JX02-171@汽车发动机新型配气机构设计
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JX02-171@汽车发动机新型配气机构设计,机械毕业设计全套
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本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 44 页 目 次 1 引言 3 1.1 发动机 工作 的基本原理 3 1.2VEL 的简介 4 1.3 气门可变机构 发展现况 6 1.4 毕业设计工作内容 6 2 可变 气门 配气 机构 VEL 8 2.1 常规 配气机构的 基本 工作 原理 8 2.2 可变气门 配气 机构传动 的 子系统 10 2.3VEL 的控制系统 12 2.4 简介汽车气门系统中的 凸轮 机构 1 3 2.5 简介 伺服 直流电机 、 滚珠丝杠与圆锥齿轮的特性和选择 14 3 伺服直流 电动机的选择 16 3.1 伺服 直流电动机用途特点及其技术参数 16 3.2 伺服 直流电动机使用条件 17 3.3 伺服 直流电机的外型和安装尺寸 17 4 圆锥齿轮的选择与设计 19 4.1 圆锥齿一般设计步骤与特点 19 4.2 圆锥齿轮的初步设计 19 4.3 齿轮的强度校核 23 4.4 圆锥齿轮减速器箱体及其 零件的设计 28 5 滚珠丝杠的选择与设计 30 5.1 对滚珠丝杠的特点与设计说明 30 5.2 滚珠丝杠副的结构与选择 31 5.3 滚珠丝杠副的精度与型号的选择 33 5.4 滚珠丝杠的校核 36 6 控制杠杆和控制轴的设计 39 6.1 控制杠杆的设计 39 6.2 控制轴的设计 40 结论 42 致谢 43 参考文献 44 图 1 小锥齿轮 45 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 44 页 图 2 锥齿轮减速器箱体 46 图 3 控制 杠杆 47 图 4 控制轴 48 图 5 箱 体 简 图 49 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 44 页 1 引言 随着轿车发动机的高速化和废气排放法规的日趋严格，老式发动机配气机构的缺点变得越来越突出。降低燃油消耗一直是发动机发展所追求的最重要而且是很必要的目标之一。它可以根据开车的工况不同，自动改变气门正时和升程，从而更好的适应路况，节约能源，提高发动机的性能。 因此，可变配气相位机构的研究和生产在世界范围内引起科研部门和生产厂家的高度重视。燃料直接注入汽缸内和可变气门运动系统正在研究和发展中，除了保护环境， 可变气门运动 系统发动机另外的一个特征是动力性能的改良，这使它可能兼顾驾驶乐趣和环境保护。为了 达到驾驶乐趣 与环境的最大和谐 , 工程师把重心集中在发展一种新的简单和可靠的气门开启运动机制，这种VEL机制的基本控制原则是由摆动凸轮代替常见的转动凸轮而得。 就四冲程发动机来说，现有的产品全都采用气门控制进气和排气。它有很多优点，也有很多缺点，为了改善发动机的运转状况、提高发动机性能、节省原料， 我们设计一种 应用电控技术和机械技术实现气阀开启 持续时间 及升程连续可调节的配气机构（ VEL）。就是以改变发动机连续可变气门升程及开启时间从而可以根据开车的 路 况不同， 改变气门正时与升程， 从而更好的适应路况，节约能源，提高发动机的性能。 过去我国基本上以生产中型载重汽车为主，其发动机的转速一般都不高。从 80年代末期以来，我国开始发展轿车事业，其发动机转速一 般 都很高，最高转速可达5000 6000 r min，采用兼顾低、高速的固定配气相位，会使发动机的动力性、经济性下降，废气排放恶化。因此，研制用于轿车发动机的可变配气相位机 构很有必要。 1.1 发动机 工作 的基本原理 在谈气门机构的工作特性之前，我们必须再确认一次四行程 发动机 的四个行程：进气、压缩、 做功 、排气周而复始。 进气时进气门打开，活塞由上往下，有如针筒作用一般将空气吸入气缸。压缩时进气门关闭，此时气缸形成一密闭的空间，活塞由下往上压缩油气，而压缩比就是活塞在下死点和上死点时气缸容积比例。 油气压缩后，火星塞点火引燃油气产生爆发，由爆发后产生的大量气体将活塞往下推到下死点。爆发也是 发动机 四个行程中唯一的动力产生行程，其他三个行程都是需要消耗动力的，这也就是为什么四行程 发动 机 比二行程 发动机 反应慢 的原因，因为二行程 发动机 每两个行程就有一次是动力产生行程，而四行程则四次才有一次。爆发过后，排气门打开，活塞由下往上推将气缸内燃烧后的 废 气排出，活塞到上死点后关闭排气门，nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 44 页 并打开进气门，准备下一次的进气。 