柴油机新型燃油分配泵结构设计【3张图/20200字】【优秀机械毕业设计论文】
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柴油机
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说明书一份,43页,20200字左右.
图纸共3张,如下所示
A0-装配图.dwg
A3-电控原理图.dwg
A3-柱塞零件图.dwg
1 绪言 1
1.1 降低柴油机排放的途径和方法 1
1.2 国外电控分配泵的发展现状 2
1.3 国内电控分配泵的现状及研究的意义 3
2 分配泵机械设计 5
2.1 柱塞的设计 5
2.1.1 柱塞直径及行程的确定 6
2.1.2 柱塞其他尺寸及材料 7
2.2 凸轮盘的设计 7
2.2.1缓冲段设计 8
2.2.2 基本段设计 9
2.2.3 凸轮盘的校核 11
2.3 柱塞复位弹簧的设计 12
2.3.1 弹簧的材料及许用应力 12
2.3.2 弹簧钢丝直径 12
2.3.3 弹簧的变形计算 13
2.3.4 承受变载荷弹簧的强度验算 13
2.3.5 弹簧的震动计算 14
2.4 传动轴直径的确定 14
2.5 泵体壁厚 16
2.6 高压燃油泵泄漏与密封 17
3 分配泵零件的力学仿真分析 18
3.1 分配泵的虚拟设计 18
3.2 运动零件的有限元分析 18
3.3 零件的虚拟装配 22
4 分配泵电子控制部分设计 24
4.1 电控VE分配泵的工作原理 24
4.1.1 机构与特点 24
4.1.2 工作原理 25
4.1.3 控制原理 25
4.1.4 喷油量控制 26
4.2 步进电机的选取 27
4.2.1 步进电机的选取原则 28
4.2.2 步进电机的参数计算 28
4.3 正时电磁铁的设计 31
4.3.1 电控分配泵正时原理 31
4.3.2 电磁铁的结构形式和工作原理 32
4.3.3 电磁铁参数的计算 33
4.4 调速电磁铁的选择 35
4.4.1 电子调速的过程 35
4.4.2 调速电磁铁的选择 36
4.5 ECU的选择 36
5 技术与经济性分析 37
5.1 技术背景 37
5.2 技术创新 37
5.3 实用新型内容 37
5.4 经济性分析 38
6 结论 39
参考文献 40
致谢 41
摘要
柴油机的高效、节能使得汽车的柴油机化日趋明显。电控燃油喷射系统是目前柴油机的主要发展特征，也是满足更严格排放法规的一项有力手段。本设计以传统的机械式VE分配泵为基础，针对其控制不精确，燃油利用率低等缺点，对机械式分配泵进行改进，使其供油、正时、调速实现电控化，从而可以提高供油特性及其控制精度，而且使喷射时期控制特性多样化。另外，还对分配泵机械零件设计后利用CATIA进行建模，并应用ANSYS和CATIA做有限元分析，得到零件的仿真模型及有限元分析结果。最后得到了一种新型的电控分配泵结构。
关键字：柴油机；VE分配泵；电控化；有限元分析；
Abstract
Diesel's high efficiency makes the diesel engine of the car become more evident. Electronically controlled diesel fuel injection system is the main development features to meet more stringent emissions regulations are a powerful tool. The mechanical design of the traditional basis of VE distributor pumps for the control of inaccurate, low fuel utilization shortcomings of the mechanical pump to improve distribution, to oil, timing, speed to achieve electronic control, thus can increase the fuel supply characteristics and the control precision, but also the diversification of control characteristics during injection. In addition, design of mechanical parts of the distribution pump to model after the use of CATIA, and apply ANSYS and CATIA finite element analysis to do to get parts of the simulation model and finite element analysis results. Finally got a new Electronic Controlled structure.
