毕业设计（论文）-基于本田可变配气相位凸轮配气结构设计（全套图纸三维）.pdf

本科生毕业论文（设计）本科生毕业论文（设计） 题 目 基于本田可变配气相位凸轮配气结构设计说明书 系 别 机械工程系 专专 业业 机械设计制造及其自动化技术 学生姓名学生姓名 学学 号号 100920508 年级年级 2011 级级 指导教师指导教师 二二 0 一四一四 年年 四四 月月 三十三十 日日 1 基于本田可变配气相位凸轮配气结构设计说明书基于本田可变配气相位凸轮配气结构设计说明书 专业； 机械设计制造及其自动化 学生： 指导老师： 摘摘 要要 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 汽油机可变气门技术作为一种性价比相当高的技术方案，得到了广泛的应用。特别是近几 年由于油价的攀升和日趋严格的环保法规，可变配气机构对节省燃油、降低废气污染、提高发动 机功率都有显著作用。 本论文针对广泛用于现代轿车用汽油机最新技术完全可变气门驱动机构本田发动机的结 构、原理方面的技术分析，以及对本人的新设计思路进行浅析。主要研究内容包括： 1.对以本田为代表的日系轿车完全可变气门技术的结构和工作原理进行分析， 从而进一步的了解 可变气门技术； 2.对以本田 VTEC 为代表的日系轿车可变气门技术的结构和工作原理进行分析； 3.对本人设计的凸轮轴设计图、工作原理进行浅析，比较和现有技术的优缺点。 2 本文通过对本田 VTEC 可变气门技术进行分析，以及新式凸轮轴的思维方向，进而对未来 发动机技术的发展趋势进行一定的探索。 关键词关键词：发动机，可变气门技术，凸轮轴，新技术 Honda VTEC camshaft valve structure design specifications based on Major: Studuent: Supervisor absraote The gasoline engine variable valve technology as a cost- effective quite high technical sche me, been widely used. Especially in recent years because of rising oil prices and increasin gly strict environmental protection laws and regulations, variable of valve- train saving fuel and reduce exhaust pollution and increase engine power are significantly. Widely used in t his paper with the latest technology of modern car engine - totally variable valve driving mechanism VVA BMW new series engine, Toyota VTEC - I engine of the structure, princi 3 ple and technical analysis, the new design idea of my bai. The main research contents incl ude: 1. To BMW completely variable valve technical structure and workingprinciple of carry on the analysis, thus further understanding of variable valve technology; 2. The Honda VTEC variable valve structure and working principle of technology analys is; 3. To my design camshafts, comparison and the guide- subject advantages