（机械工程专业论文）机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着国民经济不断发展，我国铁路运输持续提速，大连机车车辆有限公司( 后简称 公司) 生产的内燃机车柴油机向着大功率，多样化发展。凸轮轴是机车柴油机的关键部 件，凸轮型线设计直接影响柴油机工作性能，因而研究凸轮型线设计是发动机制造领域 重要课题之一，凸轮轴加工工艺设计亦备受相关企业广泛关注。 凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤，为满足目前铁路对内燃机车柴油机高速重 载的要求，机车柴油机凸轮型线设计采用多项式高次方凸轮。从柴油机性能对气门通过 能力和配气机构动力性能的要求出发，先拟定推杆运动规律，而后求得凸轮外形轮廓曲 线的极坐标表达式，继而计算出凸轮的升程表，设计凸轮型线图。 凸轮轴工艺优化关键在于凸轮加工工艺的数控化，柔性化。从凸轮轴加工工艺布局 调整，工艺流程改进，m 4 0 型五轴联动车铣加工中心和c n 3 2 0 型数控凸轮磨床的程序 编制，以及单节凸轮轴组装工艺改进等几方面入手，完成了单节凸轮轴的工艺优化设计。 凸轮精磨是凸轮轴加工的关键工序，凸轮精磨工序磨削裂纹质量控制是提高凸轮轴加工 质量的重要环节。通过对磨削裂纹的原因进行深入分析，提出切实可行的预防措施，实 现了对凸轮轴加工关键工序的质量控制。 经生产实际验证，凸轮型线设计实现内燃机性能要求；凸轮轴工艺优化显著改善产 品加工及组装质量，增强工艺的柔性化，满足了企业产品多品种、高精度的生产需求。 关键词：凸轮设计；凸轮工艺；数控加工； 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 t h ec a mo u t l i n ed e s i g na n dt e c h n o l o g yi m p r o v eo fl o c o m o t i v ed i e s e l c a ms h a f t a b s t r a c t u n d e rt h ei n f l u e n c eo f r a i l w a ys p e e d i n gu pi nr e c e n ty e a t s ，d l o c o ( c o m p a n yi sc a l l e df o r s h o r ti nt h ef o l l o w i n g ) i sd e v e l o p i n gi t sd i e s e l si n t oh i g h - p o w e r e da n dd i v e r s i f i e do n e s c a m s h a f ti st h ek e y p a r tf o rd i e s e l n ed e s i g no fc a m s h a f to u t l i n ea f f e c t sm a n yp e r f o r m a n c e i n d e x e sd i r e c t l y s ot h ec 锄o u t l i n ed e s i g ni sa ni m p o 化a a tp r o j e c ti ne n g i n em a n u f a c t ：i 】r ef i e l d a n dt h et e c h n o l o g yo f t h ec 锄m a c h i n i n gi sa t t a c h e di m p o r t a n c et oc o r r e l a t i v ec o m p a n y t h ed 髓i g no fc 锄o u t l i n ei st h ek e ys t e pf o rc a m s h a f td e s i g n i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh j 【曲s p e e da n dh e a v yd u t y , t h ed e s i g no fc a m s h a f tf o rd i e s e li sm u l t i n o m i a l c 锄t h es t a r tp o i n to fd e s i g ni st h a tt h ep a s s i n gc a p a b i l i t yo fv a l v ea n dt h ep o w e r p l e r f o r m a n c eo fg a sd i s t r i b u t i o ns y s t e mm u s tm e e tt h er e q u i r e m e n to fd i e s e l t h e nd r a rt h e r u l e so fp u s hr o dm o v i n g , w o r ko u tt h ep o l a rc o o r d i n a t e df o r m u l ao fc 鼬o u t l i n e a n d c a l c u l a t et h el i f to f c a m , d