汽车发动机是非常追求动能的大小的 。然而，在这个除了能量外还注意环境的年代 ，燃料的经济性和低 排放 的程度已经变为很重要的课题。随着仿真技术的逐渐成熟 ， 以上技术的实现都是很有可能的，可变气门作用的发挥正变为一个非常重要的课题。 目前为止，已经有很多关于可变气门建议的提出。在这些建议 中，可变部分的类型被迅速的传开，并且成为某种标准。在这一领域中它将变成一个关键的装置。而且，对有关 气门 活动角度的提高和改变仍然在进步。然而，可变气门部分也是有限制原则的， 像 不能改变气门的持续时间长短或者升程量 的大小 。另外，为了把装置发挥的更好就必须对新装置有更高的要求。 在这个区域里，所研究是一个 能 连续 增加 控制 气门开启 持续时间的装置。例如，电磁类型，除了能够连续改变持续时间，并且很明显。结果，在这一领域的研究在加快进行。也有 以纯 机械可变气门持续时间装置为研究方向的例子。实际上这个 正在国外 被研究。然而此装置不 能改变 气门 升程，很明显是有局限性的。例如，结果很难相应的使高输出发动机型号减小。另外，很难在相应的载荷下自由的控制气流的循环。在一个非常低载荷的情况下，吸气门的 节制 变得很困难，这就是一个限制因素。 1.2VEL 简介 我国的汽油机已经实施汽油电控喷射技术，进一步采用电控可变配气相位技术，在转速、负荷传感器等方面可以实现 与发动机控制部件（ ECU） 共用。另外发动机已向多气门发展，对实施可变配气相位技术提供了一定的便利条件。根据我国汽车发动机产品的实际情况，本文以顶置双凸轮轴发动机为研究对象，设计了 VEL可变 气门 配气相位机构，实现了在不同转速和负荷条件下提供最佳的气门关闭角，达到了改善发动机动力性和经济性的目的。 在研究气门机构运动时，我们应该先了解 最基本的气门机构 ，它 是由凸轮轴、气门摇臂、气门弹簧、门导管、气门本体及气门座 这些基本 组成 构件 。气门机构运 动 的动力源自发动机的曲轴，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 数 比是 1:2，也就是说经过 一个周期既 四个行程后曲轴转了 720 ，而凸轮轴只转了 360 。有了这些驱动装置，凸轮轴便能随著发动机运转而转动， 一般情况下， 气门 因为 气门弹簧的弹力作用而 处于关闭状态。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，之后再随著凸nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 44 页 面的离开及气门弹簧的作用而关闭。凸轮轴转速是发动机转速的 1/2，进排气门因凸轮角度 是 固定的 从而 只有 机械的开闭运动 。 VEL由两部分构成的，一个是气门系统，它把曲轴的旋转转变成输出凸轮的摆动，这个转变是由一个包含有摇杆的传动装置完成的；另一个是电子动力 传动 系统，它是根据开车的情况，通过控制控制 轴的 角度位置来改变气门的持续时间和升程的。这个控制 轴 有个偏心的控制凸轮，它插入有摇臂的支轴气缸中，来改变传动 机构和输出凸轮的状态。如下图所示。 是一个气门组系统。 它就包括三个部分，一个传动部分；一个 气门凸轮控制部分；还有一个 电子控制部分。它的 各个 部件 在 下图。图 1.1气门组系统 气门开启特性的三个主要的因素是开启 持续时间 ， 持续 相位角和升程的量。气门开启特性由摆动凸轮及其相关部件所定型和定义的。 类似于普通的全旋转凸轮 , 摆动凸轮外型包括一条开启控制的平滑操作的斜坡 面 。主动轴的轴线 和 的凸轮轴的 轴线是 同心 的。 主动轴在同步旋转中 是 由一条链驱动 的 。驱动凸轮的主动轴的旋转运动经由 连 杆 A, 摇杆臂和 连 杆 B转化为输出凸轮的摆 动。摆动凸轮和主动轴同轴。 VEL系统 有以下优点： 1.由于没有节流损失，使部分复合的热效率有所提高。如果不用节流，而以进气门开启持续期来计量气缸充量，节流损失即可避免。 2.由于低速时全负荷转矩增加，提高了全负荷时的有效效率。如果能够根据发动机转速来控制进气门的关闭点，即可有效地控制气缸充气，从而改变发动机的全负荷nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 44 页 转矩。 3.将发动机的运转工况点移到功率较高之处。这可以通过改变变速器传动比来改善发动机的转矩曲线。用这种方法，可降低变速器传动比而保持同样的加速特性，使发动机能更经常地在较低转速和效率较高的工 况下运转。 VEL系统是一种控制进气凸轮 轴的 气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角 对 配气正时进行优化，从而提高发动机的动力性、燃油经济性，并且可以有效地降低尾气的排放。除了发动机表现增强之外， VEL 系统的杰出点之一是它的轻巧和简单构造，并可降低发动机系统的造价。 