毕业设计（论文）-北京吉普汽车发动机气门机构的运动学仿真.doc

诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 刘义 2015年 6 月 1 日毕业设计任务书设计题目： 北京吉普汽车发动机气门机构的运动学仿真 系部： 机械工程系 专业： 机械电子工程 学号：112012108 学生： 刘 义 指导教师（含职称）： 刘嘉（讲师） 1设计的主要任务及目标以四冲程的汽油机下置式凸轮配气机构为例，应用pro/e软件，对配气机构的凸轮运动进行仿真，并对结果分析，提出合理优化建议。2设计的基本要求和内容完成汽油发动机气门机构的零件模型建立。运用软件完成气门机构的运动仿真并提出优化策略。提交设计说明书一份，提交pro/e模型一份及分析图表各一份。3主要参考文献 1）濮良贵，机械设计（第八版）M，高等教育出版社，2010.62）孙恒，机械原理（第七版）M，高等教育出版社，2012.73）刘峥，王建昕，汽车发动机原理教程M，清华大学出版社, 2001 4）松凌珺，岳荣刚，王永皎，中文版 Pro/ENGINEER Wildfire基础教程（第二版）M，清华大学出版社，2012.54进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1对零件进行测绘，准备零件建模3月3日3月23日2用pro/e完成零件建模3月24日4月13日3完成零件装配，准备进行运动仿真分析4月14日5月4日4完成仿真模型分析，数据比较并撰写设计说明书5月5日6月1日5提交及修改设计说明书，答辩6月2日6月22日 审核人： 年 月 日北京吉普汽车发动机气门机构的运动学仿真摘 要：配气机构是发动机的重要组成部分，它是按照发动机的每一气缸所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开关进、排气门，是使新鲜空气及时充分的进入气缸，废气得以及时的彻底的排除气缸。为了提高发动机的性能，需要大量的实验和计算优化配气机构的相关参数。但是由于发动机实验耗时较长，而且经费消耗巨大，实验数据也不便测量，同时由于计算机技术的飞速发达，现代设计技术被广泛的应用于发动机设计制造当中。本设计以四冲程的汽油机下置式凸轮配气机构为例，在借鉴国内外设计开发经验的基础上，应用pro/e软件，对配气机构的凸轮运动进行仿真，并对结果分析，提出合理优化建议。关键词：发动机，气门机构，凸轮，运动仿真，pro/e软件Beijing jeep automobile engine valve mechanism kinematic simulationAbstract: Distribution institution is an important part of the engine. It is according to the work cycle of each cylinder of engine and firing order requirements, time switch inlet and exhaust valves, it is to make the fresh air in a timely manner fully into the cylinder, exhaust gas to timely cylinder completely ruled out. In order to improve the performance of the engine requires, we need a lot of valve-train optimization of experiment and calculation of relevant parameters .But, because of the engine experiment takes long time, and more money, and the experimental data is not convenient to measure. In addition, because of the computer technology developed rapidly, and the modern design technology has been widely applied to the design and manufacture of engine. This