e s i g nc a n lo u t l i n ed r a w i n g k e yp o i n tf o ru p g r a d i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi st om a k ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo f c a mn u m e r i c a le n n t r o la n df l e x i b l e t oc o m p l e t eu p g r a d i n gt e c h n o l o g yd e s i g no fs i n g l e c a m s h a f l w eh a v et oa d j u s tt h el a y o u to fc a m s h a f tp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i m p r o v e t e c h n o l o g yp r o c e d u r e , m a k et h ep r o g r a mf o rm 4 0m i l l t u mw i t hf i v es h a f ta n dc n 3 2 0 n u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gl a t h eo fc a m p r e c i s e l yc , 9 田3m i l l i n gi st h ek e y w o r k i n gp r o c e d u r eo f c a mp r o c e s s i n g a n df o rt h i sw o r k i n gp r o c e d u r e , t h eq u a l i t yc o n t r o lo fm i u i n gc l e a r a n c ei s t h ek e yp h a s ef o rp r o m o t i n gt h eq u a l i t yo fc a l l lp r o c e s s i n g t oa n a l y s et h ec a l k g eo fm i l l i n g c l e a r a n c ed e e p l y , t h e np u tf o r w a r dt h ep r a c t i c a lp r e c a u t i o n a r ym e t h o d st oa c c o m p l i s ht h e q u a l i t y c o n t r o l o f k e y w o r k i n g p r o c e d u r e o f c a m p r o c e s s i n g i th a sb e e nt e s t i f i e db ya c t u a lp r o d u c i n gt h a tt h ei m p r o v e dt e c h n o l o g yo b v i o u s l y p r o m o t e dt h ep r o c e s s i n ga n da s s e m b l yq u a l i t yo fc a m s h a f t , e n h a n c c dt h et e c h n o l o g y f l e x i b i l i t yg r e a t l y , w h i c hs a t i s f i e dt h ep r o d u c i n gn e e d so fd i v e r s i f i e da n dh i 【g hp r e c i s i o n c a m s h a f t k e yw o r d s ：c a md e s i g n = c a mt e c h n o l o g y ；n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：痤咝日期：避笪习 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盘亟查 导师签名： 丑年上月l 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文背景 随着我国铁路第六次大提速启动，铁路电气化里程不断增加，内燃机车铁路用量减 少，大连机车车辆有限公司生产的大功率内燃机车在高速重载方面面临着巨大的考验。 大缸颈柴油机的研发成为公司重中之重的开发项目，与英国m a n 公司合作开发的船用 r k 2 7 0 型柴油机，与美国g m 合作开发的1 6 v 2 6 5 h 型机车柴油机等项目陆续展开。为 了适应市场，公司调整战略，于2 0 0 5 年开始设计制造船用中速柴油机，同时拓展工矿 企业市场，为沪东重机等中速大缸颈柴油机生产企业加工柴油机配件。凸轮轴是机车柴 油机的关键件，凸轮轴的品种也趋于多样化的，凸轮轴的加工及组装工艺优化设计尤为 重要。