and disadvanta ges of existing technology. This article through to Honda new engine completely variable valve technology, Honda VTEC variable valve technologies were analyzed, and the new camshaft thinking direction , and then to the development trend of future engine technology for certain exploration. Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat food consisting mainly of minced required. Keyword:Eengine,Variable valve technology , The Camshaft, New Technology 4 目录目录 摘要摘要.2 Abstract.2 第一章第一章 引言引言.3 1.1 课题的研究背景和意义.4 1.2 可变气门配气机构的国内外研究概况.4 1.3可变气门配气机构简介.4 1.3.1 可变气门配气机构的分类.5 1.3.2 可变气门配气机构的特点.5 1.3.3可变气门配气机构总体结构图.6 1.4 可变气门配气系统的工作原理.6 第二章可变配气系统结构的总体设计第二章可变配气系统结构的总体设计.7 2.1 系统实现结构图.9 5 2.2 可变配气凸轮轴的设计.10 2.2.1 可变配气凸轮轴的作用.11 2.2.2 可变配气凸轮轴的工作原理.12 2.2.3 传统凸轮轴与新式凸轮轴的比较.13 第三章排气凸轮轴的设计第三章排气凸轮轴的设计.18 3.1 排气凸轮轴简介.20 3.2 凸轮轴在汽车发动机中的作用和用途.25 3.3 凸轮轴的分类.25 3.4 凸轮轴的传动原理.25 3.5 凸轮轴常见的故障.26 3.6 凸轮轴的生产技术.26 结论结论.27 致谢致谢.28 参考文献参考文献.29 6 第一章第一章 引言引言 1.1 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 能源与环境问题是目前汽车工业所面临的两个问题。现代高科技的发展已 将汽车发动机的节能、减排、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。为了同时提高汽油机的燃油经济性和动力性,满足越来越严格 的排放法规要求,世界各大公司竟相采用新技术装备其生产的轿车。另一方面， 随着生活水平的提高和产品的升级以及技术的发展，人们对汽车的动力性、舒 适性的要求却在不断的提高。要求在满足公益目标的前提下，以低的成本获 得快捷的交通便利，享受到驾驶乐趣。因此，二十一世纪符合市场需求的应当 是节能、环保、高性能的汽车。 针对这种现状，发动机可变气门技术作为一种性价比相当高的技术方案， 近年来在对发动机的高效率化、降低油耗、提高性能和降低尾气排放的要求越 7 来越高的情况下，作为手段之一的可变配气机构正逐步商业化。众所周知，传 统发动机配气机构的气门运行参数（气门开启相位、气门开启持续角度和气门 升程）是固定不变的，参数的确定取决于设计的工况点。因此，传统发动机, 往往将气门正时设计成高速全负荷工况最为有利,以便求得最大的标定功率。近 年来由于更注重油耗和排放，就必须考虑小负荷的工况，因为小负荷的工况对 排放的影响最大。这样，这两个工况范围对气门运行参数的要求甚至是矛盾的， 因此需要综合发动机的全部工况，采取一种折衷的处理方式来确定这些参数， 长期以来，这些这衷可能被认为是可靠的，可行的，但是，随着“高效、低能 耗、低排放”的要求不但提高，这种折衷明显不是长久之计，进而要求气门运 行参数随发动机工况的改变而变化，从而在全工况范围内优化充量的更换。 为了满足发动机全工况的要求，就需要设计可变的配气相位。