design put the four-stroke gasoline engine underneath type valve-train CAM as an example. On the basis of the design and development experience at home and abroad for reference use the pro/e to do the valve-train CAM motion simulation, then give advise base on the results of the analysis.Keywords: The engine, The valve body, CAM, Motion simulation, pro/e software目 录1 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外对气门机构的研究进展和缺陷21.2.1凸轮轴气门驱动机构21.2.2 无凸轮轴驱动气门机构31.3本设计主要内容62 配气机构结构原理72.1配气机构的机构及其组成72.2 气门机构的分类72.2.1按气门的布置分类72.2.2 按凸轮轴的布置型式分类82.3 凸轮轴的传动方式82.4 配气相位93 配气机构的运动学分析113.1.由挺柱运动规律求气门的理论运动规律:113.2球面挺柱运动规律与凸轮轮廓的关系164 运用pro/e建立模型224.1 pro/e简介224.2 配气机构建模的具体步骤224.2.1 零件建模224.2零件的装配.294.3本章总结335 配气机构的运动仿真与分析345.1 机构连接定义345.1.1凸轮连接定义345.1.2弹簧定义.355.2运动仿真365.2.1 添加电机365.2.2机构分析定义375.3运动仿真及数据测量375.4结果分析405.5改进凸轮模型406 结论43参考文献44致谢45II太原工业学院毕业设计1 绪论1.1研究背景及意义随着时代的发展，人们越来越重视汽车的节能和环保。现代高科技的发展已将发动机的节能、增效、低排放作为“节能高效环保”一体化课题进行综合研究和技术开发。而配气机构是影响发动机性能最主要的因素之一。配气相位的选择对燃烧过程的优劣有着非常重要的作用。不仅仅要选择发动机的燃油经济性，还要考虑发动机运转的地府平稳性和发动机飞起排放的问题。想要改善发动级的性能，减少有害物质的排放，可以通过改变发动机气门的运动过程来实现。为达到这些目的，要经过大量的实验和计算。如何在最短的时间内高效、高质地完成设计和相关实验，是目前所关心的问题。随着计算机技术的发展，建模（包括数学模型、物理模型等）仿真技术已成为汽车发动机研发过程中的一个重要手段。运用计算机软件的仿真技术可以得出准确数据，从而代替了繁琐冗长的实验。通过仿真计算、分析，可灵活的调整设计方案，合理优化参数，预测各种条件下系统的性能，有效缩短开发和设计周期，以降低科研经费，有助于样品的制造和实验。作为发动机最重要系统之一的配气机构也紧随时代的脚步前进，气门控制技术和气门动态仿真技术早期的研究进展比较缓慢，主要成果是在20世纪70年代以后取得的.下图为其发展历程。 图1.1气门控制技术和气门动态仿真技术的发展历程随着现代信息技术的高速发展，气门机构动态仿真技术也紧随其脚步，在汽车发动机设计制造领域的应用中不断向广度和深度拓展。配气机构是发动机中的重要机构，它的优劣直接影响发动机性能和寿命，而且关系到节省能源和减少污染等问题。随着时代的发展，动态仿真技术的发展将给发动机制造领域带来便捷，为设计者在最短的时间内设计出性能强劲的发动机做出巨大贡献。因此需要对配气机构进行优化设计，使其工作更加合理，从而提高发动机性能和寿命。1.2国内外对气门机构的研究进展和缺陷1.2.1凸轮轴气门驱动机构绝大多数活塞式内燃机是采用传统的机械驱动凸轮结构来驱动进排气门的，其气门的升程、配气定时一般是基于某一狭小工况范围发动机性能的局部优化而确定，气门运动规律完全由凸轮的型线确定的。这种气门驱动机构不够经济、环保。特别是车用发动机，要求配气相位可变，气门升程可调。但是由于它简单、可靠、相对来说不昂贵，所以至今仍广泛的使用。由于汽车在行驶过程中路况很复杂，所以要求汽车发动机在不同的转速下都能高效率的工作，这就需要凸轮轴可变气门驱动机构了。凸轮轴可变气门驱动机构是在传统气门驱动机构的基础上改进的，通过对凸轮轴传动、摇臂比、顶柱或正时皮带的调节达到改变气门正时或升程的目的，一般为机械控制，也有少量为电子控制。