1.3 气门可变机构 发展现况 本田汽车公司 80年代推出的 VTEC（ Variable Valve Timing & Valve Lift Electronic Control）可变气门正时和升程电子控制系统，可使发动机在高速时，改变气门正时和升程，并 由 ECM电控组件控制，同时也可改变高速时进排气门开启的 “ 重叠时间 ” ，使发动机在高速范围时输出更大的功率。 宝马汽车公司新开发的 1.8L直列 4缸发动机，采用无级可变气门行程和工作角的气门控制器系统。该系统可明显改善发动机的动力性能，最大功率由 77kW提高到 85W，最大扭矩由 165N.m提高到 175N.m，最高车速可达 210km/h。与同级发动机比较，油耗下降 10%15%。同时，该系统属柔性技术，除能适应氢燃料发动机外，还可达到欧洲 IV号排放限值标准。 自 1990年，欧洲开始采用可变气门正时技术 (VVT)以来， 主要被阿尔法罗密欧、宝马、美洲豹、沃尔沃、保时捷、戴 -克、奥迪、雷诺等高级轿车生产厂商采用，取得了良好效果。近几年，国外不少知名汽车生产商也开始采用进气门连续可变正时控制、排气门可变正时控制、气门行程和工作角调整等型式，来提升发动机的动力性能。2001年推出的奥迪新 A43L、 V6型发动机，采用无级可变凸轮轴控制 (气门工作角无级可变 )和排气门可变正时机构。目前，以机械式气门控制机构为主流，但未来的技术发展趋势将转向开发电磁气门控制系统。 由此 可以看到 气门可变技术的发展前途是非常好的。 将来的汽车行业必然会全部使用到气门可变技术 。 1.4 毕业设计工作内容 我们 所 研究 的 这个装置 是 能 够 连续改变气门正时及升程的一个 控制 系统。 这个装置 和 常规的 可变相位 气门 装置 是不一样的 ，是为了自由实现调整气门升程 和气门开启nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 44 页 持续时间 ，这两条应该是相互作用的。 我主要任务是要选用气门调节系统 作为 动力源的伺服直流电机，设计一单级圆锥齿轮减速器及其箱体，滚珠丝杠的螺旋传动，控制杠杆和控制轴，以完成调节子系统的结构设计。 设计原始数据有，配气机构对应发动机的功率范围 ： 60 80kw; 最高转速： 5000r/min; 顶置气门，凸轮轴的位置是 上置 ； 凸轮的最大升程： 12mm； 凸轮实际基圆半径 :18mm。 这个设计还是很有难度的， 工作量 也 很大， 国内外的 资料 也很 有限， 国外也是 技术保密，根本不会把主要技术参数提供出来 。所以它对我 们 来说很有挑战性。 我 们 应该认真地将它完成。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 44 页 2 气门可变机构 VEL 汽车发动机是非常追求 速度 的大小的 。然而，在这个除了 速度 外还注意环境的年代 ，燃料的经济性和低 排放 的程度已经变为很重要的课题。随着仿真技术的逐渐成熟以上技术的实现都是很有可能的，可变气门作用的发挥正变为一个非常重要的课题。 在这时 ，看看先前这个连续可变气门正时和升程装置， 它 就是纯机械类型 ，另外还有无凸轮电动类型 及液压类型 。随着可靠性越来越多的被考虑，纯机械类型被采用。另外，研究可变气门正时和升程相似方法已经被人们注视。随着这个叫 VEL单独装置研究计划的出现，它能够有很大的调整范围、不费力调整底座、以及更好的满足质量要求，具体的研究正在进行。另外， VEL响应改变被更多的考虑 ， 并且电动 传动控制装置 也 正 在被使用。 2.1 常规配气机构的 基本原理 发动机 运转时活塞与气门运动之间相对关系的基础典型在现实的引擎运转时却会遇到几个问题：首先进气门从 打开到进气之前会有延迟，因为进气是由于活塞向下先形成真空，进而由于气缸内外压力不同才使油气被吸入气缸内。此气门从开始动作到完全打开也需要时间，而基于上述原因，若能让进气门在活塞向下 运动 之前先打开，则将可充分利用这整个的进气行程。 如果排气门在排气行程尚未开始时先打开，可以减少活塞上升时的阻力，此外活塞由下而上到达上死点时，气缸内的 废 气并未能完全的排出，这时若将排气门关闭的时间延后，便可利用由进气门引入的新鲜油气，将残余的 废 气 挤 出去，尽量减少 废 气的残留影响 发动机 的动力输出。以上气门与活塞间的相对关系若以具 体的图形来表示，就称为 气门正时图 ，见图 2-1。 而早开的进气门和晚关的排气门会造成有进排气门同时打开的重叠情况，称为 气门重叠 （ Valve overlap）。 发动机 高转速运转时若能增加气门重叠角度，将可抵消因高速运转而凸显的进气延迟现象。但气门重叠角度大的 高转速型凸轮 ，虽然具有较佳的高转速动力表现，但在低转速运转时，将因为气缸真空度不足及吸入油气的流失而造成容积效率降低，导致低转速动力不足、怠速运转不稳的后遗症。 