”就表示发动机共 16 个气门。这种多气门结构容易形成紧凑型燃烧室，喷油器布置在中央，这样可以令油气混合气燃烧更迅速、更均匀，各气 门的重量和开度适当地减小，使气门开启或闭合的速度更快。 图 4门截面简图 上图示气门口的基本尺寸及其通道断面积： （ 4 （ 4 （ 4 （ 4 2/)( c o ss )2s i n2(c o s)2c o ss i nc o s( 14 式中 为气门密封锥面的锥角，取 =45。由上式可知，在气门尺寸一定时，气门口通道断面积与气门升程有直接关系。由于它们都是时间的函数，因此，气门开启“时间值”可以用积分式2（毫米 / 秒）表示。可用丰满系数来评价气门机构的时间断面，丰满系数定义为气门通路的平均 断 面 面 积 与 最 大 通 过 断 面 积 之 比 。tt a a x)()(21 时间值 与丰满系数用来表示气门的通过能力。在同一气流速度下，此参数越大，进气量就越大。 通常有： 进气门喉口直径 D=35 为 35 气门喉口直径 ( = 35 为 32气门头部直径 = 为 38气门头部直径 = 为 34气门直径 =28 为 40气门直径 57.8 为 36 4门相对升程与流量的关系 15 图 4赫指数与容积效率 气门相对升程与进气流量间的关系如图 3。因此，一般取进气门升程 46= 气门升程为 气门口的时面值在气口和气门尺寸决定后，主要决定于气门升程曲线的形状，同时也与发动机的配气相位有关。提高气门的开启速度、加宽配气定时都能够提高气门通过能力。但是，在气道中的气体流动过程中决定气体通过气门的阻力的大小有一系列的因素。进气门头部向杆过渡部分的形状、气门座内孔的形状、气道内气门导管处的形状以及气体的流速 等都影响气体流动阻力，从而影响气门的实际通过能力。 气门出气体的通过能力可以用进气马赫数与流量系数的比值，即马赫数 Z 来评价。试验表明，当 Z，充气效率就大大下降，如图 4 所示。设计中校核发动机最大转速时的马赫指数，保证 再大些更好。凸轮曲率半径的大小受其基圆半径的影响很大，因此在进行内燃机设计的总体布置时就应注意给配气凸轮轴留出充裕的地位，使凸轮基圆半径足够大。 3） 凸轮应有良好的润滑特性 在设计凸轮时，凸轮与挺柱之间承载润滑油膜的形成及其形态，对工作的可靠性和耐久性也很重要。凸轮轴与平底挺柱之间最小润滑油膜厚度计算公式为： 00m i n 2)( 。如引进无量刚参数)(0 ，（称为流体动力润滑判别特性数），是凸轮转角的函数。 4） 气门与活塞不能相碰 冲段设计 配气凸轮所对应的摇臂升程曲线在上升段及下降段各有一段缓冲段。上升缓冲段与下降缓冲段的设计可以是相同的，也可以不同。 1） 基本参数的选取 进气凸轮缓冲段高度为 轮缓冲段作用角 20度。进气凸轮型线采用对称的凸轮型线。进气工作曲线升程为 12气凸轮型线采用复合摆线 型带平段。型 线方程为： 上升缓冲段： )100(,0 0 0 6 8 3 2 (4 26 )2010(,0 6 8 3 3 6 (4上升工作段：)s i i 22下降工作段；对称。 下降缓冲段：对称。 轮轴进排气凸轮角度设计 各缸进（或排）气凸轮彼此间的夹角均为 1203360 ，点火顺序为 1 3 2。排气延迟角 431e，排气提前角 172e。吸气延迟角 431i，吸气提前角 172i。 同一缸进排气凸轮夹角为 103)17431743(4190 。 进排气凸轮工作段半包角为 602 43171 8021排气凸轮与挺柱轴线的夹角为： 3171801802 本段设计 在本设计中，气门驱动机构压缩静变形不予考虑，且凸轮上升段和下降段的缓冲高度相等。而进气门间隙为 气门间隙为 门摇臂比 i=此，可计算出缓冲段的高度：进气凸轮0 27 气凸轮0若加上提前落座量，则凸轮0气凸轮0 通过对各参数的调整，试算，最终得出配气机构动力学性能基本满足进，排气凸轮各段型线方程，选取的进，排气凸轮基本参数和升程曲线如下： 表 4轮 参数 参数 进气凸轮 排气凸轮 凸轮轴颈（ 圆半径（ 15 15 上升（下降）过度包角（度） 27 5 27 5 上升（下降）缓冲段终点速度（ mm/ 升（下降）缓冲段半包角（度） 60 60 上升缓冲段起点升程（ 冲段型线类型 复合摆线带平段 基本工作段型线类型 高次多项次型线 表 4气凸轮左侧升程曲线表 )( 升程 H()( 升程 H()( 升程 H(0 12 30 7 619 60 1 518 5 11 784 35 6 112 65 1 477 10 11 141 40 5 688 70 0 706 15 10 061 45 4 315 75 0 235 20 8 919 50 3 017 80 0 117 25 7 262 55 2 626 85 0 021 表 4气凸轮左侧升程曲线表 )( 升程 H()( 升程 H()( 升程 H(0 12 30 7 586 60 1 425 28 5 11 798 35 6 379 65 1 479 10 11 189 40 5 590 70 0 683 15 10 174 45 4 947 75 0 229 20 9 717 50 3 579 80 0 108 25 8 763 55 2 529 85 0 020 轴正时链轮与凸轮轴正时链轮 两种正时带轮是为了把曲轴运动按 2： 1的速比传给凸轮轴以便进一步驱动进排气门。这两种正时带轮的周节不一样，轴正时带轮周节为 轮轴正时链轮齿数为 40，曲轴正时链轮齿数为 20。 柱 挺柱的功用是将凸轮 的推力传给推杆，并承受凸轮轴旋转时所施加的侧向力。挺柱在其顶部装有调节螺钉，用来调节气门间隙。挺柱常用镍铬合金铸铁或冷激合金铸铁制造，其摩擦表面应经热处理后研磨。 章小结 通过这章进行配气机构的总体设计和计算，得出基本数据，进而为最后的绘图做足准备。 29 第 5章 正时链设计方法 车链服役条件及失效形式 车链的服役条件 汽车链的服役条件不同于普通的工业链条，其传递的功率和工作转速远大于普通工业链条，汽车链在 1z =19， 1n =5000 所传递的功率可达P=10工作点已远超出由 200018150 子链传动选择指导的额定功率曲线所限定的普通工业链条的工作区域之外。通常，汽车链的主动力链轮的工作转速 1n =45008000 有的甚至已超过 10000 汽车链不仅在高速工况下服役，而且承受着怠速、加速、减速等交变速度的冲击，表明了汽车链服役条件的严酷。 车链的失效形式 汽车链的主要失效形式为：链条的磨损失效、链条的断裂失效、滚子或套筒的破裂失效、链条的死结失效。 1） 磨损失效 试验研究表明，汽车练得主 要磨损机制为疲劳磨损，有时伴有莫丽磨损、粘着磨损。 通常，汽车链在使用 41020 ，其允许的磨损伸长率 %1
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