但是由于依旧采用了凸轮，所以其运动还是受到凸轮轮廓线的限制。Lexus、Alfa Romeo、Toyota以及Mercedes-Benz、Toyota等公一些可变气门正时系统都是这一类。下图Lexus公司的可变气门正时系统的结构图： 图 1.2 Lexus公司的可变气门正时系统的结构图还有一种凸轮轴调相位机构是由谐波传动实现的。其机构是由刚轮、柔轮和波发生器构成。柔轮是容易变形的薄壁外齿圈，刚轮则是刚性内齿轮，和谐波发生器由椭圆盘和柔性轴承组成。这些机构的特点是：机构容易实现对气门上升和下降以及气门开启持续时间的调节。而气门正时系统无法实现气门开启持续时间的调节和气门升程的调节，仅仅是可以无极可调。还有一种是Fiat公司的三维凸轮可变气门机构，凸轮轴的轴向移动使得凸轮的不同部分与可倾斜导板接触，改变了气门的升程和正时，由润滑系统的油压提供动力。控制方式有机械的，也有电子的。该机构的缺点是气门升程和气门正时的变化范围受到限制，而且工作过程中，接粗应力较大。该机构的优点为气门开启和回位的特性以及落座的速度都是可以控制的。另外还有可变连接件式机构，多凸轮机构，可变液压顶杆是机构等，这里不再一一介绍。1.2.2 无凸轮轴驱动气门机构无凸轮轴启动气门机构取消了直接受制于曲轴运动的凸轮轴及其从动件，而以电液、电磁、电气或者其他方式驱动气门。无凸轮轴驱动配气机构比传统的机械式配气机构简化了发动机结构、提高了发动机的制动性能并且降低了能耗、提高了输出功率和怠速稳定性、减少了磨损和冲击噪声等等，无凸轮轴驱动配气机构截止当前为止最有潜力的、自由度最大的可变气门系统。（一） 电机控制可变气门驱动机构电机控制可变气门驱动系统的凸轮由与原凸轮轴传动系统无关的电动机直接单独驱动。如下图图1.3 电机控制可变气门驱动机构这种系统中，每一个气门都由一套永磁无刷直流电机带动凸轮进行驱动，过增加或减少气门开启时凸轮/电机的角速度来改变气门动作的持续时间，以应缩短或延长气门的动作时间。该系统的缺点是：难以将发动机的运转过程与电动机协调一致。优点是，转速范围广，在可变定时和部分升程运行方面具有较好的灵活性。在高转速下，电机消耗的功率太大。（二）电液驱动气门机构电液驱动气门机构有一般分为两种，一种是无弹簧，一种是有弹簧的。无弹簧液压可变气门驱动系统取消了凸轮轴及回位弹簧，它包括一路高压油源和一路低压油源，在气门顶部装有一个双作用的液压活塞，活塞上部的油腔分别与高压和低压油源相连通，活塞下部油腔一直与高压油源连通，活塞上部的面积显著大于下部的面积。有弹簧的电子控制液压可变气门驱动系统取消了凸轮轴，保留了气门回位弹簧，系统由一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀共同作用，控制气门的开启与关闭，通过回位弹簧回位。（三）电磁气门驱动机构目前来看，电磁气门驱动系统是一种很有前途的驱动方式。相比于传统的凸轮轴驱动，它结构简单，性能优越，并且在燃油经济性和排放方面都有优势。采用双弹簧、双线圈的电磁气门驱动机构。发动机不工作时,两线圈均不通电。衔铁4及气门1在弹簧7的作用下,处于半开半闭的中间状态。控制系统根据曲轴转角判定各气门应打开或关闭,使关门线圈5 或开门线圈2 通电,电磁力克服弹簧力将气门1 关闭或开启。若系统判定气门应开启,则开门线圈2 通电,衔铁4 与开门铁芯3间的电磁力克服弹簧力,使气门1 向下运动直至最大开启位置。1）气门 2）开门线圈 3）开门铁心 4）衔铁 5）关门线圈 6）关门铁心 7）弹簧 8）气门导管）图1.4 双弹簧、双线圈的电磁气门驱动机构这种系统的优点是：(l)取消了凸轮轴，可以随意定时气门的开启和关闭；(2)开启和关闭动作迅速。缺点是：(1)气门落座冲击较大，易产生噪声，磨损较快；(2)为了防止线圈过热，需要另外的冷却和润滑；(3)气门落座速度过大。由上可知，只要是存在凸轮的可编气门系统，其气门的工作特性都受到凸轮轮廓线的限制。无凸轮可变气门系统去掉了凸轮，而且系统由电子控制单元控制，其气门正时、开启持续期、升程、动作速度都是柔性可调的，是截止目前为止最有潜力、自由度最大的可变气门系统。另外，凸轮轴被去掉，大大简化了结构，改善了曲轴的应力状态，减少了发动机的能耗。1.3本设计主要内容本文在借鉴国内外设计开发经验的基础上，以四冲程的汽油机下置式凸轮配气机构为例，建立运动学模型。运用pro/e软件完成零件建模，并利用pro/e中的运动仿真模块对建立的模型进行运动学仿真分析。