根据发动机原理可知发动机的升功率 Ne，升转矩及比油耗 ge 分别由下列公式决定： Ne=K1 i v mn/a nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 44 页 Me=K2 i v m/a ge=K3/ i m 式中： K1,K2,K3,-常数 m-机械效率 i-指示效率 n-发动机转速 v-充气效率 a-过量空气系数 从上式可知：提高发动机动力性能及经济性的措施就是提高 i、 v、 m、及 n，减小 a。过量空气系数 a同时影响排放及比油耗，根据不同目标，要求 a应达到一定数值。提高 n的同时，必须要注意提高充气效率 ,后者随着转速的提高而下降。机械效率 m受发动机转速及最大爆发压力的影响 ,当转速不变时 , m 基本不变 . i受混合气的影响 ,而混合质量又受缸内空气涡流及紊流强度的影响 ,降低低速低负荷发动机比油耗的措施之一 ,就是提高空气流动的涡流比 ,改善其混合质量 .但是如果设计比较高的进气道 ,则高速时涡流比过高又会影响充气效率 .因此必须采用可变气门技术 ,以满足不同转速需要。 图 2.1 配气相位图 从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下正点的进气过程中（ 浅 色），进气门会提前开启（ ）和延迟关闭（ ）。当发动机 做 功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（ 深 色）， 排气门会提前开启（ ）和延迟关闭（ ）。 十分明显，这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻 “ 重叠阶段 ” ，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅 1000转以下的怠速时候最明显。这容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于 “ 帘区 ” 值大， “ 重叠阶段 ” 更容易造成怠速运转nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 44 页 不畅顺的现象。为了消除这一缺陷，就以 “ 变 ” 对 “ 变 ” ，采用了 “ 可变式 ” 的气门驱动机构。 发动机上的气门可变驱动机构可以通过两种形式实现，一种是凸轮轴和凸轮可变系统，就是通过凸 轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位和气门升程；另一种是气门挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门挺杆，摇臂或拉杆靠机械力或者液压力的作用而改变，从而改变配气 门 相位和气门升程。 我们选用第一种方式 ，它的可靠性比较高。 2.2 可变气门 配气 机构传动子系统 图 2.2气门升程工作图 如图 2.2所示，主动轴带动输入凸轮转动，输入凸轮通过转动副带动连杆 A做平面运动，连杆 A与摇臂组成转动副，与控制凸轮（偏心轮）形成高副。摇臂与控制凸轮形成转动副，且与连杆 B形成转动副，连杆 B与输出凸轮形成转动副，输出凸轮与输入轴（主动 轴）形成转动副。输入凸轮也与输入轴形成转动副。控制凸轮旋转中心与机架形成转动副。 此机构 实际上是 个异构体机构，当控制轴完成控制运动后它就相当于一个固定的转动副， 而其它部件正常工作， 这就是它与其它机构不同得一个地方， 因此当该异构体工作时实际上就相当于 5个构件和 7个转动副。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 44 页 所以此机构的自由度 F=3 5-2 7=1 当它 起控制作用的时候它 就相当于有 6 个构件， 8个转动副和一个高副。 它的 自由度 F=3 6-2 8 1=1 经过研究它的自由度是不变的，总是 1。 这对控制部分来说就很方便了。 从 运动分析可知 中 ， 可知该传动 子系统有四个特殊的位置： a.输出凸轮 在最高处 b.气门持续开启的开始 c.输出凸轮 在最底 处 （升程顶端） d.气门 持续开 的 启结束 图 2.3 机构简图 VEL机械系统的运动传递 可以概括为下： VEL系统传动装置使控制轴产生旋转，用它的转动角度去改变 气门 升程和开启时间。 传动装置安装于汽缸盖尾部，控制 轴 杆固定于 控制杠杆 上由一个减速器带动旋转。减速器包括一个由电动机驱动的滚珠丝杠。 滚珠 丝杠使螺母移动 ， 螺母上控制杠nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 44 页 杆，带动 控制轴旋转。 