2-开题报告-大众EA888 1.8L发动机配气机构设计与分析.doc
大众EA888发动机配气机构设计与分析（含CAD图纸、说明书）
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大众EA888
1.8L发动机配气机构设计与分析（含CAD图纸、说明书）
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毕业设计（开题报告） 上汽大众EA888 1.8L 配气机构设计与分析 上汽大众EA888 1.8L发动机配气机构设计与分析 开题报告 一 选题背景及意义1.1 配气机构迅速发展的原因：目前，随着人们生活水平的提高，汽车、摩托车日益成为人们生活当中重要交通工具，对机械产品的需求量是越来越大，产品质量要求是越来越高。同时，随着科学技术的发展，机械产品与设备也日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展。产品的结构也日趋复杂，对其工作性能的要求也越来越高，为使产品能够安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静动态特性。同时，设备在工作时产生的振动和噪声，会损害操作者的身心健康，污染环境。因此必须对机械产品进行动态分析和动态设计，以满足机械结构静、动态特性与低振动、低噪声的要求。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确的预测出产品或工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场等技术参数进行分析计算。为了在工程应用中节约成本、提高设计效率、缩短设计周期，很多厂家已经把前期的软件模拟作为检验设计成败的一个关键步骤。发动机在车辆中是动力部件，其性能直接影响车辆在使用中的工作状况和可靠性。发动机的发展向着大功率轻重量的方向发展，使得其刚度不断减少，从而加剧了发动机的振动和结构噪声，这类振动将直接影响发动机的寿命。因此对发动机必须进行动态设计与分析，把动态特性作为设计的重要目标。配气机构是发动机的重要组成部分，发动机配气机构，经常处在高温、高压下工作，因此气门机构是发动机最容易发生故障的零部件之一。而配气机构性能的好坏, 直接影响到发动机的经济性、可靠性, 并对发动机噪声与振动产生直接影响。而配气机构的主要零件气门既是燃烧室的组成部分，又是气体进、出燃烧室的通道，工作时需承受很高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门，由于经常受到高温燃气的冲刷，从而更加容易产生漏气、腐蚀与烧损等现象，工作条件也就更为严酷。其后果将影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化，从而降低了发动机的经济性、动力性和可靠性。因此，对发动机的配气机构，特别是气门进行深入研究是非常有必要的。随着发动机强化程度的不断提高, 配气机构已经成为发动机发展过程中的一个重要而且困难的环节。这不只是由于发动机转速的急剧增长, 使机构零件惯性力和振动迅速提高,而且还由于发动机平均有效压力的增加。因此配气机构动力学的研究已经成为研究小型高速发动机的重要课题。此外随着发动机低排放、高速化的发展趋势，对其性能指标要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因此对配气机构设计的要求也越来越高。 1.2 配气机构的结构设计：配气机构零部件的设计要基于结构设计的，所以结构设计是配气机构设计的前提。结构设计要综合考虑发动机的使用环境，工作特点，燃油经济性对配气机构的性能的要求，设计成本等多方面因素，配气机构结构图如图1.1。 图1.1 配气机构结构图1.3 配气机构的种类：配气机构是进、排气门的控制机构，它按照气缸的工作顺序和工作过程的要求，准时地开闭进、排气门，向气缸供给可燃混合气并及时排出废气。另外，当进、排气门关闭时，保证气缸密封，进饱排净。新鲜空气或可燃混合气被吸入气缸愈多，则发动机可能发出的功率愈大。新鲜空气或可燃混合气充满气缸的程度。充气效率越高，表明进入气缸的新气越多，可燃混合气燃烧时可能放出的热量也就越大，发动机的功率越大。配气机构可从不同角度来分类。按气门的布置分为气门顶置和气门侧置式；按凸轮轴的布置位置分为下置式、中置式和上置式；按曲轴和凸轮轴的传动方式分为齿轮传动式、链条传动式和齿带传动式；按每气缸气门数目分，有二气门式和四气门式等。 各式配气机构中，按其功用都可分为气门组和气门传动组两大部分。气门组包括气门及与之相关联的零件，其组成与配气机构的型式基本无关。气门传动组、是从正时齿轮开始至推动气门动作的所有零件，其组成视配气机构的形式而有所不同，它的功用是定时驱动气门使其开闭。 进气门和排气门都倒挂在气缸盖上。气门组包括气门、气门导管、气门座、弹簧座、气门弹簧、锁片等零件；气门传动组一般由摇臂、摇臂轴、推杆、挺柱、凸轮轴和正时齿轮组成。 气门顶置式配气机构的工作情况是：当气缸的工作循环需要将气门打开进行换气时，由曲轴通过传动机构驱动凸轮轴旋转，使凸轮轴上的凸轮凸起部分通过挺柱、推杆、调整螺钉推动摇臂摆转，摇臂的另一端便向下推开气门，同时使弹簧进一步压缩。当凸轮的凸起部分的顶点转过挺柱以后，便逐渐减小了对挺柱的推力，气门在弹簧张力的作用下开度逐渐减小，直至最后关闭。