Key words：Diesel engine；VE distributor pumps；Electronic control；Finite element analysis
- 内容简介：
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I 摘要 柴油机的高效、节能使得汽车的柴油机化日趋明显。电控燃油喷射系统是目前柴油机的主要发展特征，也是满足更严格排放法规的一项有力手段。 本设计以传统的机械式 配泵为基础，针对其控制不精确，燃油利用率低等缺点，对机械式分配泵进行改进，使其供油、正时、调速实现电控化，从而可以提高供油特性及其控制精度，而且使喷射时期控制特性多样化。另外，还对分配泵机械零件设计后利用 行建模，并应用 有限元分析，得到零件的仿真模型及有限元分析结果。最后得到了一种新型的电控分配泵结构。 关键字： 柴油 机； 控化；有限元分析； s of is to a of E of of to to to of In of of to to do to of a VE 1 1 绪言 . 错误 !未定义书签。 降低柴油机排放的途径和方法 . 错误 !未定义书签。 国外电控分配泵的发展现状 . 错误 !未定义书签。 国内电控分配泵的现状及研究的意义 . 错误 !未定义书签。 2 分配泵机械设计 . 错误 !未定义书签。 塞的设计 . 错误 !未定义书签。 塞直径及行程的确定 . 错误 !未定义书签。 塞其他尺寸及材料 . 错误 !未定义书签。 轮盘的设计 . 错误 !未定义书签。 冲段设计 . 错误 !未定义书签。 本段设计 . 错误 !未定义书签。 凸轮盘的校核 . 错误 !未定义书签。 柱塞复位弹簧的设计 . 错误 !未定义书签。 簧的材料及许用应力 . 错误 !未定义书签。 簧钢丝直径 . 错误 !未定义书签。 弹簧的变形计算 . 错误 !未定义书签。 承受变载荷弹簧的强度验算 . 错误 !未定义书签。 弹簧的震动计算 . 错误 !未定义书签。 传动轴直径的确定 . 错误 !未定义书签。 泵体壁厚 . 错误 !未定义书签。 压燃油泵泄漏与密封 . 错误 !未定义书签。 3 分配泵零件的力学仿真分析 6 . 错误 !未定义书签。 分配泵的虚拟设计 . 错误 !未定义书签。 运动零件的有限元分析 . 错误 !未定义书签。 零件的虚拟装配 . 错误 !未定义书签。 4 分配泵电子控制部分设计 . 错误 !未定义书签。 电控 . 错误 !未定义书签。 机构与特点 . 错误 !未定义书签。 工作原理 . 错误 !未定义书签。 控制原理 . 错误 !未定义书签。 喷油量控制 . 错误 !未定义书签。 步进电机的选取 . 错误 !未定义书签。 步进电机的选取原则 . 错误 !未定义书签。 步进电机的参数计算 . 错误 !未定义书签。 正时电磁铁的设计 . 错误 !未定义书签。 电控分配泵正时原理 . 错误 !未定义书签。 电磁铁的结构形式和工作原理 . 错误 !未定义书签。 电磁铁参数的计算 . 错误 !未定义书签。 调速电磁铁的选择 . 错误 !未定义书签。 子调速的过程 . 错误 !未定义书签。 调速电 磁铁的选择 . 错误 !未定义书签。 选择 . 错误 !未定义书签。 5 技术与经济性分析 . 错误 !未定义书签。 李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 2 技术背景 . 错误 !未定义书签。 技术创新 . 错误 !未定义书签。 实用新型内容 . 错误 !未定义书签。 经济性分析 . 错误 !未定义书签。 6 结论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 致谢 错误 !未定义书签。 1 1 绪言 . 1 降低柴油机排放的途径和方法 . 1 国外电控分配泵的发展现状 . 2 国内电控分配泵的现状及研究的意义 . 3 2 分配泵机械设计 . 5 塞的设计 . 5 塞直径及行程的确定 . 