另外使用一对锥齿轮来改变控制轴的旋转方向， 伺服 直流发动机平行作用于驱动轴。由此避免电动机伸出宽度超过气缸盖的宽度。 当 电动机 轴旋转时，一对锥齿轮带动滚珠丝杠轴旋转，同时滚珠丝杠螺母沿丝杠做横向运动。同时，控制轴通 在控制杠杆的带动下， 朝顺时针方向旋转，变成降低升程 /缩短气门正时方向。 当 电动 机轴沿反方向旋转时， 控制轴通 在控制杠杆的带动下， 朝逆时针方向旋转，变成增加升程 /提高气门正时方向。 在这时候，控制轴沿着滚珠丝杠轴正向和反向运动。然而， 控制杠杆来回的 摆动使这种运动被缓冲，减少了在滚珠丝杠轴上的侧压力，使滚珠丝杠被压紧。 2.3 VEL的控制系统 伺服直流电动机的工作由电控系统是根据预先测取的发动机调整特性进行控制的。发动机调整特性是由大量台架试验测出的不同工况下的配气相位调整特性经过优化方法得出的不同转速、不同负荷下的最佳配气相位值所构成的数据表。图 2.4是电控系统工作原理图。电控系统主要包括控制单元、信号采集系统、步进电机驱动电路、外围故障显示和数字显示电路。控制单元以 8098单片机为主机，由 8155接口芯片、外部存贮器、锁存器和片选逻辑芯片等构成；信号 采集系统由两个霍尔传感器和一个节气门开度传感器及其信号处理电路构成；伺服直流电动机的驱动电路是以三极管为主的功率放大电路；数字显示电路显示控制部分的瞬时值，可显示发动机转速、负荷、相位目标值及当前配气相位值；故障显示电路主要检查信号采集系统、驱动电路、步进电动机导电装置是否工作正常。电控系统在接通电源后立即开始工作。由信号采集系统监测到不同的工作参数 (如发动机转速、负荷等 )，通过输入接口电路送往控制单元。控制单元对信号进行运算处理，判断发动机的工作状态，再从预先测取的发动机调整特性中读取该工况下的最佳配气相 位值，并根据该值做出控制决策，发出相应的控制信号。控制信号通过输出接口电路和驱动电路引导步进电动机做出响应。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 44 页 图 2.4电控系统原理图 在制取控制发动机调整特性时，作者先通过试验测出不同工况下的配气相位调整特性，根据试验结果，建立数学模型。由此模型给出发动机性能指标与工况及配气相位控制参数之间的关系。然后，根据对发动机性能的要求，确定优化准则，采用一定的优化方法，求出各种工况下使发动机综合性能指标达到最优的配气相位，并得到相应的控制发动机调整特性。配气相位是发动机转速和节气门 开度 的函数。控制软件根据传感 器测得的模拟量和数字量，从发动机调整特性中查取相应的配气相位值。控制软件采用模块化结构，将常用的程序块独立编成一系列子程序，以调用的形式取用，可大大提高程序运行速度，缩短系统响应时间。主程序进行发动机运行模式的判断、发动机调整特性查寻、控制决策和控制量输出；转速和相位测量模块用于测量发动机转速和凸轮轴当前相位；模拟量采样模块用于测量节气门开度；相位调整模块用于计算步进电动机运行步数，并对伺服直流电动机运行频率进行修正：伺服直流电动机控制模块用于正确地分配脉冲，使步进电动机按要求进行工作；故障显示模块用于检查控制部分工作是否正常，并给故障显示电路发送相应的信号；数字显示模块用于读取并向数字显示电路发送各控制参数的瞬时值。 2.4 简介 汽车气门系统中的 凸轮 机构 人类对凸轮机构的使用要追朔到 18世纪，但是，直到 19世纪末，对凸轮机构还未曾有过详细历史记载的系统研究 。 随着人类文明的进步和工业化的逐步发展，对高效的自动机械的需求大大增加特别是在内燃机诞生之后，以内燃机为动力的机械逐渐增多，大大提高了人们对凸轮机械的重视程度 。 随着内燃机动力机械的逐渐普及和发展，内燃机配气机构的特性对工作性能的影响逐步被认识 。 到了 20世纪 初，随着汽车工业的迅速发展，凸轮机构的研究受到广泛重视 。 在 20世纪 40年代以后，由于nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 44 页 内燃机转速增加，配气凸轮乃至配气系统引起的故障日益增多，人们开始了对配气凸轮机构进行深入研究研究的方法也从经验性的设计过渡到有理论依据的运动学与动力学的分析研究从 20世纪 40年代以来，有关凸内轮机构运动学与动力学的理论研究为凸轮机构的优化设计，奠定了坚实的理论基础 。 随着计算技术和电子计算机技术的发展，解析化的数值计算设计方法逐步得到了发展，计算机辅助设计和辅助制造技术也逐步得到了应用 。 在气门机构的设计中，凸轮的设计是核 心内容 。 气门机构的设计目标就是要让进气愈多，排气愈 干 净。除了气门正时外，气门尺寸、 升 程、加速曲线都会影响进排气效率。这些因素乃是由凸轮轴（ Cam Shift）的凸轮形状及凸轮轴与曲轴的相对位置所控制。凸轮的形状是以一圆为基础，称为 基圆 ，并由气门的开启角度及关闭角度的 1/2决定开启点及关闭点（凸轮的转速是 发动机 曲轴转速的 1/2），在决定 升 程之后，凸轮的基本雏形就已出现，最后还要根据气门加速曲线的需求修正凸轮的轮廓。