得出气门运动过程中的位移、速度、加速度与时间的关系图线。然后对得到的结果进行分析，运用凸轮运动特性的相关知识，通过修改凸轮轮廓线对模型进行合理改进。从而使配气机构更加合理的工作，提高发动机性能。2 配气机构结构原理2.1配气机构的机构及其组成 1）凸轮轴； 2）气门摇臂； 3）气门弹簧；4）气门导管； 5）气门； 6）气门座图2.1 气门机构气门机构由气门组和气门传动组组成。气门组包括气门及与之相关联的零件，其组成与配气机构的型式基本无关。气门传动组是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成视配气机构的形式而有所不同，关于气门结构的结构，各种系统也不尽相同，但是大体上是一致的，下面我们按照分类来教要说明一下。2.2 气门机构的分类2.2.1按气门的布置分类按照气门布置分为侧置气门（气门布置在气缸盖侧面，已淘汰）和顶置气门式（气门布置在气缸盖上）。气门顶置式配气机构气门顶置式配气机构应用最广泛，其进气门和排气门都倒挂在汽缸盖上。气门侧置式配气机构的进气门和排气门都装在汽缸体的一侧。这种配气机构的气门开启方法有两种：一种是利用摇臂驱动，另一种是通过凸轮轴直接驱动。虽然这种机构的结构简单，制造方便。但由于气门布置在汽缸的一侧，使燃烧室的结构不紧凑，限制了压缩比的提高，此外，还由于进气道拐弯多，进气流动阻力大，因而发动机的动力性和高速性均较差。2.2.2 按凸轮轴的布置型式分类凸轮轴的布置型式可分为下置、中置和顶置三种。它们都可用于气门顶置式配气机构，而气门侧置式配气机构的凸轮轴只能是下置式。凸轮轴顶置式气门机构的凸轮轴布置在汽缸盖上。在这种结构中，凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门。这种传动机构没有挺柱、推杆，使往复运动质量大大减小。因此，它适用于高速发动机。但由于凸轮轴离曲轴中心线更远，因此正时传动机构更为复杂，而且拆装汽缸盖也比较困难。缸径较小的柴油机的凸轮轴顶置时，给安装喷油器也带来了困难。凸轮轴下置（图2.2）和中置的配气机构中的凸轮轴分别位于曲轴箱和汽缸体上部。对于高转速的发动机，为了减小气门传动机构的往复运动的质量，可将凸轮轴的位置移到汽缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆，这种结构被称为凸轮轴中置式配气机构。2.3 凸轮轴的传动方式凸轮轴的传动机构不仅要曲轴带着凸轮轴转动，而且要使凸轮轴对曲轴保持一定的相位关系以保证气门适时启闭，因此常被称为正时传动系统机构。曲轴与凸轮轴之间的传动方式有齿轮传动、链传动和带传动。1） 曲轴凸轮正时齿轮 2）凸轮轴正时齿轮 3）凸轮轴 4）挺住5）推杆 6）摇臂座 7）摇臂轴 8）摇臂 9）气门图2.2 齿轮传动链传动，可以想得到，就是用链条来传递曲轴和凸轮轴之间的转动，特别适合于凸轮轴顶置的配气机构。这种传动方式对于减少噪声、减轻结构质量和降低成本都有很大的好处。齿带传动是现在高速发动机广泛采用的传动方式，齿形带由含钢丝或尼龙丝的塑料带制成，不需要润滑松边也要张紧以防跳齿。成本低噪声小，对轿车很有利，但是寿命一般不是很长，只适用于小型高速汽油机。1）曲轴正时皮带 2）中间轴正时皮带 3）齿形皮带 4）张紧轮5）凸轮轴传动皮带轮 6）进气凸轮轴 7）凸轮 8）液压挺住 9）进气门组件 10）进气凸轮轴图2.3 齿形皮带传动2.4 配气相位配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲轴位置的曲轴转角的环形图来表示，这种图形常被称为配气相位图(如图2.4所示)。现代发动机都采取延长进、排气时间的方法，即气门开启和关闭的时刻并不正好是曲拐处在上止点和下止点的时刻，而是分别提早和延迟一定的曲轴转角，以改善 进、排气状况，从而提高发动机的动力性。图2.4 配气相位图凸轮轴上配置有各缸进、排气凸轮，用以使气门按一定的工作次序和配气相位及时开闭，并保证气门有足够的升程。同一汽缸的进、排气凸轮的相对转角位置是与既定的配气相位相适应的。发动机各个汽缸的进气或排气凸轮的相对角位置应符合发动机各汽缸的点火次序和点火间隔时间的要求。因此，根据凸轮轴的旋转方向以及各进气或 排气凸轮的工作次序，就可以判定发动机的点火次序。凸轮轴通常由曲轴通过一对正时齿轮驱动，小齿轮和大齿轮分别用键装在曲轴与凸轮轴的前端，其传动比为2:l。