这就需要凸轮轴这个关键件的工艺进一步柔性化，现代化。目前机车柴油机凸轮 轴有两种结构形式。一种是双缸式凸轮轴( 两个气缸的两组凸轮设置在一根凸轮轴上) ； 另一种是单节凸轮轴( 每个气缸对应一节凸轮轴) 。机车柴油机主要机型为1 6 v 2 4 0 z j 型，1 6 个气缸呈v 字型排列，凸轮轴分左右两列，双缸式凸轮轴每组由4 节凸轮轴组成， 长约3 4 7 5 m m ，由于各节凸轮相位不同，组装时必须对各缸凸轮夹角和各轴颈跳动迸行 长时间的手工调整，对组装操作者的技术水平要求高，而且互换性差，维修成本高。单 节凸轮轴两端的法兰孔精度高，组装时不需要长时间调整，生产效率高，对操作者的技 术水平要求不高，而且互换性好，维修成本大大降低，双缸式凸轮轴由于组装时必须人 工调整凸轮夹角和各轴颈跳动量，所以只能整体拆装，维修时需要拆除大量装置，消耗 大量人力物力，极为不便。而单节凸轮轴由于互换通用，除整组拆装外，也可以单节拆 装。单节拆装时由于尺寸短小，只需将机体侧羞打开就可以进行拆装，极大地方便了铁 路机务段的维修与更换。 公司凸轮轴的加工工艺关键在于凸轮加工，在2 0 0 5 年7 月以前公司凸轮粗铣加工 采用2 0 世纪8 0 年代引进的德国模拟电路控制的数控凸轮铣床加工，因设备老化，行程 受限，控制系统柔性差等原因，不适应目前多品种生产的实际情况，单节凸轮轴粗铣加 工只能在凸轮磨床靠出凸轮型线，然后在万能铣床上完成铣削工序，铣削后的凸轮只能 粗略符合凸轮型线，加工余量非常大，在铣凸轮之前靠凸轮工序对凸轮磨床的精度会造 成不良影响。粗磨凸轮和精磨凸轮分别在m b 8 3 2 5 凸轮磨床和n w s 1 8 0 0 凸轮磨床以仿 形磨削的方式进行。仿形磨削需要制作精度要求高于凸轮轴凸轮设计型线的精度，造成 凸轮靠模制造周期长成本高，曲线更新困难；仿形系统的误差包括靠模的制造误差( 工 件制造误差的3 0 是由于靠模误差引起的) 、磨损误差以及靠模的定位误差，还有仿形 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 系统的弹性变形。这种仿形误差对凸轮加工精度的影响能达到0 0 5 0 0 6 m m 。砂轮直径 变化影响凸轮升程，砂轮直径在切削过程中不断减小，经验显示，凸轮升程随砂轮直径 每变化l o m m 升程变化0 0 4 8 a m 靠模仿形磨床对这种变化没有补偿功能，这种限制使得 砂轮的有效使用范围大大缩短，造成生产中砂轮浪费严重。因为凸轮磨床工件转速固定， 所以凸轮型面上各升程点的磨削速度不相同，某些点存在着较大的加速度，这种运动形 式对凸轮造成很大的震动与冲击，在凸轮表面形成过大的拉应力和较大变质层，从而引 起凸轮表面过早出现疲劳裂纹、磨损，使零件失效。 改变传统工艺，优化凸轮型线设计，采用先进数控加工技术提高凸轮轴的加工工艺 水平被公司列入柴油机整体工艺质量提升攻关项目。 1 2 国内外研究现状 凸轮轴是机车柴油机配气机构的主要驱动件，设计在其上的凸轮，以其外形轮廓曲 线控制气门的运动规律，更换气缸内的气体。设计中要求：凸轮的配置位置必须正确， 以保证各缸已选定的配气正时和配气时面值的实现；根据柴油机总体设计的布置和凸轮 轴上的载荷情况，在保证凸轮轴具有足够刚度的前提下，决定支承轴承数和轴承尺寸， 以及凸轮轴的最小直径尺寸；合理选择材料和热处理方法，以保证凸轮轴具有足够的疲 劳强度、冲击韧性、表面硬度和耐磨性。其中凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤， 凸轮型线设计是根据机车柴油机性能要求设计凸轮外形的轮廓曲线( 凸轮型线) 。凸轮 型线决定着配气机构的通过能力，即时间截面值的大小和惯性力的作用情况，对配气 机构的工作能力和动力性能有着决定性影响。配气凸轮型线设计有两种方法：根据对所 设计的柴油机的分析和已有的经验，选定凸轮外形轮廓线。即确定凸轮几何形状和推杆 型式，然后计算出推杆运动规律。从而校验所选定的凸轮几何形状是否满足设计要求。 用这种方法设计的凸轮称为几何凸轮，它由几段圆弧组成，是最常见的凸轮型线形式； 从柴油机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要求出发，先拟定推杆运动规律， 而后求得凸轮外形轮廓曲线。用这种方法设计的凸轮称为函数凸轮。上述两种方法都有 广泛应用。机车柴油机目前向着高速重载的方向发展，这就需要凸轮具有良好的动力学 性能，多项式高次方函数凸轮的加速度曲线是连续的，其动力学性能优于几何凸轮和一 般的函数凸轮。 在传统工艺中采用凸轮靠模磨削凸轮的仿形磨削存在凸轮廓线曲线不稳定，合格率 低，凸轮靠模制造周期长，柔性差等问题。随着柴油机向高速、强化、经济和低污染方 向不断发展，凸轮曲线越来越复杂，对凸轮轮廓型面曲线的加工精度要求也越来越高， 但是这些缺陷使传统的靠模法加工不能满足凸轮轴新产品发展的需要。随着数控技术的 一2 一 堑堡三盔堂主些兰垡堕主堂垡堡奎 发展，欧美各国都己研制出适用于加工凸轮的数控机床，并在世界范围内广泛应用。数 控机床应用数控技术对加工过程进行控制的机床。它用柔性的零件程序代替了普通机床 中大量的齿轮、挡块、限位开关等零件，它综合了计算机、自动控制、电机、电气传动、 测量、监控和机械制造等学科的内容，是一种现代化的自动化加工技术。