6 塞其他尺寸及材料 . 7 轮盘的设计 . 7 冲段设计 . 8 本段设计 . 9 凸轮盘的校核 .柱塞复位弹簧的设计 . 12 簧的材料及许用应力 . 12 簧钢丝直径 . 12 弹簧的变形计算 . 13 承受变载荷弹簧的强度验算 . 13 弹簧的震动计算 . 14 传动轴直径的确定 . 14 泵体壁厚 . 16 压燃油泵泄漏与密封 . 17 3 分配泵零件的力学仿真分析 6 . 18 分配泵的虚拟设计 . 18 运动零件的有限元分析 . 18 零件的虚拟装配 . 22 4 分配泵电子控制部分设计 . 24 电控 配泵的工作原理 . 24 机构与特点 . 24 工作原理 . 25 控制原理 . 25 喷油量控制 . 26 步进电机的选取 . 27 步进电机的选取原则 . 28 步进电机的参数计算 . 28 正时电磁铁的设计 . 31 电控分配泵正时原理 . 31 电磁铁的结构形式和工作原理 . 32 电磁铁参数的计算 . 33 调速电磁铁的选择 . 35 子调速的过程 . 35 调速电磁铁的选择 . 36 选择 . 36 5 技术与经济性分析 . 37 李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 2 技术背景 . 37 技术创新 . 37 实用新型内容 . 37 经济性分析 . 38 6 结论 . 39 参考文献 . 40 致谢 . 41 1 1 绪言 柴油机自问世以来，就 以其高效、节能等优点而在车用动力中占有非常重要的地位。特别是近些年来，柴油机的应用有逐渐扩大的趋势。这主要是因为，世界性能源危机及汽车污染的日益严重，人们对发动机的节能和排放提出了更高的要求。柴油机与汽油机相比，在节油和 2放方面都具有明显的优势。因此，目前美国、日本、欧洲等发达国家在中重型载重汽车中已全部柴油机化，而且近年来在轻型车和轿车上的应 用上也呈逐年递增的趋 势。 1988 年欧洲柴油机轿车的销售量占轿车销售总量的 15，到 1998 年已经上升到 25， 2003 年已经超过 32，专家预测到 2012 年将超过 50。因此说，未来汽车的 发展呈柴油机化的趋势日趋明朗。 但是，柴油机也有许多自身的弱点在制约着它进一步的发展，除了比质量大，成本和价格高，噪声和振动大外，其有害排放物 微粒的排放也居高不下，特别是随着近年来世界范围内的排放法规逐年严格，这一问题更显突出。柴油机的主要有害排放物 排放量相对较少，一般来说不用刻意控制就都会满足现有的法规，但柴油机最大的排放难题来自 微粒，而且它们的特殊折中问题给整体降低柴油机的排放带来了难度。如何兼顾燃油经济性，同时降低 微粒，以满足日益严格的排放法规要求，已经是关系到未来柴油机发展的关键问题。因此，开发新技术、新手段，深入解决柴油机排放问题，是近期柴 油机领域的主要工作。 降低柴油机排放的途径和方法 汽车排放法规经历了几十年的发展，形成了以欧、美、日为主的三大汽车排放体系。排放法规的制定主要是依据汽车排放控制技术的发展现状及潜力，同时，汽车排放法规的实施，又促进了相应控制技术的发展和应用。 柴油机燃烧过程的好坏和整机性能的优劣，主要决定于喷油系统、进气系统和燃烧室结构三者之间的匹配。其中，喷油系统是最重要的因素。实践证明，在直接影响发动机性能的燃烧过程中，燃油的雾化扩散、油气混合、着火燃烧放热、碳烟和废气有害成分的形成以及振动和噪声等等都与喷油 系统密切相关，喷油系统的优劣将决定柴油机整机的性能。作为保障高压喷油的核心部件，传统的机械式燃油喷射系统存在着严重的缺陷和不足：喷油泵的脉动式供油方式导致进一步提高柴油喷射压力受到限制；复杂的机械式调速器和供油提前装置使油量调节受到影响，提前供油受到限制，这些都会造成动力性和经济性下李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 2 降以及排放、噪声和耐久性受到影响。 电控喷油泵的提出实现了喷油、调速和正时的最优控制，进而改善了混合气的形成和燃烧，提高了发动机的经济性、动力性和排放性。