气门全开时与关闭时的高度差就称为 升 程 （ Lift），也可说是凸轮的基圆的中心到凸峰 （凸轮上 距离回转中心最远的点） 的距离减掉基圆的半径所得的值。而气门开始动作到完全打开或关闭所需的时间长短与凸轮轴角度的关系称为 气门启闭加速度 ，以图形表现就成为 气门启闭加速曲线 。而 发动机 的容积效率正可由气门 升程与凸轮角度所构成的曲线图形来判断。曲线下所围成的面积越大则容积效率越高。 当气门尺寸及气门正时不变时，气门急开急闭可得到最佳的容积效率（也就是提高气门加速度），当然最好是瞬间打开或关闭，但这在考虑对气门座的冲击力及受到传统凸轮系统的先天限制（必须以圆弧面接触以维持机构运转之顺畅），并不可能达成。此外适度 的提高气门 升 程也可提高容积效率。 2.5 简介 直流电机 、 滚珠丝杠与圆锥齿轮的特性 和 选择 使物体运动时 ,一般来讲需要将动力产生的 旋转 运动 转变为 从动部件 直线运动 ，这就 能 用到滚珠丝杠。在发动机内 ,由于要控制发动机的活塞的进排气的可变性 ,这能通过一个 伺服 直流电机驱动一单级圆锥齿轮减速器 ,再通过 ECU(发动机控制部件 )和位置传感器来控制滚珠丝杠的运动 ,从而来带动控制轴的运动 ,达到气门正时及升程的可变性。 为了提高响应，在这个系统中用了低摩擦的滚珠丝杠。另外使用一对锥齿轮来改变控制轴的旋转方向，直流电动机平行作用于驱动轴 。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 44 页 为了使变换响应能达到令人满意的效果，除要利用滚珠丝杠外，另一种设备被并入这种控制方式。考虑到减速器的 传递速度 和控制轴的转矩 ,通过控制轴后会产生变化 。根据 控制轴位置的变化，一种用来控制控制轴的位置的计算机操作装置被运用上来 .（在 2.3节中有说明） 由于此系统只起控制作用，它所需要的功率是很小的， 因此，使用最大输出率为 100W的低输出直流发动机是可行的，它能使达到良好响应时的动能消耗减少。 由此，可以判断现在控制轴紧随着指定位置的变化而变化，这就要求尽量用 电动机 负载来控制而不是使 用节流阀 。 由于曲线齿锥齿轮， 又很高的传动速度 ，还 由于轮齿啮合的重叠作用，曲线齿锥齿轮比直齿锥齿轮运转要平稳的多。 曲线齿锥齿轮在节圆锥上齿线为曲线，轮齿啮合缓慢的开始，从一端到另一端连续平稳的进行。 所以选用 曲线齿锥 作为改变方向的传动部件。 设计圆锥齿轮首先必须知道齿轮运转的必要条件，即额定功率、启动扭矩、载荷作用方式、过载和冲击条件、润滑方式、运转温度、速比、转速及所要求的运转精度等一切与运转有关的数据。根据这些条件，可以得出所用齿轮的尺寸。 这是一个高精密的控制系统，所以 使用 高精度的滚珠丝杠来 作为精确移动 控制 部件。 使用 2、 3级滚珠丝杠的 特点： 高导程精度 ， 超静音 ， 低起动扭矩及高顺畅 ， 高效率及可逆性 ， 零背隙及高刚性 。 根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠线杠副（ P）、传动滚珠丝杠副（ T），精度分为七个等级，即 1、 2、 3、 4、 5、 7、 10级。1级精度最高，依次逐渐降低 。根据我们的需要，根据以上 条件选择合适的滚珠丝杠。 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 44 页 3 伺服直流电动机的选择 3.1 伺服 直流电动机用途特点及其技术参数 SY、 SZ系列直流伺服电动机，分别系永磁式和电磁式直流伺服电动机。该电机具有体积小、重量轻、伺服性能好、力能指标高等优点。广泛用于自动控制系统中作 执行元件，亦可作驱动元件。 SZ系列直流伺服电动机系电磁式直流伺服电动机，可用作中、大功率直流伺服系统的执行元件。该系列直流伺服电动机机械特性和调节特性的线性度较好，调速范围广，启动转矩大，运行稳定，且体积小、重量轻，力能指标高，产品结构较牢固。 如下图 图 3.1 直流伺服电动 对于 VEL装置，我们需要电动机是能够正反转的并且体积小容易安装，我所选用的是 90SZ53型直流伺服电动机它的具体参数如下： 转矩 / mN ： 0.481；转速 / 1min r ： 3000； 功率 /W： 150； 电压 /V（电枢 &励磁）： 110； 电流 /A（不大于）电枢 2.00、励磁 0.23； 容许顺逆差转速 / 1min r ： 200 外形尺寸 (mm)： 90145 出轴尺寸 (mm)： 816 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 44 页 3.2 伺服 直流电动机使用条件 环境温度： -40C 60C; 相对湿度： 95%（ 20C时）； 海 拔：不超过 2500m； 振 动：频率 10HZ，双振幅 2.8mm 0.4mm 冲 击： 100 次 /min，加 速度 68.6m/ 2s 允许温度：不超过 75C 工作制度：连续 电动机的机电时间常数不大于 30ms。