目前对于加工 凸轮轴被普遍看好的数控设备有数控凸轮磨床，数控车铣加工中心。这种柔性加工系统 对于种类多、批量小、产品更新快的高精度且形状复杂的零件进行加工，具有无可比拟 的优越性。 凸轮磨削用砂轮近几年取得了很大的发展，立方氮化硼( c b n ) 砂轮在国内外发动 机制造业凸轮轴磨削工艺中得到很好的应用和推广。c b n 砂轮是超硬切削材料之一， 它是氮与硼的化合物，其硬度仅次于金刚石，但它和金刚石相比却有如下优点： ( 1 ) 在1 2 0 0 高温下仍可保持硬度不变：( 2 ) 有很高的韧性；( 3 ) c b n 与碳元素的亲和 力小，非常适宜于磨削钢质零件而能保持较高的耐用度。c b n 砂轮硬度仅次于金刚石， 相当于刚玉砂轮的2 倍多，而韧性比金刚石好，可以磨削各种高硬度、高强度的钢质零 件。其砂轮耐用度与磨削效率是其他各种砂轮所不及的。( 4 ) c b n 砂轮的导热性和热 稳定性好，可承受1 3 0 0 1 5 0 0 的高温，其导热性是刚玉砂轮的4 5 倍，特别适用于磨 削凸轮轴这种高强度合金钢，而不产生裂纹。( 5 ) c b n 化学惰性强、稳定性好，耐用 度约为普通刚玉砂轮的1 4 0 0 倍。( 6 ) c b n 砂轮磨削的零件表面质量好不产生磨削烧 伤裂纹等缺陷，并能提高零件的疲劳强度。( 7 ) c b n 砂轮适宜于高速磨削。采用c b n 砂轮精磨凸轮能保证凸轮型线更接近设计曲线，由于c b n 砂轮的磨耗极小，可以稳定 的保证凸轮型线始终处于最佳状态。 随着数控技术的不断发展和凸轮新型磨料的产生，凸轮轴加工工艺的提升成为国内 外汽车制造业和内燃机车制造业的重要课题。目前欧美汽车制造业和内燃机车制造业的 凸轮轴加工工艺都实现了数控化。法国的m t s 公司是一家凸轮轴专业生产厂，成立于 1 9 3 2 年，坐落于法国巴黎南部，公司拥有1 0 0 名员工，生产用于摩托车、机车和船用柴 油机，直径从1 0 0 m m 到3 7 0 m m 的凸轮轴，是专业的凸轮轴制造企业。产品远销欧洲、美 国和日本，为美国g m 提供机车柴油机凸轮轴产品，该公司的凸轮轴加工工艺己实现数 控化，柔性化。拥有凸轮轴车铣加工中心、数控凸轮磨床、凸轮轴专用检测仪等高新数 控加工及检测设备，凸轮的粗加工在车铣加工中心上完成，精加工在数控凸轮磨床上完 成，其生产的凸轮轴精度高、柔性好、生产效率高、产品品种多样化。国内汽车制造业 的凸轮轴生产近几年也逐步朝着数控化、柔性化的方向发展。东风襄樊柴油机厂、上海 大众、一汽二发以及十堰东风发动机厂等国内汽车行业知名厂家都先后引进了高精度的 数控车铣加工中心和数控凸轮磨床，消除了传统仿形磨削工艺中的不利因素，保证了凸 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 轮轴稳定地加工质量，实现了适应多品种，柔性化的凸轮轴工艺的提升。国内的机车行 业凸轮轴工艺提升也在逐步地进行。 凸轮精磨后的磨削裂纫质量问题一直影响着凸轮轴的加工质量和产品的合格率，对 磨削裂纹的质量控制是凸轮轴生产的重要环节。凸轮磨削裂纹质量问题在戚墅堰机车 厂，资阳机车厂等内燃机车制造企业也普遍存在，解决这一问题的关键在于对凸轮轴热 处理工艺的改进。 1 3 本文主要工作 本文研究的课题有配气凸轮型线的设计，单节凸轮轴工艺优化和凸轮轴加工关键工 序质量控制等几个方面。 凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤，凸轮型线设计是根据机车柴油机性能要求 设计凸轮外形的轮廓曲线( 凸轮型线) 。凸轮型线决定着配气机构的通过能力，即时间 一截面值的大小和惯性力的作用情况，对配气机构的工作能力和动力性能有着决定性影 响。多项式高次方凸轮是“整体式”的凸轮，它的整个基本段升程曲线是统一的、充分 光滑的。即它的三阶导数为连续函数，所以加速度曲线光滑连续，具有良好的工作能力 和动力学性能。为满足目前铁路对内燃机车柴油机高速重载的要求，机车柴油机凸轮型 线设计采用多项式高次方凸轮。从柴油机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要 求出发，先拟定推杆运动规律，而后求得凸轮外形轮廓曲线的极坐标表达式，继而计算 出凸轮的升程表。 凸轮轴工艺优化关键在于凸轮加工工艺的数控化，柔性化。以前公司凸轮粗铣加工 采用2 0 世纪8 0 年代引进的德国模拟电路控制的数控凸轮铣床加工，因设备老化，行程 受限，控制系统柔性差等原因，不适应目前多品种生产的实际情况，新产品粗铣加工只 能在普通的万能铣床完成，粗铣后的凸轮加工余量大，造成凸轮磨削困难。凸轮精加工 一直采用凸轮仿形磨床用靠模仿形加工的方式，凸轮磨削质量受凸轮靠模制造精度的影 响，而且凸轮靠模制造周期长，精度低。这种种情况制约着凸轮轴加工工艺的提升。2 0 0 5 年国债项目公司引进一台奥地利w f l 公司生产的m 4 0 型五轴联动车铣加工中心，和一 台德国k o p p 公司生产的s n 3 2 0 型数控凸轮磨床，这两台高新数控设备于2 0 0 6 年正式 投产。 凸轮精磨是凸轮轴加工的关键工序，凸轮精磨后的磨削裂纹质量问题一直影响着凸 轮轴的加工质量和产品的合格率，对磨削裂纹的质量控制是凸轮轴生产的重要环节。