柴油机电控燃油喷射系统取代机械式供油系统已呈必然趋势。 国外电控 分配泵的发展现状 国外对柴油机电控喷油泵的研究始 于 20 世纪 70 年代。 1967 年，德国 司开始批量生产用进气管绝对压力控制空燃比的 D 拟式电子控制汽油喷射系统，装备在大众汽车公司生产的 1600 型轿车上，开创了汽油喷射系统电子控制新时代。在短短的 20 年内，汽油机电控技术已相当成熟。柴油机电子控制的研究比汽油机晚 20 年的时间 ,但是汽油机电控技术促进了柴油机电控技术的发展，从上世纪 80 年代开始，柴油机的电控技术得到了迅速发展。目前已有多种形式的电控柴油喷射系统装车使用，较成熟的电控燃油喷射产品在国外车用柴油机中得到了广泛应用。仅 1993 年统计，德国 司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超 25 万台，美国底特律柴油机公司 控泵喷嘴系统已有 10 万多台投放市场，日本的 司可变预行程的 列泵已达 2 万多台，其中绝大部分是电控的。 柴油机电控分配泵发展至今已先后推出了三代产品，即位置控制式、时间控制式和压力时间式 1 。 第一代位置控制式电控分配泵在不改变传统喷油系统结构的基础上，用电控调速器来代替原有的机械式调 速器，对齿条或滑套位置予以控制，从而对油量进行调节，并通过电控液压提前器代替传统的机械或液压式提前器来实现喷油正时的控制，提高控制精度和响应速度，是电控柴油机开发的早期产品。位置式电控系统无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造，在分配泵和直列泵上都可以实现。其缺点是因为采用模拟量进行控制，频率响应慢，控制自由度小，精度差，而且喷油率和喷油压力难于控制，也不能改变传统喷油系统所固有的喷射特性。 第二代时间控制式电控喷油系统取消了传统的喷油机构，采用高速强力电磁阀直接控制高压燃油的 通断，高速电磁阀的开启和关闭时间决定喷油量的大小和喷油时刻。时间控制式电控系统采用数字量控制，具有一定的喷油率控制能力。但由于仍沿用脉冲高压供油原理，喷油压力难以控制。同时要求高速电磁阀有良好的响应和可靠性，制造难度大。在传统的机械分配泵、单体泵、泵喷嘴等基础上都可以实现时间式控制系统。 3 第三代电控喷油系统是时间压力式控制系统，它改变了传统喷油系统的结构，不再采用柱塞泵脉动供油原理，而是利用高压共轨或共轨蓄压和液力增压形式获得高压，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，利用电磁阀控制喷射过程，喷油量的大小 由喷油时间和共轨压力共同决定。由于共轨式喷油系统喷射压力不受柴油机转速和喷油量的影响，而且喷油量、喷油压力、喷油速率都可以由 活控制，从而将高压喷射与电子控制完美的结合起来，实现了喷油系统的全电子控制，目前已成为柴油机电控喷油系统研究领域的重要课题与发展趋势 2 。 国内电控分配泵的现状及研究的意义 我国的柴油机电控技术起步较晚，自 20 世纪 80 年代中期以后，许多科研单位和院校相继开展了这方面的研究工作，并取得了一定成果： 在位置控制系统方 面，国内进行了较多的研究，如：长春汽车研究所对直列泵的可变预行程控制进行了研究，实现 了对 列柴油机的调速控制；北京理工大学用电磁阀通过液压伺服机构来驱动齿条实现了直列泵的喷油量控制，并对样机进行过试验；东汽公司 在 进行的 基于调节齿杆位置控制油量的调速器系统也取得了一定成效。 在时间控制系统方面，黄家裕等人开发的节流式喷油器，是我国最早研制的时间控制式电控系统，并进行了试验；清华大学研制的电控直列泵管阀嘴喷油系统，采用自主研发的高速电磁阀放置在油路上控制喷油正时和喷油量， 从而实现了对柴油机喷油正时、喷油量、喷油速率和喷油压力的优化控制。 