电动机空载启动电压 4V。 3.3 伺服 直流电机的外型和安装尺寸 选定电机型号之后，可以在机械设计手册中查到具体的外型和安装尺寸，具体如下：显示于图 3-2,以下参数单位都为 (mm) 型号： 90SZ51-54 Nh7=70h2=6 h3h12=3 M=76 P=92 SH13=6.6 D1=95 L=147 Dh6=8 E=16 l4=18 F=2 Gh11=5.2 Dh11=10 D2h6=6 E2=14 l12=16 F1=2 G2h11=4.3 D2H11=7 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 44 页 图 3.2 90SZ53型直流伺服电动机的外形尺寸 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 44 页 4 圆锥齿轮的选择与设计 4.1 圆锥齿一般设计步骤与特点 4.1.1 圆锥齿轮传动设计步骤 1) 简化设计：根据齿轮传动的传动功率、输入转速、传动比等条件，确定小轮大端分度圆直径等主要参数。如果分度圆直径已知，可跳过这一步。 2) 几何设计计算：设计和计算齿轮的基本参数，并进行几何尺寸计算。 3) 强度校核：在基本参数确定后，进行精确的齿面接触强度和齿根弯曲强度校核。 4) 如果校核不满足强度要求，可以返回 2)，修改参数，重新计算。 4.1.2 圆锥齿轮传动的特点 1) 圆锥齿轮用于轴线相交的两轴间的传动，能灵活地改变传动方向。 2) 当量圆柱齿轮概念的引入，方便了圆锥齿轮的设计计算及对某些问题的研究。 3) 采用假想平面齿轮的啮合作为切齿原理与计算的依据。 4.2 圆锥齿轮的初步设计 4.2.1 圆锥齿轮初步选择与参数 我选用弧齿锥齿轮， 因为它主要可以用于 高速 传动 ,两锥齿轮轴线交角为 90， 能改变其运动方向 。 主要作用在 2.5部分有详细说明。 材料为 15CrNi8，要经过渗碳淬火，磨齿后达到 5 级精度 。它的主要特点有 ： 1） 齿线是一段圆弧。 2） 齿形较复杂，制造较难。 3） 承载能力高，运转平稳，噪声小 4） 齿面局部接触，装配误差及轮齿变形对偏载的影响不显著。 5） 轴向力大，其方向与齿轮的转向有关。 应用范围：多用于大载荷，周速 v5m/s 或转速 n1000r/min，要求噪声小的传nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 44 页 动。磨齿后可用于高速传动。 它的一些具体参数如下： 弧 齿 齿制 na*ah*c m 变位方式 齿高种类 格里森 20 0.85 0.188 35 径向 +切向变位 等顶隙收缩齿 表 4.1格里森弧齿锥齿轮齿廓 na ：齿形角；法向压力角 *c ：顶隙系数 *ah ：齿顶高系数 m ：齿宽中点分度圆螺旋角。 由发动机的转速为 5000 1min r 可知，主动轴的转速应为它的一半 2500 1min r ，因此我们可以假设控制轴的转速和主动轴的一样，（实际上控制轴只控制输入凸轮摆动的大小从而控制气门升程，主动轴转动一周输入凸轮摆动一个来回，控制轴也是靠摆动一定的角度完成控制的，它的摆角为 0到 120，它的转速是很小的，但是滚珠丝杠的螺杆是高速转动以带动控制轴快速反应） 电动机的转速为 3000 1min r ，所以可以确定传动比 u=3000/2500=1.2。 4.2.2 确定小轮的大分度圆直径 齿轮的许用接触应力 limHHHP S 2.11 HS 取 HS =1.1 根据所选材料和齿轮的热处理过程，达到中等要求我们取： HS 1.1 limH 1500N/mm2(合金渗碳刚经淬火 ) Hp =1500/1.1=1363.6N/ mm2 de13 21)5.01(983HPRuRKTnts 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 44 页 3 2 11 1636HPe uKTdK载荷系数 K 1.2 1.8 取 1.5 小轮传递的额定转矩为： T1=0.481N M u为传动比由上文知为 1.2 K为载荷系数 K=1.2 1.8 取 1.5 de1 11.3mm 4.2.3 几何计算 确定齿数、模数、大端分度圆直径 U=1.2 齿轮齿数必须互质。 两齿轮的传动是精密传动所以齿数应该比较多 ，以利于整个 VEL系统的调节。 