气门机构的工作原理是这样的，气门机构运动的动力来源是曲轴，即由连接于气缸曲轴上的时规齿盘以时规链条来带动连接于凸轮轴末端的另一个时规齿盘，两个齿盘的齿比是1:2，也就是说经过4个行程后曲轴转了7200度，而凸轮轴只转了3600度。有了这些驱动装置，凸轮轴便能随发动机运转而转动。平时因为气门弹簧的弹力作用而关着的气门，当凸轮轴上的凸轮转到凸面时，由凸轮推动气门摇臂，气门便被打开，之后再随着凸面的离开及气门弹簧的作用而关闭。所以气门机构的功用就是按照发动机每一汽缸内所进行的工作循环和点火次序的要求，定时开启和关闭各汽缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入汽缸，废气得以及时从汽缸排出。3 配气机构的运动学分析气门机构运动学所研究的内容包括：凸轮从动件（下置凸轮轴式气门机构中的挺柱，顶置凸轮轴式气门机构中的摇臂）运动规律与凸轮的关系，以及从动件与凸轮的相对滑动关系；在不考虑机构弹性的条件下，凸轮从动件的运动规律与气门运动规律的关系。由前者可以明确从动件运动规律对凸轮轮廓的曲率半径以及凸轮-从动件摩擦润滑特性的影响，由后者可以得出单纯凸轮从动件运动规律所决定的“气门理论（几何）运动规律”。这里只对下置式凸轮气门机构作详细介绍。3.1. 由挺柱运动规律求气门的理论运动规律在下置凸轮轴式气门机构中，摇臂通常以其长臂端的圆柱面与气门杆端面接触，短臂端则固定着气门间隙调整螺钉，螺钉以球头（或球窝）与推杆端的球面接触。 图3.1 摇臂简图这样的摇臂可以用图3.1所示的杠杆AOB和摆杆BC来表示。在摇臂驱动气门的过程中，杆AOB绕O点（摇臂轴中心）摆动，杆BC则绕B点摆动而始终保持着垂直于气门杆端面的位置。图3.2给出了下置凸轮轴式气门机构的简图。作为一般可能的情况，挺柱中心线与气门不平行。点F表示推杆下球头和挺柱球窝的中心,AF表示推杆。当凸轮驱动挺柱以速度运动时，点F沿挺柱中心线以运动，而摇臂的A、B两点的速度方向各垂直于OA和OB。延长OA，与通过F的挺柱中心线垂线交于P，则P即推杆AB的瞬时转动中心。于是 （3.1）而 式中、以及下文即将出现的含义见图3.2。气门的运动速度： （3.2）定义“摇臂比”为气门速度与挺柱速度之比，则 （3.3）式中的就是图3-2中的。点是通过点的挺柱中心线垂线与推杆的延长线的交点，则是点至的垂直距离。图3.2 下置凸轮轴式气门机构简图如果摇臂比是一个常数，则气门的速度和加速度为: （3.4）而任意时刻时的气门升程为： （3.5）式中 是气门始动时刻，是挺柱始动时间。显然就是时刻的挺柱升程，而就是为消除气门间隙所用去的挺柱升程。因此 （3.6）若按此式算出的，说明气门间隙尚未消除，而即为该瞬时的间隙值。式（3.5）、（3.6）说明，当摇臂比为常数时，气门运动规律就是挺柱运动规律的简单放大。但是下置凸轮轴式气门机构的摇臂比只是在满足： （3.7）的条件下才近似于常数。此处、和各为图3-2中所示的三个位置角的初始值，即挺柱处于凸轮基圆上时的位置角。当很小时可以认为因此 （3.8）这样，式（4-3）中的，摇臂比也近似于一个常数了。如果不能满足式（3-4），则对于的气门机构，其摇臂比会随着挺柱的升起而渐渐变大。反之，对于的气门机构，将随着挺柱的升起而逐渐变小。例如，492QA的气门机构。其摇臂比就在1.481.57的范围内变化，气门全开时最大。对于摇臂比随时间变化的下置凸轮轴式气门机构来说，任一瞬时的气门速度仍然是 ，而气门加速度 （） （3.9）不仅与有关，还同摇臂比的变化有关。可以先根据气门机构的几何关系逐点计算和气门升程，再利用、和逐点计算。下面就给出逐点计算气门升程和摇臂比的算式。式中各符号的含义见图3.7。坐标轴线平行于气缸中心线。挺柱中心线对轴线倾斜，斜度以挺柱中心线的垂直线对轴线的夹角表示，和推杆长度，摇臂尺寸、和，气门杆端面在气门杆关闭时高出摇臂轴线的距离，气门间隙等均为设计给定值。在气门机构的初始位置，挺柱和凸轮基圆接触，推杆上球头中心的坐标、。已知：同时摇臂长臂端圆柱面与气门杆端面之间有气门间隙。按照图3.3（a）中所示几何关系，可以先依次把、和算出来。然后可计算挺柱升程为时的各位置参数（图3.3（b），图形如下：a）初始位置 b)气门启动过程中任一瞬时状态图3.3 下置凸轮轴式气门机构传动链几何关系图各参数之间的关系可以从下面方程获得： （3.10） 挺柱升程为时气门升程和摇臂比就是： (3.11)按此计算出的若为负值，说明此时刻气门间隙尚未清除，即该瞬时的间隙值。通常在气门机构的分析中挺柱、气门的速度不用、（）表示，而用、（度）表示。