在共轨方面，我国许多单位近年来也进行了研究并取得了一定成就：天津大学的中压共轨式系统，采用双蓄压室和喷油规律控制阀的电液控制共轨式单体喷油器，实现了预喷射和快速停油功能；无锡油泵油嘴研究所针对 6110 型柴油机开发了中压共轨畜压式喷油系统；上海交通大学的共轨系统应用在玉 柴 6112 柴油机上也取得了不错的效果；大连理工大学、贵州柴油机厂以及山东工业大学也做了相应的工作。我们应该同时看到，我国的柴油机电控喷射系统还远没有达到产品化和产业化的水平，距 离国外的先进水平和技术还很远，我们应该借鉴国外先进的技术，从实际出发，逐步发展，提高柴油机产品的国际竞争力。 随着用于轻型车、轿车的小型高速柴油机的发展 ,与之相适应的分配泵得以迅速发展起来 ,其中以单柱塞 式的 分配泵的应用最为广泛。 分配泵已占有小型高速车用李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 4 柴油机配套喷油泵市场的绝对优势。目前 ,国内采用高速柴油机的轻型车发展迅速 ,对 了满足高速柴油机的性能需要 ,提高分配泵的性能已成为厂家所追求的主要目标。采用电控技术是提高分配泵性能的有效措施。在电控系统中 ,喷油量和喷油定时的 综合优化控制可以有效地改善排放。采用电控可根据各种需要进行喷油量和喷油定时的控制 ,这样可以取消原机械式分配泵为提高性能而安装的几乎所有附加装置 ,使得结构大大简化和小型化。电子控制技术的另一个最重要的特点是灵活性和适应性 ,可以方便地与各种柴油机实现良好匹配。这些都对 于 分配泵的推广应用具有重要意义。因此 ,进行分配泵电控系统的研究是适应燃油喷射系统发展的趋势 ,对于提高汽车用高速柴油机性能、满足社会需要具有重要的意义。 5 2 分配泵机械设计 自改革开放以来，我国内燃机行业 得到了快速发展。尤其是单缸柴油机，近几年的年产量一直保持在 700 万台左右。但产品质量未得到应有的提高，其经济性、怠速稳定性和噪声排放一直是生产厂家难以解决的问题。究其原因主要是喷油系统参数与柴油机匹配不合理。缸径较小的柴油机柱塞直径偏大，供油速率高，造成供油持续期太短、燃烧初期有较高的喷油率，引起燃烧的最大爆发压力大、压力升高率高，使柴油机噪声大，缩短了柴油机的寿命；在小负荷及怠速时，针阀不能达到最大升程，引起针阀抖动，使循环喷油量和燃烧不稳定，导致柴油机转速波动大。要实现柴油机平稳有效的燃烧，喷油系统参数 与柴油机必须合理匹配，具有合理的供油规律和喷油规律。本设计中主要目的是设计一款适合大多数柴油机用的电子分配泵，柴油机的具体参数如下： 型 式：四缸、直列、水冷、四冲程 气缸直径 / 75 活塞行程 / 80 标定功率 /： 55 标定转速 / 3000 燃油消耗率 1/ g kW h ： 230 塞的设计 柱塞运动规律设计的重要性是众所周知的 ,它不仅最终决定了喷油器的喷油速率 ,也是喷油泵产品寿命的重要影响因素之一。在设计时应遵守下述准则。 （ 1）有较高的供油速率。 （ 2）使柱塞弹簧等参数不变的情况下 ,喷油泵在高转速下工作时 ,运动部 件不会飞脱。 （ 3）有较高的许用柱塞腔压力 ,减小凸轮与滚轮间的接触应力和噪音。 （ 4）使柱塞运动部件对凸轮的机械作用力尽量减小。 喷油泵的供油是在柱塞的有效行程内进行的 ,因此 ,这段行程应符合所选定的喷油延续时间 ,应与凸轮型线密切配合。在柱塞整个行程中 ,除有效行程外 ,其前后还留有一段缓冲行程。对于滑阀式喷油泵 ,通常其有效行程只占全行程的 1/3 左右。柱塞有效行程与总行程之比和油泵类型及转速有关。转速增加时 ,为了保证进、回油时间 ,缓冲行程应增加。柱塞直径较大时 ,泄露就多 ,作用在凸轮上的力也较大 ,故而采用较小柱塞直 径和较长行程比较有利。但行程加长后 ,柱塞速度增大 ,会有烧粘的危险 ,所以要多方面予以兼顾。柱塞直李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 6 径与行程的确定 ,一般是从统计数据中参考同类机型进行选取 ,再由几何供油量计算式来计算。