铸 造机体柴油机凸轮轴设计为单节凸轮轴，材质为2 0 c r m n t i ，自批量生产以来，单节凸 一4 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 轮轴磨削裂纹质量闯题成为公司的惯性质量闯题之一。本课题通过对磨削裂纹的原因分 析，提出切实可行的预防措施，实现了对凸轮轴加工关键工序的质量控制。 综上所述，通过本课题的研究，大连机车车辆有限公司的凸轮轴生产实现了数控化、 柔性化，达到了目前国际现代化先进生产水平。 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 2 凸轮轴的设计 2 1 凸轮轴设计的技术要求 凸轮轴是机车柴油机配气机构的主要驱动件，设计在其上的凸轮，以其外形轮廓 曲线控制气门的运动规律，更换气缸内的气体。设计中要求：凸轮的配置位置必须正确， 以保证各缸已选定的配气正时和配气时面值的实现；根据柴油机总体设计的布置和凸轮 轴上的载荷情况，在保证凸轮轴具有足够刚度的前提下，决定支承轴承数和轴承尺寸， 以及凸轮轴的最小直径尺寸；合理选择材料和热处理方法，以保证凸轮轴具有足够的疲 劳强度、冲击韧性、表面硬度和耐磨性。 大连机车车辆有限公司设计的凸轮轴采用凸轮与轴制造成一体的结构，凸轮轴上 各缸凸轮位置的配置是由气缸的数目、气缸的排列和气缸的发火顺序决定，为了保证正 确的配气定时，设计除了应保证凸轮轴各凸轮相对角位置的配置外，还必须保证凸轮轴 对曲轴有正确的相对位置。其中凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤，凸轮型线设计 是根据机车柴油机性能要求设计凸轮外形的轮廓曲线( 凸轮型线) 。凸轮型线决定着配 气机构的通过能力，即时间截面值的大小和惯性力的作用情况，对配气机构的工作能 力和动力性能有着决定性影响。对凸轮型线的设计有如下几点要求： ( 1 ) 能获得足够大的时面值，以保证气门通过能力，提高气缸充量效率； ( 2 ) 保证合适的配气正时，要顾及柴油机功率、扭矩、转速、经济性、低负荷运转及 启动等方面的要求； ( 3 ) 正、负加速度值不宜过大，最好不产生加速度突变现象，以免配气机构各零、部 件问作用力过大或产生冲击，从而保证机构工作可靠，使用寿命长； ( 4 ) 气门落座和开启速度不能太大，避免气门座合面及阀座过快磨损； ( 5 ) 工作中产生的噪声小； ( 6 ) 具有良好的工艺性，便于制造。 上述要求往往互相矛盾，要根据所设计柴油机的具体用途和机型来分析主要矛盾， 协调各项因素，作出选择和设计。 1 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 凸轮轴配气凸轮型线设计 凸轮型线设计是凸轮轴设计的关键步骤，特别配气凸轮型线对配气机构动力性能和 工作能力有着决定性的影响。 配气凸轮型线设计有两种方法： ( 1 )根据对所设计的柴油机的分析和已有的经验，选定凸轮外形轮廓线。 郎确定凸轮几何形状和推秆型式，然后计算出推杆运动规律。从而校验所选定的凸轮几 何形状是否满足设计要求。用这种方法设计的凸轮称为几何凸轮，它由几段圆弧组成， 是最常见的凸轮型线形式； ( 2 )从柴油机性能对气门通过能力和配气机构动力性能的要求出发，先拟 定推杆运动规律，而后求得凸轮外形轮廓曲线。用这种方法设计的凸轮称为函数凸轮。 上述两种方法都有广泛应用。机车柴油机目前向着高速重载的方向发展，这就需要 凸轮具有良好的动力学性能，多项式高次方函数凸轮的加速度曲线是连续的，其动力学 性能优于几何凸轮和一般的函数凸轮。 2 2 ，1 概述 下面介绍1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮型线设计，1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机 单节凸轮轴配气凸轮上升段和下降段呈对称形型线，上升段( 或下降段) 由基圆过渡段、 主作用段和顶圆过渡段三部分组成。基圆过渡段又由等加速度段和等速度段两部分组 成，主作用段为高次方多项式函数段，顶圆过渡段由正弦函数段和另一多项式函数段组 成。为了简化设计，进气凸轮和排气凸轮除顶部平段的长短不同外，其余均相同。进排 气凸轮的基圆半径为5 0m m ，滚轮半径为2 8 衄，上升段和下降段的作用角各约为7 6 。( 凸轮角，下同) 。为使与原b 、c 、d 型柴油机配气机构能很好衔接，以便使配气 机构零部件达到最大限度的通用互换，1 6 v 2 4 0 7 _ 2 e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮的主要 参数确定为：气门升程为2 0 8m m 左右，配气机构杠杆比为1 3 1 8 ，则配气凸轮升程约 为1 5 8m n ；凸轮的总作用角，进气为1 7 6 。，排气为1 8 0 。；凸轮顶部平段长度，进 气约为2 4 。，排气约为2 8 。 2 2 2 设计条件 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴的配气凸轮型线是与英国r i c a r d o 公司联合设计的。 