此处是凸轮轴转角。为便于区分， 记 （3.12）则 （3.13）式中是凸轮轴转速。当挺柱的运动规律即其、和随凸轮轴转角变化的规律已知时，对于定摇臂比的气门机构，其气门的理论运动规律就是。对于是变量的气门机构，则只能以较小的转角步长，用式（3.6）和式（3.7）逐点计算每一转角下的和，气门速度，而气门的加速度。此处可得自数值微分。显然，变摇臂比的气门机构的运动学计算比定摇臂比气门机构复杂，设计时只要结构布置条件允许，宜满足式（3.4）所示的定摇臂条件。最后要说明的是，根据虚位移原理，应有 （3.14）式中是由凸轮作用于挺柱的沿方向的力，是由气门作用于摇臂长臂端的逆方向的力。因此，摇臂比既是速度之比，也是作用力之比（忽略惯性力），即 （3.15）3.2 球面挺柱运动规律与凸轮轮廓的关系 很多发动机的下置凸轮轴式气门机构不采用平底挺柱而采用球面挺柱。原因是凸轮轴在发动机运行总有弯曲变形，要想使挺柱能适应凸轮轴的变形而不发生尖点接触，只可能有两种办法，一是把平底挺柱导向部分的外圆做成桶形面，二是把挺柱底面做成球面。原则上前一种办法可使挺柱和凸轮保持线接触以减小接触应力但目前用得较多的还是后一种球面底挺柱。球面半径多大在之间，同时凸轮轮廓带有锥度。凸轮中间断面无需对应挺柱中心线偏移就能使挺柱转动。（1） 基本关系式见图3.8，球面挺柱的球面中心至凸轮中心的距离为： （3.16）而 （3.17）式中的和各位球面挺柱的升程和速度（度），是凸轮驱动球面挺柱时的凸轮转角。就凸轮轮廓上同一点来说，它所对应的不同与凸轮驱动平底挺柱时的。图3.8 球面挺柱与凸轮的关系 依照分析平底挺柱运动的方法也可以作出一个速度三角形，并可推导出 （3.18）和 （） （3.19）压力角 （） （3.20）这三个式子中应以（度）为单位。根据已知的数学公式，即坐标曲线的曲率半径为 （3.21）故凸轮轮廓的曲率半径为: （3.22）此式中和各以（弧度）和（弧度）的为单位。球面挺柱与凸轮的接触点沿挺柱球面移动的速度为： （3.23）代入求导 ，最终可得 （3.24）球面挺柱-凸轮副建立承载油膜的有效速度为 ： （3.25）相应得润滑特性数为： （3.26）以上三式中的也以（弧度）为单位。（2） 平底挺柱运动规律与球面挺柱运动规律的换算关系凸轮外廓常常是按照它驱动平底挺柱时的升程数据表给定、制造和检验的。这就是说往往已知的是而不是。由图3.8可见对于同一接触点。根据图中所示几何关系可以推导出由已知的计算对应的的公式如下。 （3.27） 因球面挺柱的很大，很小，可近似认为： （3.28）于是有 （3.29） （3.30）在挺柱上升段和均为负值而为正值，；在挺柱下降段和均为正值而为负值，。又，由和的相似关系，以和式（3.24）代入，可得 （3.31）如果要求解决的是给定的反求利用平底探头检验凸轮所需的升程数据，即由计算对应的，则 （3.32）须注意，由各计算各时，是等步长增大的，得出的不是等步长递增的。反之，由各计算各时，等步长递增的对应不等步长递增的。要想按等步长递增的转角给出对应的升程数据，还必须对计算结果进行插值处理。在实际工作中鉴于很大而很小，往往就把当作，所引起的升程误差一般不大于。在此顺便提一下带滚轮的挺柱。式（3.21）至（3.26）六个式子对滚轮挺柱是适用，式（3.32）和（3.34）也适用，只是因其与同 一数量级，式（3.31）和（3.33）不使用。由图3.16可以看出，同一凸轮在同一转角下的滚轮挺柱升程小于平底挺柱升程。越小，二者相差越大。因此，同一个凸腹图轮驱动滚轮挺柱时得到的气门开启时面值小于驱动平底挺柱时的时面值。如果用滚轮挺柱，宜配上切线凸轮（凹腹凸轮公艺性差，也不宜用）。不过由于滚轮挺柱的质量较大而成本又较贵，在高速汽车发动机中一般时不用的。（3）摇臂长臂端对气门杆端面的滑移见图3.9，在气门开启过程中摇臂和气门接触点在摇臂端圆柱面上的位置和气门杆端面上的位置都在变。在摇臂端圆柱面上的接触点位移为 （3.33）此处是气门间隙刚消除而气门尚未开启时得摇臂位置角，是开启过程中任一 图3.9 摇臂长臂端与气门杆端的相对滑移 图3.10 摇臂/气门接触点移距 瞬时的位置角。，是气门关闭时其杆端面高出于摇臂轴线距离。在气门杆端面上的接触点位移为 （3.34）和随摇臂摆角变化的规律示于图3-10。同一时刻，说明摇臂和气门杆端面间有相对滑移。滑移速度为。为减少接触面的磨损，希望：（1）不出现；这就要求在气门启闭过程中始终大于零，即摇臂端圆柱面的半径应大于，此处是气门的最大升程；（2）相对滑移总距离尽可能小些。