可变气门技 术就改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，在发动机运转工况范围内 提供最佳的配气正时，较好地解决了高转速和低转速、大负荷和小负荷下动力 性与经济性的矛盾，同时在一定程度上改善了废气排放。更一步的说，可变气 门技术可以用来减小发动机泵气损失、加快进气速度、改善混合气质量、提高 进气效率、最终改善发动机的燃烧过程，使动力性、经济性、排放性以及响应 性能得到综合提高。对于汽油机而言，应用可变气门技术有以下几个优点： 1)提高发动机的动力性：低速时,提前关闭进气门减少进气回流;高速时,推 迟关闭进气门,充分利用气流的惯性过后充气,提高充气效率. 8 2)改善部分负荷的燃油经济性：众所周知,部分负荷时汽油机燃油经济性低 于柴油机的一个重要原因是节气门带来的泵吸损失.通过可变气门技术,在部分 负荷时利用进气门早关,减少压缩始点缸内混合气的量,即可实现无节气门的负 荷控制方式,减少泵吸损失,提高了燃油经济性.另外,也可以通过气门的升程来 控制负荷.在小负荷时,利用较小的气门升程,控制进入缸内的混合气的量,同样 可实现无节气门的负荷控制方式.而且,由于气门升程较小,流过气门的气流速度 较快,改善了燃油与空气的混合,进而可以改善燃烧过程. 3)改善怠速的稳定性和低速时的平稳性：怠速时,通过可变气门定时,减小 气门重叠角,进而减小充量更换过程中进排气的相互影响,提高怠速和低速的稳 定性,并可以降低怠速转速. 4)降低排放：利用可变气门技术,控制缸内 EGR 量,可以有效降低排放特别是 NOX 的排放。 1.2 可变气门配气机构的国内外研究概况可变气门配气机构的国内外研究概况 配气控制技术早期的研究进展比较缓慢， 主要成果是在 1985 年以后取得 的，其发展先后顺序大致如下：优化凸轮型线一可变凸轮相位一可变凸轮型线 一机械式全可变气门机构一无凸轮轴电磁(电液、电气及其他)驱动配齐机构一 无凸轮轴全可变配气机构。迄今为止，具有代表性的可变配气机构主要有 Toyota 公司的 VVTi、 BMW 公司的 Vanos、 Honda 公司的 VTEC、 Mitsubishi 公司的 MIVEC、Porsche 公司的 VarioCam、BMW 的 Valvotronics 等。 下面将分类介绍国外可变配气机构的研究及发展现状。 9 1)基于凸轮轴的可变配气机构 此类可变配气机构能同时改变气门正时、持续期及升程改变方式目前主 要有阶段式与连续式两种。 a)阶段式改变凸轮型线的可变配气机构 Honda 公司的 VrEC、Mitsubishi 公司的 MIVEC 以及 Porsche 公司的 VarioCam 等均属于阶段式改变凸轮 型线的可变配气机构。下面以 Honda 公司的 VTEC 为例，介绍阶段式改变凸轮型线的可变配气机构。 VTEC 在 2 个进气门上采用了 3 个凸轮及 3 个摇臂，如图 1 所示，其中 3 个摇臂可独立运 动也可连成一体运动。转速较低时，通过液压机构使主、次摇臂分别由主凸轮 和次凸轮驱动，中间摇臂随中间凸轮运动。但是对气门不起作用，这样主、次 进气门的升程曲线不同，可以形成涡流。转速较高时，通过液压机构使 3 个摇 臂连成一体，并受中间凸轮驱动以满足发动机高速的要求。这类机构优点是 可以提供两种以上凸轮型线，在不同转速和负荷下，采用不同的凸轮型线驱动 气门 11；缺点是只能优化某些工况，不能实现全工况性能的优化。 b)连续式改变凸轮型线的可变配气机构 Fiat 公司早期开发了凸轮型线在轴向可连续变化的 3D 凸轮机构。如图 2 所 示，一个带有锥度外廓的凸轮和装有可倾斜式垫块的挺柱相接触，凸轮轴的轴 向移动使得凸轮的不同部分和挺柱相接触， 导致气门升程和配气相位发生变 化。基圆半径沿凸轮轴的轴向是不变的，但凸轮升程沿轴向改变，故垫块必须 随凸轮轴旋转变化它的倾斜角。凸轮轴端部安装一机械式调速器，当凸轮轴转 10 速发生变 化时，调速器拖动凸轮轴产生轴向移动，使得气门升程和配气相位同 时发生变。该机构优点是可以在气门升起、回落特性上进行控制；缺点是凸轮 与 从 动 件 之 问 会 产 生 点 接 触 。 磨 损 较 严 重 ， 所 以 日 前 应 用 并 不 广 泛 。 