其设计要点如下： 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 ( 1 ) 为防止气门和气门座的过快磨损，在标定转速时的气门落座速度，机车柴油机应控制 在下列范围： 进气门0 1 0 1 5 m s ；排气门o 1 5 0 2 m s 。 为了有效控制气门的落座速度，基圆过渡段应包括等速过渡段。 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机的气门落座速度确定为0 1 5m s 。 ( 2 ) 基圆过渡段的长度可参考下式确定： 靠：鲁+ 2 ( d e g ) ，r 式中：h r 为基圆过渡段的高度( 滚轮升程，m m ) ； v r 为所要求的气门落座速度( 凸轮端，m m d e g ) 。 ( 3 ) 基圆过渡段的升程占总升程的比例约为： 进气凸轮兰4 ；排气凸轮 兰5 。 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机基圆过渡段的升程占总升程的比例约取为4 3 。 ( 4 ) 在总作用角和气门最大升程不变的情况下，气门开启期的时面值应尽可能的大，以利 于提高气缸充气效率。 ( 5 ) 气门正加速度与负加速度的比值不小于1 7 ，以避免在气门弹簧设计时出现困难。 以上两点是通过选择主作用段高次方多项式中的幂指数来达到。 ( 6 ) 基圆过渡段和主作用段、主作用段和顶圆过渡段在过渡点的加速度应连续，以避免冲 击，减少机构中的振动。 柴油机标定转速 1 0 0 0 r r a i n 凸轮轴标定转速 5 0 0 r r a i n 气门机构杠杆比 1 3 1 8 进排气滚轮升程 1 5 7 6 2 4 m m 气门落座速度( 气门端) 0 1 5 m s 进气凸轮总作用角 1 7 6 。 排气凸轮总作用角 1 8 0 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 3 进气凸轮推杆运动规律设计 多项式高次方凸轮是“整体式”的凸轮，它的整个基本段升程曲线是统一的、充分 光滑的。即它的三阶导数为连续函数，所以加速度曲线光滑连续。其动力学性能优于几 何凸轮和一般的函数凸轮。 ( 1 ) 上升段 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮上升段包括基圆过渡段、主作用段和顶圆过渡 段三部分，下面分别叙述这三部分的设计。 基圆过渡段设计成由等加速度和等速度两段组成。 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机的基圆过渡段凸轮转角范围为：0 。0i 2 0 。 按上述设计条件，1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机配气凸轮基圆过渡段的高度约为：h ra 2 1 4 3 1 3 1 8 = o 6 7 8 6l n m 。 与气门落座速度对应的滚轮速度v r = 5 0 1 3 1 8 = 0 0 3 7 9 4m m d e g 。 于是，基圆过渡段的长度0r h r 、，r + 2 = 2 0 。，取0r = 2 0 。 因气门间隙随工况不同而变化，为确保气门在等速度段内落座，等速度段的长度应设计 得较长，约占基圆过渡段长度的4 5 左右。1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮基 圆过渡段的等加速度段和等速度段的长度分别取为4 。和1 6 。 等加速度段为凸轮升程的起始段，其范围为：0 。0i 4 。 本段终点( 0i = 4 。) 时，滚轮速度应达到所要求的值( 5 0 1 3 1 8m m d e g ) 。 加速度段可按两种方法设计：一种设计成等加速度段，另一种设计成不等加速度段。 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮的加速度段设计成等加速度段。 在该段上滚轮加速度为常数，即：a i = a l ，则滚轮速度和升程表达式为： v i = a 1 0 i + b i ( 1 1 ) l l i = a l x0i 2 2 + b 1 x0i + c l ( 1 2 ) 当0 i = 0 。时： v i = 0 ，h i = 0 。 由此得： b 1 = 0 ，c 1 = 0 。 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 当0 i = 4 。时： 滚轮速度应为： v l = 1 5 0 ( 5 0 0 6 0 x 3 6 0 ) 1 3 1 8 = 5 0 1 3 1 8 = o 0 3 7 9 4 m m d e g 。 由此得： a l = v i 01 = 1 2 5 1 3 1 8m m d e 9 2 。 于是，该段上滚轮升程、速度和加速度函数式为： h i = 1 2 5 1 3 1 8 x0i 2 2 v i = 1 2 5 1 3 1 8 o i a i = 1 2 5 1 3 1 8 等速度段 本段为气门落座段，其范围为：4 。0 i 2 0 。 该段滚轮速度为定值： v i = v l = 5 0 1 3 1 8 则滚轮升程表达式为： h i = 5 0 1 3 1 8 ( 0i - 4 ) + c 2 当0i - 4 。