本文根据设计要求 ,在原排 量为 柴油机燃油泵的基础上 ,通过计算并借鉴以往的设计经验 ,初步确定高压油泵柱塞直径为 9 塞直径及行程的确定 根据原始数据中的各性能参数可计算出循环供油量 ( ) / 6 0 ( / 2 ) b e eV g N i n ( 2 3 0 5 5 ) / 0 . 8 2 5 6 0 4 ( 3 0 0 0 / 2 ) 式中： 循环供油量 柴油机的燃油消耗率， /g kW h ； 发 动机的额定功率， 为燃油比重，对于柴油 30 . 8 2 5 /g c m ； i 为汽缸数； n 为柴油机转速， / 由于上述公式计算出来的是理论的循环供油量，实际应用时，必须对该油量进行适当的修正，修正系数 1 . 1 0 1 . 1 4 ，因此，实际供油量 V 为：1 . 1 2 0 . 0 4 3 0 . 0 4 8 m L （这里 取 而统计资料表明，喷油泵的减压容积为 0 1 ，故喷油泵的循环喷油供油量约为： 0 . 9 0 . 0 4 8 0 . 0 4 3 3pV m L 。 则柱塞直径 3 4 m m（ 2 式中：f为喷油泵供油系数，取 ， /d h。 有资料可知， 间取值，本设计中 式（ 2求得9 pd m m 。所以柱塞直径取 9 。 7 柱塞行程可根据公式： 24p p e fV d h （ 2 计算求得。解得 2 eh m m 。 塞其他尺寸及材料 喷油泵在工作过程中，无论是泵油过程还是回油过程都要经过中心油孔，因此，中心油孔的尺寸的确定极为关键。 本设计中，定中心油孔的直径为 2 直径也为 2 柱塞长度为 100 为了保证进油充足且油量适中，进油槽深度取值为 对于燃油分配孔，它的大小决定了出油压力，为了保证有较高的喷油压力，燃油分配孔深度定为2 计算中假定柱塞腔内的燃油压力为 25缝隙中的流体为柴油 ,柱塞材料为 15密度为 337 . 8 3 1 0 /k g m ,柱塞套材料为 16 5，其密度为 337 . 8 9 1 0 /k g m 。 利用 模后得到的图形 3 如下：图 2塞的 型 2 of 轮盘的设计 柴油机燃油喷射系统的功用是在恰当的时刻 ,将定量的、雾化良好的燃油喷入到柴油机燃烧室中。它作为柴油机心脏的重要作用一直受到国内外工程技术人员的广泛重视 ,特进油槽 喷油分配孔 泄油孔 李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 8 别是随着柴油机排放法规的日益严格 ,给柴油机燃油喷射系统提出了更高的要求 ,为此开发了多种机械式和电控式燃油喷射系统 ,其中就有机械和电控分配泵。端面凸轮 是 配泵的关键零件之一 ,其设计质量的优劣直接关系到喷油泵的供油速率、最高转速、工作可靠性和喷射性能等等 ,进而决 定了柴油机的经济、动力性能指标和柴油机产品的可靠性。凸轮型线的设计一般包括缓冲段设计和基本段设计。 工作轮廓曲面设计准则 ： 端面凸轮工作轮廓为空间不可展曲面，精确设计时应按空间包络曲面的共轭原理获得精确的解析解。由于 配泵用端面凸轮的工作转速很高，用展开成平面廓线的办法设计是不恰当的。精确设计时，凸轮工作轮廓与滚轮间的共轭接触点必须满足以下三个条件。 （ 1） 在共轭接触位置，两曲面上的一对对应的共轭接触点必须重合。 （ 2） 在共轭接触点处，两曲面间的相对运动速度必须垂直于其公法线。 （ 3） 两曲面在共 轭接触点处必须相切，不产生干涉，且在共轭接触点的邻域亦无曲率干涉。 凸轮工作轮廓型线设计准则 ： （ 1） 有较高的供油速率。 （ 2） 使柱塞弹簧等参数不变的情况下，运动部件不会飞脱。 （ 3） 有较高的许用柱塞腔压力，减小凸轮与滚轮间的接触应力和噪声。 （ 4） 使柱塞运动部件对凸轮的机械作用力尽量减小。 冲段设计 油泵凸轮设计时 ,必须设置上升缓冲段与下降缓冲段 ,以保证柱塞上升、下降的过渡平稳性。多数设计将两者取成相同 ,且通常采用余弦缓冲段模型。余弦缓冲段是常用的一种缓冲段 ,其挺柱升程曲线形式为 4 : 1 c o h a P q a 0 （ 2 式中， 缓冲段全升程 , 缓冲段包角 , 90 /o 。