11 2)改变凸轮轴相位角的可变配气机构 可变凸轮轴相位配气机构利用凸轮轴调相原理，凸轮型线是固定的，而凸轮 轴相对曲轴的转角是可变的。该类机构发展到现在，先后出现了螺旋齿式和叶 片式两种结构，目前叶片式结构已经逐步取代了螺旋式结构。螺旋齿式结构主 要有 Nissan 凸轮轴可变相位机构：叶片式结构主要有 BMW 公司的 Vanos 机构、Toyota 公司的 VVTi 机构、Honda 公司的 i- VTEC 机构、Ford 公司的 VCT 机构、Delphi 公司的 VCP 机构等。 下面介绍 BMW 公司的 Vanos 机构(图 3)。转子 7 通过螺栓与凸轮轴固定 在一起，壳体 1 通过链条与曲轴连接。停机时，锁止销 6 以无压力的方式嵌入 凹口锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随壳体 1 一一 起运动， 使凸轮轴有定 的初始相位。调节相位时，润滑油首先进入凹口锁止槽中，将锁止销压回并释 放转子。供油油路与液压腔 11 相通，向该腔中供油，回油油路与液压腔 l2 相通，向外泄油，转子叶片 9 在压力差的作用下带动凸轮轴相对于壳体 l 转动， 从而改变相位。反向调节时供油及泄油与上述方向相反 L2l。 这类机构优点是是可以对进气门关闭角和进排气重叠角进行控制，而且机 构原理简单，可以保持原发动机气门系不变，只用一套额外的机构来改变凸轮 轴相角，对原机改动较小。便于采用，应用较广泛；缺点是不能改变气门升程 和持续期口。 3)可变凸轮从动件的可变配气机构 12 这类机构保持凸轮型线不变，通过改变凸轮轴与气门之间从动件(如推杆， 摇臂等)的运动规律，实现气门运动的可变。按照从动件的类型分为液压式和机 械式两类。a)液压式可变凸轮从动件的可变配气机构 20 世纪 90 年代中期，SiemensHvundai 开发了 EVT 系统，并且已应用 于 Hyundai20LDHC 发动机上，该系统属于液压式可变凸轮从动件的可变配 气机构，其结构如图 4 所示。当电磁阀关闭时，润滑油被封闭在液压腔内。由 于液体的不可压缩性，气门按照凸轮型线运动；当电磁阀打开时，凸轮虽然继 续驱动从动件，但润滑油会通过电磁阀流出液压腔，从而改变了气门的运动。 由 ECU 控制电磁阀开启与关闭的时刻，就能实现对气门正时和升程的控制。 1.3 可变气门配气机构简介可变气门配气机构简介 1.3.1 可变气门配气机构的分类可变气门配气机构的分类 根据内燃机理论上对配气机构的要求，目前成为主流的可变配气机构按功 能上可分为两大类：可变气门正时(Variable Valve Timing,VVT),即气门开启 与关闭时刻可变。（见图 1.1）其原理是低速时,提前关闭进气门减少进气回流; 高速时,推迟关闭进气门,充分利用气流的惯性过后充气,提高充气效率.早是 1983 年由阿尔法罗密欧公司开始批量生产，现在已逐渐成为主流。可变 气门升程(Variable Valve Lift,VVL),即改变气门开启的最大升程。（见图 1.2 ）其原理是在小负荷时,利用较小的气门升程,控制进入缸内的混合气的量,同样 可以实现无节气门的负荷控制方式.而且,由于气门升程较小,流过气门的气流速 度较快,改善了燃油与空气的混合,进而可以改善燃烧过程。这种机构 1992 年首 13 次在本田的 VTEC 发动机上实现。另外，在这两大类的基础上，将和同时 应用于汽油机（见图 1.3）在一些高档车上应用逐渐多起来。 1.3.2 可变气门配气机构的特点可变气门配气机构的特点 用曲轴转角表示的进、排气门开闭时刻和开启持续时间，称为配气相位。 进气配气相位为 180+进气提前角 +进气迟后角 ，排气配气相位为 180 14 +排气提前角 +排气迟后角 。试验证明：在进、排气门早开、晚关的过程 中，进气门的晚关，对充气效率影响最大，其次是重叠角的大小，进气门晚关 时对 v 和 Ne 的影响人们多在进气门方面改善性能指标。 通过试验证明，两种进气迟后角的充气效率（v）和功率（Ne）变化规律 是： 1、低速时，晚关 60的充气效率 v 低、发动机功率 Ne 升高迟后。 2、高速时，超过 23002500r/min 后，晚关 60的充气效率 v 和功率 Ne ，明 显优于 40的相位角。 