五配气机构设计PPT课件

2011 4 6 1 第五章配气机构设计 第一节配气机构的形式及评价第二节配气机构运动学和凸轮形线设计第三节配气机构动力学第四节配气机构主要零件设计要点第五节可变配气机构 2011 4 6 2 第一节配气机构形式及评价 一 配气机构的设计要求基本要求 气缸换气良好 惯性力 磨损 振动 噪声 气门通过能力大 气门开启时面值大 气门开口面积大且快开快关 负荷 2011 4 6 3 二 配气机构形式 1 下置凸轮轴侧置气门2 下置凸轮轴顶置气门3 顶置凸轮轴顶置气门 2011 4 6 4 1 下置凸轮轴侧置气门 可靠 但充气系数小 抗爆性差 HC排放多 趋于淘汰 2011 4 6 5 2 下置凸轮轴顶置气门 充气系数大 但零件多 质量大 刚性差 2011 4 6 6 3 顶置凸轮轴顶置气门 动力性能好 但传动链长 2011 4 6 7 电磁气门 2011 4 6 8 三 每缸气门数 一般一进一排 现在有 二进二排三进二排二进一排 2011 4 6 9 一缸二气门 2011 4 6 10 一缸四气门 2011 4 6 11 一缸五气门 2011 4 6 12 四 凸轮轴的传动 齿轮 正时 传动 链条传动 齿带传动 最近出现了各种配气定时可调的内燃机 使之能在更宽的范围内保持较为有利的配气定时 2011 4 6 13 第二节配气机构运动学和凸轮形线 一 凸轮设计与机构运动学配气凸轮外形决定气门的通过能力和构件加速度变化规律 一般设计过程 从动件加速度规律 从动件运动规律 凸轮外形生产中 配气凸轮外形都是用靠模机床加工的 而凸轮靠模往往是用展成法制造的 2011 4 6 14 二 气门的通过能力评价 1 时间断面 2011 4 6 15 2 平均通过断面 3 时间断面丰满系数 主要用来比较同样大小气门 升程规律不同时的气门通过能力 4 比时间断面 F为活塞顶面积 主要用来对不同大小的发动机进行充气能力的比较 5 凸轮型线丰满系数 2011 4 6 16 三 气门直径与气门最大升程的关系 H d 0 25时 气门口与气门座处的流通面积相等进气门的H dvi 0 26 0 28排气门的H dve 0 3 0 35 2011 4 6 17 四 凸轮挺柱的运动规律 1 等加速减速凸轮 运动规律 这种凸轮存在冲击性惯性负荷 甚至 飞脱 2011 4 6 18 气门运动规律 2011 4 6 19 2 复合正弦凸轮 用一个正半波大幅短周期正弦曲线和一个负1 4波小幅长周期正弦曲线组成半作用角的挺柱加速度曲线 2011 4 6 20 3 高次多项式凸轮 为得到高阶光滑 提出高次多项式凸轮 各待定系数和幂指数根据边界条件计算 2011 4 6 21 气门间隙与缓冲段设计 由于存在气门间隙等因素 所以需设计缓冲段 缓冲段主要参数 高度 0 15 0 3mm速度 0 006 0 025mm 包角 15 40 缓冲段形线的形式 等加速 等速型 余弦型 2011 4 6 22 五 有关配气凸轮机构的一些几何问题 确定了挺柱的运动规律 升程表 后 凸轮外形设计就算完成 之后必须进行几何校核 2011 4 6 23 1 凸轮外形的曲率半径及接触点偏心量 凸轮与平底挺柱配对工作时有 因为 所以 2011 4 6 24 凸轮外形的曲率半径及接触点偏心量 最后得 挺柱的工作面直径一定要大于2倍的e 2011 4 6 25 2 凸轮副的润滑特性 根据动态液体润滑理论 在接触处应有尽可能大的液体润滑有效速度 以便建立足够的油膜厚度 液体润滑有效速度为 式中 和分别为接触点处凸轮表面和挺柱表面沿滑动方向的绝对速度 为接触点的绝对速度 2011 4 6 26 凸轮副的润滑特性 续 根据图11 49 有 0 故有效速度 定义润滑特性数 即 2011 4 6 27 凸轮副的润滑特性 续 在凸轮转动时 不能有较长的区段S接近零 作为一个例子 图11 50中 凸轮I在工作中出现严重的滑动副损伤 而凸轮II没有问题 两者润滑特性的对比说明了其原因 2011 4 6 28 第三节配气机构动力学 1 刚性气门机构 式中 为凸轮与挺柱间的作用力 为气门弹簧换算到凸轮上的弹簧力 为气门凸轮机构换算到凸轮处的当量质量 为保证此系统的力闭合 必须满足下列条件 或 气门凸轮机构不同转速下的工作情况 2011 4 6 29 2 弹性气门机构 实际系统并不是刚性的 各构件存在弹性 