这种缓冲段的速度、加速度曲线为 : 22 2 22s i n c o h d a P q q ad a d td h d q q ad a d t （ 2 9 式中 , 为凸轮角速度。余弦缓冲段只含有两个可以任意调节的参数 : q 。因此 ,在给出缓冲段全升程 包角 , 9 0 /oo o oP h q a 就决定了。而缓冲段末端的 挺柱速度也随之确定为： s i o o oP q q a p q （ 2 如果算出的 不符合要求 ,则调整 q 重新计算。余弦缓冲段的计算较简单 ,其加速度曲线在缓冲段末端为 0,因此易于与一般函数凸轮的基本段相接保持二阶导数的连续性 。 在 本 设 计 中 设 2 6 ra d s ， ， 缓 冲 段 包 角 45 ， 则9 0 / 9 0 / 4 5 2o o ，因此有： 2 6 . 7 1 . 5 2 8 0 . 1 /o T op q m s 本段设计 通常采用高次方函数凸轮模型进行基本段的设计 ,其项数和幂次的选取有一定的任意性。为了既保证计算精度又不至使计算工作量太大 ,一般选用五项次的高次方函数凸轮模型进行设计。假设升程曲线为对称形状 ,升程函数为 : p q r so p q r sh h a c c x c x c x c x （ 2 式中， p 、 p 、 r 、 s 均为正整数； pc、 待定系数； 1 ，其中 a为基本段半包角。假设 p 、 p 、 r 、 s 都已给出 ,为了确定 pc、 给出以下边界条件： (1)当 0a 时， 0h ，即 0o p q r sc c c c c ； 基本段始点速度等于缓冲段速度 ，故为已知。 （ 2）当 时， h a H ； 22 0； 33 0 用行列式方法求解出各参数 : 李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 10 1s r q s r s q r q s r p r p q p 1s r q s r s q r q s r q r q p q 1s r q s r s q r q s r r q r p r 1s r q s r s q r q s r s r s p s （ 2 这样 ,只要给出 H ,a, R ， p ， p ， r ， s 值 ,升程函数就可确定。至于速度、加速度函数 ,只要通过求一次、二次导数就能得到。在设计多项式高次方凸轮时 ,一般是先选取多种不同幂指数 p ， p ， r ， s 的组合方案 ,计算其加速度的最大值和最小值、丰满系数等具有代表性的指标作为评价各种方案动力性能和通过能力的指标 ,从 中择优后 ,再进行运动规律的计算。在选定 p ， p ， r ， s 幂指数时 ,还应注意以下几点 : (1)由于凸轮型线假定是对称的 ,故 p ， p ， r ， s 应该是偶数 ,不妨假设为 p q r s 。 (2)为使凸轮在 0x 时 ,挺柱 (滚轮 )的加速度不为零 ,而是一个负值 ,最低幂指数 2p 。 (3)当 0x ,滚轮达最大升程时 ,其加速度变化率应为常数 ,显然 4q 。 (4)通过数学分析可以证明 ,为使在 01x区间内的加速度曲线只有一个最大值 (以保证加速曲线不出现波浪形 ),则 p ， p ， r ， s 之间应符合 2r q s r m 。 通常 p ， p ， r ， s 按下式选取 : 22224n ms n m （ n 、 m 为正整数） （ 2 高次方函数凸轮的优点是 :升程曲线在整个基本段内为统一的高次多项式曲线 ,可以达到高阶光滑性。最后，根据已知条件确定凸轮的最大升程为 3可以满足要求。对于端面凸轮，其凸轮位置是间隔 90o 成圆周分布。 得到了凸轮的位置及升程后，还要确定凸轮盘的大小，本设计中，考虑到结构小巧和 11 工作可靠，定凸轮盘的直径为 50 初选滚轮的直径为 20 然后对其进行接触疲劳强度校核。 凸轮盘的校核 现代柴油机节能和降低排放的关键是提高喷油压力，而提高分配泵泵端压力最基本的一 条是提高凸轮和滚轮之间的承载能力，防止两者之间的磨损，除了保证良好的润滑、提高表面加工质量、采用特殊的表面热处理技术之外，从产品设计角度考虑。