据推导，当略小于时最小 ，实际气门机构多取。为了使气门杆端面的受力点不偏离气门中心线过多，宜使接触点的移动范围。此处是气门全开时的摇臂位置角，是气门杆直径。要满足这一要求，应小于，摇臂端圆柱面直径的选择受此限制。此外，接触点在气门杆端面上的移动范围宜对称与气门中心线，因此和之间宜符合于或接近于的关系，此处是摇臂摆动中心至气门中心线的距离。4 配气机构模型建立4.1 pro/e简介pro/e是Pro/Engineer的简称，pro/e是美国参数技术公司 （Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。pro-e作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的模具和产品设计三维CAD/CAM软件之一。pro/e采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。4.2配气机构建模的具体步骤 本文选用的是北京吉普汽车发动机的配气机构。包括凸轮轴、推杆、摇臂、气门组、推杆套。下面依次介绍零件建模过程和整体装配。4.2.1 零件建模 1.凸轮轴 选取TOP平面作为基准面，点击草绘命令，绘制直径为34mm的圆，图4.1 草绘出直径34 mm的圆然后点击确定,选择拉伸命令拉伸28mm，得到下图：图4.2 拉伸出28mm的圆柱选择front平面作为基准面绘制草图4.3草绘图形确定后按旋转命令并选择去除材料旋转后如下：图4.4旋转切除然后选择零件地面作为草绘平面绘制直径32mm的圆，向下拉伸5mm得到下图图4.5拉伸出5mm的圆柱继续选择零件底面为草绘平面，绘制草图如下：图4.6草绘凸轮轮廓线向下拉伸24mm得到第一个凸轮的图形：图4.7凸轮按照上述方法得到的凸轮轴最终图形：图4.8凸轮轴最后再利用前面用到的旋转去进行切槽，最后利用倒圆角命令对凸轮的顶端倒圆角得到凸轮轴的模型；图4.9凸轮轴2.摇臂选取top平面作为草绘平面，画直径为25和20的两个同心圆：图4.10草绘同心圆然后选择拉伸命令拉伸出如下图形：图4.11拉伸出空心圆柱继续 选择top平面为基准平面，绘制下图：图4.11草绘图形然后向上拉伸3mm，图4.12拉伸图形选择筋工具为其添加筋，如图： 图4.13添加筋选中全部，以top平面为参照进行镜像得到摇臂大致图形：图4.14摇臂最后在利用拉伸和旋转命令对其进行修改得到最终图形：图4.15摇臂3.气门组零件 （1）气门，用拉伸和旋转命令即可得到如下图所示的气门图形：图4.16气门 （2）气门弹簧座，用拉伸和旋转命令得到：图4.17气门弹簧座 （3）气门导管：图4.18气门导管（4）锁片：图4.19锁片（5）挡片：图4.20挡片4.其他零件，运用pro/e中的命令一次绘制出了各个零件的图形：图4.21推杆套图4.22推杆图4.23机架4.2.2 零件的装配 1.气门组的装配：（1）首先将挡片设置为缺省，然后添加气门导管，并用常规连接将其完全定义，使其固定。如图：图4.24装配（2）然后添加气门，设置为滑动杆连接，点击放置依次选择轴对齐和旋转并选择元件，得到如图所示结果： 图4.25滑动杆连接（3）添加锁片和气门弹簧座，只需要用常规连接将其完全定义在气门上边，即让其固定在气门上得到图：图4.26 气门装配2.总体装配（1）凸轮轴装配，为了方便装配，作者自己设计了机架，在上文中已经列出其零件图。这里先将机架设置为缺省：然后再添加凸轮轴，选择销钉连接，点击放置。依次选择轴对齐和平移并选择元件得到下图： 图4.27（a） 凸轮轴装配图4.27（b） 凸轮轴装配（2）推杆套装配，添加元件是选择推杆套，用常规连接将其完全定义，使其固定在机架上不动，得到结果，其余推杆套按同样方法装配： 图4.28推杆套装配（3）推杆装配，按照前面气门装配的方法，用滑动杆连接定义推杆，得到推杆装配图：图4.29推杆装配（4）摇臂装配，摇臂采用和凸轮轴一样的销钉连接装配后，点击新设置，添加槽连接，选择直线上的点，完成定义。其余摇臂按照同样的方法装配得到： 图4.30（a）摇臂装配图4.30（b）摇臂装配（5）气门组的装配。作者先采用刚性连接将气门挡片和气门套管完全定义，使其固定在机架上不动，然后再设置新设置中加入槽连接，其余气门组装配方法相同： 图4.31（a）气门组装配图4.31（b）气门组装配4.3本章总结 本章主要介绍了配气机构中零件的绘制以及整体的装配，按照pro/e的操作方法完成了模型的建立。