需建立弹性模型进行动力学研究计算 无阻尼单质量模型气门凸轮机构动力学曲线比较 刚性模型与弹性模型 2011 4 6 30 第四节配气机构主要零件设计要点 一 凸轮相对位置的确定1 异缸同名凸轮夹角异缸同名凸轮夹角为相应气缸点火间隔角的一半 2 同缸异名凸轮夹角 进 排气凸轮工作段半包角之和 气门重叠角 2 90 e1 e2 i2 i1 4 2011 4 6 31 一 凸轮相对位置的确定 3 活塞位于压缩上止点时排气凸轮相对于挺柱轴线的夹角 180 排气半包角 排气提前角 2 135 e2 4 e1 4 2011 4 6 32 2011 4 6 33 180 CA 180 CA 2 CA BDC TDC BDC 排气行程 进气行程 e1 i2 i1 e2 180 e1 e2 2 CA 180 i1 i2 2 CA 2 e1 180 180 i2 180 e1 e2 2 180 i1 i2 2 90 e1 i2 e2 i1 4 90 40 56 19 20 104 15 凸轮转角 2011 4 6 34 二 各零件设计 1 挺柱对于平面挺柱 应注意其材料与凸轮材料相异 形成合理的摩擦副 并应注意其底平面最小半径的设计计算 大缸径发动机常采用滚子挺柱 为了消除气门间隙 可采用液压挺柱 如书中图示了各种形式的液压挺柱 2011 4 6 35 1 挺柱 形状 高速机常采用菌形 杯形 液压挺柱 可自动补偿气门机构的间隙 从而减轻冲击噪声 滚轮挺柱 可减小挺柱直径 同时减小摩擦损失 提高机械效率 36 液压挺柱 吊杯式液压挺柱球阀弹簧刚度要小于油道压力 停车回流防止结构 2011 4 6 37 2 推杆 推杆主要用于下置凸轮轴顶置气门结构中 要求有足够的刚度 重量轻 直线度有要求 为保证压杆稳定性常采用空心钢管结构 并焊接装配球头 2011 4 6 38 推杆弯曲损坏 2011 4 6 39 3 摇臂 应在最小质量下保证必要的强度和尽可能高的刚度 常用钢材锻造或高强度铸铁铸造 有些轿车汽油机用钢板冲压 摇臂或摆臂与凸轮的接触可以是滑动摩擦 也可用滚轮 摇臂或摆臂的支承轴及轴的支座必须有足够的刚度 否则会使整个机构的固有频率下降 2011 4 6 40 3 摇臂 摇臂轴套 易磨损部位堆焊耐磨合金 气门间隙调节螺钉 2011 4 6 41 4 气门组 2011 4 6 42 1 气门 功用 燃烧室的组成部分 是气体进 出燃烧室通道的开关 承受冲击力 高温冲击 高速气流冲击 工作条件 A 进气门570K 670K 排气门1050K 1200K B 头部承受气体压力 气门弹簧力等 C 冷却和润滑条件差 D 被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀 性能 强度和刚度大 耐热 耐腐蚀 耐磨 进气门570K 670K 铬钢或铬镍钢 排气门1050K 1200K 硅铬钢 头部 杆部 2011 4 6 43 排气门吸热 散热及温度分布 2011 4 6 44 气门与气门座密封锥面 2011 4 6 45 气门及气门座边缘烧伤 原因 局部高温一变形一密封破坏一漏气一烧伤 冷却系故障 冷却不足 喷油定时不当 内燃机超负荷 涡轮增压器故障 使供气量减少 进气节流 低压缩比汽油机使用高辛烷值汽油 2011 4 6 46 气门颈部处折断 原因 材料高温强度不足 加工缺陷 如刀痕 头部热镦时 头部与杆焊接时等 校直引起过大的纵 横向裂纹 2011 4 6 47 气门头部的结构形式 2011 4 6 48 2 气门锥角1 定义 气门锥面与顶平面的夹角称气门锥角 2011 4 6 49 2 气门锥角的作用 就象锥形塞子可以塞紧瓶口一样 能获得较大的气门座合压力 以提高密封性和导热性 气门落座时有自动定位作用 避免气流拐弯过大而降低流速 气门落座时能挤掉接触面的沉积物 即有自洁作用 2011 4 6 50 3 进 排气门锥角的大小 进气门锥角较小 多用300 因锥角越小 进气通道截面越大 进气量越多 排气门锥角较大 通常为450 因锥角越大 气门头部边缘的厚度大 不易变形 排气门热负荷较大而用较大的锥角 以加强散热和避免受热变形 且锥角越大 座合压力越大 自洁作用越大 2011 4 6 51 3 气门头部直径气门头部直径越大 气门口通道截面就越大 进 排气阻力就越小 通常进气门头部直径大于排气门 另外 排气门稍小些 