下面对凸轮盘与滚轮进行接触疲劳强度校核。按接触应力公式： m a 4 2 8 R（ 2 式中： 凸轮和滚轮承受最高的供油压力， 为凸轮材料的许用接触应力， E 为材料的弹性模量； 1R 为滚轮半径， 2R 为凸轮在与滚轮接触处的曲率半径， 本设计中凸轮盘材料为 40 其许用接触应力为 4 6 1 . 5H M p a ，设凸轮和滚轮承受的最高供油压力为 25 40性模量 208 凸轮宽度为 8 2R 为25由此，有： 32 5 2 0 8 1 0 1 10 . 4 2 8 1 2 9 . 1 18 1 0 2 5 HM p a 因此，初选的尺寸及计算后得到的尺寸都能满足要求。这样，利用 模后得到的模型如下： 李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 12 图 2面凸轮的 型 2 of 柱塞复位弹簧的设计 分配泵在工作过程中是高速运转的，这就要求柱塞在结束压油后能及时的沿着凸轮形线复位，因此 ，对于复位弹簧，无论是强度上还是结构上都要能符合要求。但是弹簧的直接应该有选择一个合适的范围，如果劲度系数太小，弹簧的回复力小，若果劲度系数太大，会引起发动机额外的负荷。 簧的材料及许用应力 根据弹簧所受载荷特性及要求，查表选取 A 类油淬火回火硅锰合金弹簧钢丝，材料为60先假设弹簧的钢丝直径为 2 4则其抗拉强度 1 4 7 1 1 6 1 8b M p a ，37 8 . 8 1 0G M p a ，取试验切应力 0 . 4 5 1 4 7 1 6 6 1 . 9 5s M p a 。 簧钢丝直径 初步选取旋绕比 C=5，钢丝直径： 1 F 由于柱塞工作时所受载荷不是静载荷。所以取曲度系数 ，按弹簧的最大工作载荷300计算有： 13 1 . 3 6 3 0 0 51 . 6 2 . 86 6 1 . 9 5d m m 钢丝直径 d 在假设范围内，根据表选取 3d 。 弹簧的变形计算 弹簧中径按照 D 计算， 3 5 1 5D m m ，查表取 15D ；弹簧的总圈数 n n 计 算 ， 本 设 计 中 取 2 ，查手册有4 3 4337 8 . 8 1 0 3 1 0 . 5 8 . 2 78 8 3 0 0 1 5G d 圈，取 9n 。则弹簧的总圈数 公式n n 计算为 9 2 1 1 圈。 在最大的轴向载荷的作用下，弹簧将产生最大的轴向变形量 ， 其计算公式为： 3338 8 3 0 0 5 1 1 1 3 . 97 8 . 8 1 0 3 n 承受变载荷弹簧的强度验算 承受变载荷的弹簧可能发生疲劳破坏。因此，除了根据最大载荷 F 及变形量 设计出弹簧的尺寸以外，还应进行疲劳强度和静强度的安全系数验算。由于弹簧受载后产生的工作应力多属于最小剪应力等于常数的情况，因此可以近似地按下面的公式进行疲劳强度的安全系数校核。 0 m i nm a 7 5 1 . 3 1 . 7 （ 2 式中： 为最大剪应力， 为最小剪应力， 0 为弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限， 0 = 0 . 3 0 . 3 1 5 0 0 4 5 0b M P a ，取 1500b M P a ； 疲劳强度的计算安全系数； 弹簧在分配泵不工作时的预紧力为 250N ，在工作时（设在最大工作压力下时）的所李胜超：柴油机新型燃油分配泵结构设计 14 受力为 300N ，这样可以计算出最大和最小剪应力。 前面已经求出曲度系数 ，弹簧中径径 15D ，弹簧直径 3d ， 根据公式有： 1m i n 338 8 2 5 0 1 5 1 . 3 6 4 8 1 . 23 . 1 4 3F D K M P 2m a x 338 8 3 0 0 1 5 1 . 3 6 5 7 7 . 53
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