时： h i = 1 0 0 1 3 1 8 得：c 2 = 1 0 0 1 3 1 8 由此，该段滚轮升程、速度和加速度函数式为： h i = v l ( 0 i 4 ) + h l v i = v i 1 8 0 a i = 0 或： v i = v 1 = 5 0 1 3 1 8 a l = 0 主作用段 ( n a n ) ( m m d e g ) ( m m d e g j ) ( m m d e g ) ( 1 3 ) ( m m ) ( r a m r a f t ) ( m m d e g ) ( m m d e 9 2 ) 主作用段凸轮转角范围为： 2 0 。0i 6 8 。 对高速发动机配气凸轮主作用段的设计，采用高次方多项式函数，函数原点为凸轮顶点， 上升段和下降段呈左右对称分布，凸轮顶部没有过渡段，也没有平段。其升程表达式为： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 h i = c o + c p ( 咖) p + c q ( 巾) q + g ( 由) r + c s ( 由) 8 式中：l c 为基圆过渡段以上的设计升程，m m 。 h 2 为基圆过渡段终点的升程，m m 西：! ! 二熊二型 卟 8t 为主作用段的设计长度( d e g ) 。按础c a r d o 推荐，ot 通常取5 7 。左右。 o i 为凸轮转角，d e g o2 为基圆过渡段终点的凸轮转角，d e g c o 、c p 、c q 、g 和g 为多项式系数 p 、q 、r 和s 为多项式幂指数 对上述升程表达式逐次求导，便可得到主作用段的速度、加速度和加速度变化率( j e r k ) 表达式： = 杀x p c p 尸- l + q 声- l + r c ，r - l + s q o 尸一1 = 毒b 彩尸- 2 + 气c g 声- 2 + o - 2 + 气鼢一2 五= 参 p 2 尸- 3 + q 2 户- 3 + 乏c ，) r - 3 + 电，c s y 一3 式中：p l = p x ( p 1 ) ，q l = q x ( q - 1 ) ，i 1 = r x ( r - 1 ) ，s l = s x ( s 一1 ) ； p 2 = p x q 一1 ) x ( p - 2 ) ，0 2 = q x ( q - d x ( q - 2 ) ， 1 2 = r x ( r - 1 ) x ( r - 2 ) ，s 2 = s x ( s 一1 ) x ( s - 2 ) 。 当0 i = o2 时，即m = 1 时： h i = h 2 ；v i = 、，2 ；a = a 2 = o ； j l = j 2 = 0 。 当0 i = ot + o2 时，即m = 0 时： h i h 2 + l c 。 由上述边界条件，便可按下列各式求出多项式中的各系数c o 、c p 、c q 、c r 和c s ： c o = h 2 + k ； 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 c。：一1qrselc+v20rise(q+r-i)+(q-i)(r-1)(q+r-5)； ， ( p - q ) ( p - r ) ( p s ) 1 巳：一lxprsflc+v20ritf(p+s-i)+(p-1)(s-i)(p+s-5)； 1 ( 鼋一p ) ( g 一7 ) 【窜一5 ) 。 一 g：一lxpqsglc+v28tqg(p+s-1)+(p-i)(s-i)(p+s-5)： 【，一p ) 【，一目) ( r s ) i c。一lxpqrhlc+v20rphfq+r-1)+fq-1)(r-1)(q+r-5) 。 u p ) u q ) p - r ) 1 式中：e = ( q 卅s 6 ) ，f = 0 + l 岫6 ) ，g = ( p + q + s - 6 ) ， h = ( p + q + r - 6 ) ，i = 十q 卅s - 6 ) 。 按上述边界条件列出联列方程式，采用行列式也可求得系数c p 、c q 、c r 和c s 的值。 这两种方法求得的系数略有差异。 根据有关资料介绍，高次方多项式幂指数的确定应考虑下列因素： ( 1 ) 幂指数p 接近凸轮顶点时，滚轮速度逐渐降低，当达到顶点时，速度= 0 ，可见滚轮加速度 0 。由加速度函数表达式可知，只有当幂指数“p = 2 ”才能满足这一条件。 ( 2 ) 幂指数q 幂指数q 的大小对凸轮最小曲率半径的位置有影响。“q ”值越大，凸轮最小曲率半 径离最大升程位置越远，凸轮尺寸越大，接触应力越小。反之，则凸轮的尺寸小，接触 应力高。为了使凸轮尺寸和接触应力两者有较好的折中，幂指数q 不应大于8 。 ( 3 ) 幂指数s 幂指数s 控制着凸轮侧翼与基圆过渡段接点附近的陡峭程度。为使桃尖附近有小的 侧翼加速度，凸轮侧翼与基圆过渡段接点附近应陡峭一些，但使凸轮侧翼作用期减小， 上升前期的加速度变化率增加。为不使上升前期加速度变化率过大，凸轮侧翼又不应太 陡峭，通常推荐s = 3 0 。 ( 4 ) 幂指数r 。幂指数r 对凸轮主作用段中的正负加速度比有较大影响。负加速度大， 则要求系统有较大的弹簧复原力，始终将滚轮紧压在凸轮上。