在建模的过程中要注意在装配时定义的连接要准确，符合实际运动情况，为下一章的运动仿真做好充分准备。5 配气机构的运动仿真与分析5.1 机构连接定义5.1.1凸轮连接定义点击应用程序中选择机构，进入机构界面:：图5.1机构界面然后点击，选择凸轮连接，凸轮1选择凸轮轴，凸轮2选择推杆，点击确定定义凸轮连接：图5.2凸轮定义其余推杆与凸轮连接用同样的方法得到。5.1.2 弹簧定义在机构界面点击定义弹簧，选取挡片上一点和气门弹簧座上一点，设定k值为10，点击确定得到气门弹簧：图5.3定义弹簧其余弹簧方法相同，最终得到模型图：图5.4模型图5.2运动仿真5.2.1 添加电机要使机构运动，需要在机构中添加伺服电机，为机构提供动力，在机构界面点击，定义伺服电机：图5.5（a）定义电机选取凸轮轴和机架的销钉连接作为运动轴，然后再轮廓内设定模位常数，A=36，意为凸轮轴转速位36度/每秒。然后点击确定。图5.5（b）定义电机5.2.2机构分析定义点击机构界面创建分析，类型选择运动学，终止时间改为10，初始配置选择快照1.后点击确定：图5.6创建分析5.3运动仿真及数据测量在左侧机构树中选中设置好的分析，点击运行：图5.7运行分析然后点击测量工具，选择电机动力，创建新测量选择气门上的一个点：图5.8测量定义分别测量出气门位移，速度，加速度，点击分别得出气门的位移、速度、加速度图线如下：图5.9气门位移 图5.10气门速度图5.11气门加速度 5.4结果分析根据分析得到的运动线图可以得到如下结论：1、位移线图从0时刻到1时刻位置没有变化，此时，凸轮在基圆上运动，气门禁止不动。在1时刻到2.5时刻时位置位移变化较为剧烈，此时，气门向下运动，完成进气过程。从2.5秒到4秒，气门上升运动，完成排气过程。位移图线有一些不合理处，应需在位移最小处停留1到2秒，保证气门充分进气。2、速度线图从0秒到1秒一直为0mm/s，因为此时气门一直不动。从1时刻到2.5时刻位置，开始进气，气门速度变化较为剧烈，而此时需要气门速度变化较为平缓；在2.5时刻位置速度存在突变，变化幅度为从40mm/s到0mm/s，说明该位置凸轮轮廓曲线存在不连续的状态，导致出现加速度存在无穷大突变，进而可能导致“刚性冲击”，引起气门冲击问题。在排气过程中存在同样的问题。依据以上分析，说明在气门上升和下落阶段存在速度不合理的问题，需要修改凸轮阔线。3、加速度线图从0时刻到1时刻位置加速度一直为0mm/s,此时气门速度也为0mm/s，在1时刻时，气门开始运动，此时加速度有突变，幅值位0 mm/s到20 mm/s，说明该位置凸轮轮廓曲线存在不连续的状态，导致出现加速度存在有限突变，进而可能导致“柔性冲击”，在2时刻到3时刻阶段，气门加速度存在多处突变，幅度为60 mm/s到180 mm/s.说明凸轮轮廓线存在不连续，可能导致柔性突变。依据以上分析，说明在气门开始运动时和气门到达最低点返回时的加速度存在突变，需要修改凸轮阔线。5.5改进凸轮模型按照凸轮运动特性和实际中对气门运动的要求，作者对凸轮模型进行修改，得到了新的凸轮轮廓线，然后重新进行运动仿真得到新的位移、速度和加速度图线：图5.12改进后的气门位移 图5.13改进后的气门速度 图5.14改进后的气门加速度根据改进后的图线分析可以得出一下结论：1、气门位移图开始时变化较为平缓，而且在最低点出停留约0.5s，这样的设计可以保证气缸充分进气，有利于提高配气机构性能；2、经过修改凸轮轮廓线，从气门速度图中可以看出，气门速度没有突变，消除了气门运动过程中的刚性冲击，而且速度变化幅度也变为0mm/s到16mm/s。这样可以减小气门落座的冲击力，减少了配气机构的损害。3、由加速度图像可以看出，气门加速度幅度变化由原来的0 mm/s到180 mm/s变为0 mm/s到40 mm/s，大大减小了气门加速度的突变幅度。减小了气门运动过程中柔性冲击，改善了配气机构的性能。6 结论本片论文通过对配气机构的发展的学习和了解，结合所学过的知识，通过pro/e建立模型，对气门机构进行运动仿真得到以下结论：1. 现有气门机构，气门在到达最顶端的时候没有停留，不能保证充分进气；2. 凸轮轴四段曲线连接处存在拐点，使气门运动过程中出现速度和加速度的突变；3. 在运动过程中会造成刚性冲击和让柔性冲击，从而导致在运动过程中会造成气门的振动从而引发噪声。4. 气门运动过程中，由于速度突变的存在，导致气门落座冲击非常大，易损害配气机构。通过对原有凸轮阔线进行修改，削弱了冲击，优化了运动规律，改善了