我们可以初步确定齿轮的齿数： Z1=32 Z2=39 me=1 50 我 取 1.25 de1=32 1.25=4011.3mm de2=39 1.25=48.75mm 分锥角 1=arctan(32/39)= 39.4 2=90- 1=50.6 外锥距 Re=de1/2sin 1=20/sin40.1=31.51mm 齿宽 （齿宽系数 R 取 0.3） 齿宽 b=RRe=0.3 31.51=9.4539.5（取整） 中点模数 mm=me（ 1-0.5 R） =1.25 0.85=1.0625mm 切向变位系数 xt=0 径向变位系数 x1= -x2=0.14 （查机械设计手册得出） 中点法向模数 mnm= mmcos m =1.0625 cos35=0.87mm 齿形角 na =20 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 44 页 齿顶高 ha=（ *ah +x） me *ah 0.85 ha1=1.2375mm ha2=0.8875mm 齿根高 hf=（ *ah + *c -x） me *c =0.188 hf1=1.1225mm hf2=1.4725mm 顶隙 c=c*me=0.188 1.25=0.235mm 齿顶角 是等顶隙收缩齿 1=f2 2=f1 齿根角 f1=arctan(hf1/Re)=arctan(1.1225/31.51)=2.04 f2= arctan(hf2/Re)= arctan(1.425/31.51)=2.676 顶锥角 是等顶隙收缩齿 1= 1+ f2=39.4+2.676 =42.076 2= 2+ f1=50.6 +2.04 =52.64 根锥角 f1=1-f1=39.4 -2.04 =37.36 f2= 2- f2=50.6 -2.676 =47.924 大端齿顶圆直径 dae1=de1+2ha1cos 1=40+2 1.2375cos39.4=41.93mm dae2=de2+2ha2cos 2=48.75+2 0.8875cos50.6=49.877mm 中点法向齿厚 m 35 smn1=（ 0.5 cos m+2x1tann + xt1） mm=1.475mm smn2= mmcos m- smn1=5.46856-2.92=1.26mm 中点法向齿厚半角 mmmnmn Zms 2c o sc o s nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 44 页 mn1=0.0225 mn2=0.0131 中点齿厚角系数 k mn=1- 2mn/6 k mn1=0.9999 k mn2 1 中点分度圆弦齿厚 mnmnmn kss 1mns 1.4748mm 26.12 mns mm 中点分度圆弦齿高 amh amh 1=ha1-0.5btan f2+0.25 11 mnmns =1.0175mm amh 2=ha2-0.5btan f1+0.25 22 mnmns =0.722mm 切齿刀盘直径 Dd=50.8mm 当量齿数 mvZZ 3c o sc o s Zv1=75.33 Zv2=111.78 对曲线齿来说他的重合度有轴向重合度 和端面重合度 ： btan m/( mm) 1.993 当 m=35; n=20端面重合度 可以查表得 ： 1=1.075; 2=1.175; k=0.709 =k( 1+ 2) 1.6 总重合度 = 896.1593.3 任意点螺旋角 x sin x = xmmdmxd RRDRRDs in1 Rx 任意点的锥距，大端为 Re，中点为 Rm 4.3 齿轮的强度校核 nts 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 44 页 4.3.1 齿轮的接触强度校核 由于圆锥齿轮的强度计算是按（机械原理中当量齿轮是按大端 背锥展开的，但强度计算时考虑载荷作用于中点） ,所以是安 齿宽中点背锥展开的当量直齿圆柱齿轮进行的，所以要了解的参数包括当量齿轮的参数，齿数比，锥顶距 R，大端分度圆直径 d1， d2（平均分度圆直径 dm1， dm2），齿数 Z1、 Z2，大端模数 m， b 齿宽 等。 计算接触应力 H必须小于等于许用接触应力 HP才能达到要求。 H= kHEmHRHBvAt ZZZZuubdKKKKF185.021 HP 分度圆的切向力 Ft=2000T1/dm1 dm1=de1(1-0.5 R)=40 0.85=34mm Ft =2000 0.481/34=28.29N 使用系数 KA=1.25 （查表得） 动载荷系数 Kv= 11100)85.0/( 22121 uuVZKbFKK mtA因为齿轮是 5 级精度，所以 K1查表后得 K1=5.48 Vm为齿宽中点的圆周速度 m/s Vm= dmn/60=5.34m/s Kv =3.305 载荷分布系数 beHH KK 5.11.5 1.25=1.9 载荷分配系 数 KH =1.
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