还不易变形 h1 h2 2011 4 6 52 气门杆 2011 4 6 53 气门 进大 排小密封锥角一般为30度 进 或45度 排 研磨密封 密封带宽为1 2mm工作温度 进气门为300 500 排气门为600 800 材料 进气门为40Cr 38CrSi 4Cr9Si2 排气门为马氏体耐热钢 奥氏体耐热钢 2011 4 6 54 3 气门座 气门座 气缸盖的进 排气道与气门锥面相结合的部位 作用 1 靠其内锥面与气门锥面的紧密贴合密封气缸 2 接受气门传来的热量 气门座 2011 4 6 55 气门座圈 以较大过盈量镶嵌在气门座上的圆环 镶嵌式气门座特点 优点 提高气门座的使用寿命 便于更换 缺点 导热性差 加工精度高 脱落时易造成严重事故 2011 4 6 56 4 气门导管 作用 为气门的运动导向 保证气门直线运动兼起导热作用 工作条件 工作温度较高 约500K 润滑困难 易磨损 材料 用含石墨较多的铸铁 能提高自润滑作用 加工方法 外表面加工精度较高内表面精绞装配 气门杆与气门间隙0 05 0 12mm 2011 4 6 57 5 气门弹簧 功用 保证气门的回位 材料 高锰碳钢 铬钒钢 气门弹簧的装配 气门弹簧 气门弹簧座 锁片 2011 4 6 58 气门弹簧 圆柱形螺旋弹簧 圆柱等螺距弹簧 不等距弹簧应用 CA7560 2011 4 6 59 双弹簧布置 旋向相反的两个弹簧 防止断裂的弹簧卡入另一弹簧 应用车型 奥迪100 捷达 桑塔纳 广州标致505 60 气门弹簧 弹簧刚度 预紧力 校核 B点 基本尺寸 61 弹簧刚度的校核 有效圈数 弹簧总圈数 弹簧剪切应力 轿车发动机气门弹簧的工作应力已超过800Mpa 800N mm2 同时为保证发动机的可靠度 通常要求气门弹簧的疲劳寿命 2 107次 安全行驶2 104km 62 6 气门与活塞是否相碰的计算 缸垫按压紧后的计算曲柄连杆机构的间隙均偏向一侧 使活塞处于最高处 画出活塞位移曲线按照其门的实际开闭时刻画出气门升程曲线 观察两条曲线是否相碰 本章开始 2011 4 6 63 5 凸轮轴 支承 多为全支承材料 低碳钢或低碳合金钢 中碳钢或中碳合金钢 合金铸铁 球墨铸铁等 应与从动件配对且耐磨 也有采用组合结构的 2011 4 6 64 凸轮轴 作用 驱动和控制各缸气门的开启和关闭 使其符合发动机的工作顺序 配气相位和气门开度的变化规律等要求 工作条件 承受气门间歇性开启的冲击载荷 2011 4 6 65 凸轮的轮廓 凸轮轮廓与气门的运动规律 气门开启点 消除气门间隙阶段 气门升程最大时刻 气门关闭点 出现气门间隙阶段 2011 4 6 66 同名凸轮的相对角位置 同一气缸的进 排气凸轮的相对角位置是与相应的配气相位相对应的 点火顺序 1 2 4 3 2011 4 6 67 凸轮轴的轴向定位 作用 为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力 正时齿轮 止推板 隔圈 调节环 凸轮轴颈 凸轮轴的轴向间隙 气缸体 2011 4 6 68 第五节可变气门机构 常规气门机构的配气正时和气门升程不变 不能灵活控制配气 达不到工作过程的优化 正时和升程变化可达到以下目的 1 在全转速范围内获得最大可能的全负荷转矩 2 部分负荷时减小进气门升程 提高进气流速 改善燃烧 3 优化配气 获得内部EGR优化 4 实现停缸控制 改善燃料经济性 69 发动机变工况对配气相位的要求 70 配气相位应用类型及优点 71 传统螺旋槽式VVT结构 72 最小重叠角位置 最大重叠角位置 73 VVT i工作原理图 74 可变配气相位 张紧轮式 75 扭矩调整凸轮轴调整器向下拉长 于是链条上部变短 下部变长 因为排气凸轮轴被齿形带固定了 此时排气凸轮轴不能被转动 进气凸轮轴被转一个角度 进气门延迟关闭角变小 在这个位置时 在中 低转速 可获得大扭矩输出 可变配气相位 76 扭矩调整转速在1000rpm以上时 进气门提前关闭 左侧凸轮轴调整器向下 右侧调整器向上运动 可变配气相位 77 螺旋槽型 第一代叶片型 第二代叶片型 市场竞争性 成本下降30 更紧凑 重量下降40 性能更佳 转子 定子用铝压铸成型 锥形锁销 皮带轮 链轮粉末冶金成形 钢制零部件 齿轮传递负载 市场竞争性 成本下降20 更紧凑 耐久性 稳定性提高 转子 定子粉末冶金成形 链轮