为便于气门弹簧的设计， 正负加速度比值应等于或大于1 7 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 对高增压中速柴油机( 如i 程机械和机车用柴油机) 的配气凸轮，还须考虑下列因 素： 顶部应增加一平段，以增大总作用角( 增大气门开启的时面值) ，从而获得高 的充气效率； 为使主作用段与顶圆有较好的过渡，不致出现大的冲击，在主作用段与顶圆之 间增加一长度约为8 。的顶圆过渡段，其起点在原高速发动机配气凸轮主作用段( 上述 高次方多项式函数) 设计终点前5 。，终点与凸轮顶部平段相接( 见图2 1 示) 。 善 驰 索 辑 避 1 5 ，9 1 5 8 1 5 5 1 5 4 顶圆过渡段 顶圆段 l 高：瞳机主作用l瑟 一 ， i 主作用段理论终 ， 。 过渡点1 6 66 87 07 27 47 6 7 8 凸轮转角，d o g 图2 1 配气凸轮主作用段与项圆过渡示意图 f i g 2 1t h et r a n s i t i o no f t h em a i nu n i to f c a ma n dt o pa r co f c a m 机车柴油机凸轮轴型线设计与工艺优化 具体做法是：在上述高次方多项式函数( 以下简称“主函数”) 上叠加另一组修正 多项式函数( 以下简称“修正函数”) ，使主作用段在前过渡点处的升程、速度和加速 度保持不变( 不影响与基圆过渡段的衔接) 的前提下，将该过渡点处的加速度变化率 ( j e r k ) 修正成0 ；同时，又将主作用段与顶圆过渡段接点处( 主作用段设计终点前5 。处) 的加速度变化率( j e r k ) 也修正到0 ，以减少这两个过渡点处在气门机构中产生 的冲击和振动。 叠加上的修正函数的升程表达式为： 吩= c 彳) 4 + c b ) b + c c ) p + c d ) d 式中：c a 、c b 、c e 和c d 为修正函数的系数。 a 、b 、c 和d 为修正函数的幂指数。 对该修正函数逐次求导可得修正函数的速度、加速度和加速度变化率( j e r k ) 表达式如下： i 彳c a p 。+ 占c 曰尸。1 + c c e ) c 。1 + d c d ) d 。1i v = ：一二= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 o 劬 w ： 垒：垒：竺兰：鱼：垒：竺兰：二刍：! ：竺兰：鱼：垒皇兰： 臼0 ：一睦：垒：竺! ：垒：垒皇兰：二兰：生：竺兰：二垒：垒：! 兰：翌 。 易 式中： a l = a ( a 一1 )b l = b ( b 一1 ) c l = c ( c - 1 ) d i = d ( d - 1 ) a 2 = a x ( a - 1 ) ( a 2 )b 2 = b ( b - 1 ) x 0 3 2 ) c 2 = c ( c 1 ) x ( c - 2 ) d 2 = d ( d 一1 ) - 2 ) 在确定四个幂指数a 、b 、c 和d 后，便可由下列边界条件求得修正函数的系数c 、 c b 、c c 和c d 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 当0i = 02 时： h i = 0 ，得：c a + c b + c c + c d = o ； v i = 0 ，得： a c a + b c b + c c c + d c d = 0 ； a i = 0 ，得：a 1c a + b l c b + c lc c + d lc d = 0 。 当o i = ot + o2 - 5 时： 龟= j 5 = j 5 即：a 2c a ( 西5 ) 躺+ b 2 c b ( 庐5 ) b - 3 + c 2c c ( 妒5 尸慨c d ( 庐5 ) 脚= 眩c p ( 4 , 5 广3 地q ( 咖5 广3 + r 2c r ( 庐5 , - 3 趣c 摹( 5 ) 蚰】 式中：庐5 = 5 0t 。 推荐修正函数的幂指数为： a = 4 ，b ；5 ，c = 6 ，d = 7 。 为了使与以前各2 4 0 7 - 2 柴油机机型的配气机构能作到最大程度的简统，公司对 1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮主作用段确定的设计参数如下： 设计长度为：0 t = 5 6 。； 主函数的幂指数为：p = 2 ，q = 6 ，f = 1 1 ，s = 3 0 ； 修正函数的幂指数为：a = 4 ，b = 5 ，c = 6 ，d = 7 。 为满足进排气滚轮升程要求，主作用段的设计升程( 基圆过渡段以上的升程) 定为： l c = 1 5 0 4 5 2 9 5 9 0 0 9m m 。 于是，1 6 v 2 4 0 z j e 型柴油机单节凸轮轴配气凸轮主作用段的主函数系数c p 、c q 、 c r 和c s 便可按上述公式计算，结果如下： c p 一2 7 ，2 3 7 9 4 9 9 8 0 1 ， c q2 1 6 4 9 5 3 3 8 6 1 5 6 ， g = - 4 3 4 5 9 8 8 5 3 7 1 ，c 。= 0 0 4 3 3 0 4 0 0 0 7 。