1.3.3 可变气门配气机构总体结构图可变气门配气机构总体结构图 根据以上数据，基于本田可变配气相位凸轮配气结构的总体图如下： 15 1.4 可变气门配气系统的工作原理可变气门配气系统的工作原理 1、发动机低速运转时 ECM 无工作指令，油道内无控制油压，各摇臂中的柱塞 都在各自的柱塞孔中，各摇臂独自摆动，互不影响。主摇臂随主凸轮开闭主进 气门，次凸轮推动次摇臂微开次进气门；中间摇臂只是“空转”。 2、发动机高速运转时 当发动机转速达到 2 3002 500r/min 时，车速达到 10km/h 以上时；节气门 开度达到 25%以上时；冷却液温度在 60以上时。ECM 指令 VTEC 电磁阀开 16 启液压油道，油压推动正时柱塞、同步柱塞和限位柱塞移动，将三个摇臂栓为 一体。由于中间凸轮的升程大于另外两个凸轮，且凸轮的相位角也加大，主次 进气门都大幅度地同步开闭。此时，发动机处于双进双排”工作状态，功率明显 的加大。可见栓联时有轻微噪音，是正常现象。 3、汽车在静止状态空转时, VTEC 机构不投入工作。 4、VTEC 机构技术状态的好坏，除电控部件外，主要决定于滑润系统的特设油 道油压值。对机油品质、润滑系统相关部件和曲轴的轴承配合间隙要求严格（ 0.020.04mm）,必须使用本田车系的专用纯正机油。 5、另外本田系列的采用可调气门间隙的配气机构，气门间隙的调整必须在冷态 下进行。 6、VTEC 机构的正时柱塞处，尚有惯性锁止片，用扭簧控制，片端插入正时柱 塞的锁止槽中，该锁止片依靠高速时的惯性力解脱。 第二章可变配气系统结构的总体设计第二章可变配气系统结构的总体设计 2.1 系统实现结构图系统实现结构图 根据以上工况，我们可以得出可变配气系统的结构图如下： 17 2.2 可变配气凸轮轴的设计可变配气凸轮轴的设计 可变配气凸轮轴主要由排气凸轮、主凸轮、次凸轮、中间凸轮等部件组成， 其具体结构图如下： 18 2.2.1 可变配气凸轮轴的作用可变配气凸轮轴的作用 连续可变凸轮轴的作用是根据发动机工况，调整节气门升程，改善原有可变配 气相位技术节气门只有高、低两个升程的现状，致力于实现节气门升程根据发动机 工况连续可变，以更好的实现节能、降低排放污染、提高发动机功率的效果。其作 用原理图如下： 19 2.2.2 可变配气凸轮轴的工作原理可变配气凸轮轴的工作原理 连续可变配气凸轮轴在工作时，需要配合节气门升程传感器，将节气门升程传 至发动机 ECU，发动机根据实时车辆负载情况、发动机工况、气门实际升程，计算出 该工况下最佳气门升程，发出指令令带式制动器动作，由于带式制动器对应部分轴 体上的螺纹的作用，凸轮轴发生轴向移动，另楔形凸轮的大端或小端顶住气门连杆， 此时，由于正时齿轮由花键槽与凸轮轴连接，凸轮轴发生轴向移动时，并不影响其 转动速度，因此凸轮轴正常运转。需要注意的是，凸轮轴上两段螺纹的方向是相反 的，因此，两个不同的带式制动器可以控制凸轮轴的左、右移动。 2.2.3 传统凸轮轴与新式凸轮轴的比较传统凸轮轴与新式凸轮轴的比较 连续可变配气凸轮轴相对于传统可变配气技术凸轮轴优点： 1.节省燃油； 2.降低排放污染； 20 缺点： 1.制造工艺复杂； 2.对材料要求高； 3.对控制机构精度要求较高。 第三章第三章 排气凸轮轴的设计排气凸轮轴的设计 3.1 凸轮轴简介凸轮轴简介 凸轮轴（英文：Camshaft ）是发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的 开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发 动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很 大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种 铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特 性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。 3.2 凸轮轴的构凸轮