压缩和做功行程中，气门在弹簧张力的作用下严密关闭。 气门顶置式配气机构根据凸轮轴的位置有以下三种型式： (1)凸轮轴下置式配气机构：凸轮轴装在曲轴箱内，直接由凸轮轴正时齿轮与曲轴正时齿轮相啮合，由曲轴带动。气门传动组包括上述全部零件，其应用最为广泛。 (2)凸轮轴中置式配气机构：凸轮轴位于气缸体的上部。为了减小气门传动机构的往复运动的质量，对于高转速的发动机，可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂而省去推杆。该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远，一般要在中间加入一个中间齿轮(惰轮)。 (3)凸轮轴上置式配气机构：凸轮轴布置在气缸盖上。凸轮轴直接通过摇臂来驱动气门，没有挺柱和推杆，使往复运动的质量大为减小，对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低，因此它适用于高速强化发动机。 凸轮轴下置式 凸轮轴中置式 凸轮轴顶置式图1.2 配气结构的结构形式 1.4 配气机构工作原理 图1.3凸轮驱动气门开闭凸轮轴转动时，当凸轮的基圆部分与挺柱接触时，挺柱不升高，挺柱以上的传动件不动作，气门是关闭的。当凸轮的凸起部分与挺柱接触时，便开始将挺柱顶起，于是气门被打开。当凸轮的最大凸起处与挺柱接触时，气门达到最大开度。随后，凸轮与挺柱接触表面的凸起开始逐渐变小，气门在气门弹簧的作用下开始上升关闭，并反向推动摇臂等传动杆件，使挺柱下移保持与凸轮接触。当凸轮凸起部分离开挺柱时，气门完全关闭。二 国内外配气机构技术研究现状2.1 现代发动机配气机构技术及技术特征：2.1.1顶置凸轮轴技术气门凸轮式配气机构具有保证气缸密封性的优点，尤其是进排气门能够持久地保证燃烧室的密封性，四冲程内燃机大多采用气门凸轮式配气机构。气门凸轮式配气机构按气门布置分为侧置气门和顶置气门机构。顶置气门配气机构，内燃机的充气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机有较好的性能指标，是侧置气门机构所不能达到的，故侧置气门机构己被淘汰。顶置气门配气机构又由凸轮轴的放置位置分成凸轮轴下置型和顶置凸轮轴型。绝大部分柴油机采用凸轮轴下置型，但这种机构高速运转时产生较大的惯性力和振动及噪声，消耗较大的动力。目前的趋向是把凸轮轴放在气门上方，省去了推杆、挺柱，称顶置凸轮轴型（OHC）；还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里，凸轮直接作用于气门上，这种机构省去了摇臂，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳。顶置凸轮轴型（OHC）又可分成SOHC 型和DOHC 型。前者只用一根凸轮轴来驱动进、排气门；而后者采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门。这种结构适用于进、排气门呈v 形排列的内燃机。凸轮轴的传动类型有三种：正时齿轮传动、正时链轮传动和驱动带传动。其中，正时齿轮传动主要用于要求长寿命和大载荷的内燃机，如船用、商用车和赛车内燃机；正时链轮传动，广泛应用于轿车内燃机，一般来说，它比正时齿轮传动机构噪音小：驱动带传动或齿形带传动是最新出现的传动方式，主要用于顶置凸轮轴内燃机上。2.1.2多气门技术配气机构的最新发展是改善燃料经济性，其关键在于如何提供更多的新鲜空气，多气门内燃机很早就已经出现了，但仅用于赛车，目的是减轻排气门的热负荷和机械负荷，但并未能在内燃机制造业得到推广。意大利布加奇公司首先创出具有四个排气门和一个进气门的内燃机。促进多气门内燃机产量迅速提高的原因在于自动控制技术的快速发展和生产的工艺水平越来越高，可以充分发挥多气门配气方案的优越性，保证内燃机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度送入气缸。多气门内燃机优点很明显，如图2用2个进气门取代1个进气门，流通截面加大30%35%以上，可大大改进充气系数。因此，多气门内燃机可以提高功率。4气门内燃机曲轴在中低转速范围内，扭矩一般比2气门内燃机大10%15%，高转速范围内大10%20%。多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率，还可以降低燃油消耗，减少排污。据分析，4气门内燃机燃油消耗比2气门内燃机燃油消耗低6%8%。图2.1 顶置凸轮多气门技术 图2.2可变气门正时配气机构2.1.3可变配气定时及气门升程技术常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和负荷条件下较为适合的配气相位，自然只达到一种转速最为有利。然而为了在更大的曲轴转速范围内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门开启相位可以改变、升程也可以改变，称作可变气门运动配气机构（VVT）。通过这套机构对配气过程的调节和控制，低、中转速时，活塞运动速度低，气流动力学特性差，因而要求“缩小”相位重叠角，以减少工作混合气倒流，保证低、中转速时扭矩曲线形状较好，可显著地降低燃油消耗率。在中高转速时，活塞运动速度快，气流动力学特性好，因而要求“放大”相位重叠角，废气排放彻底，进气量充分，可相应增加内燃机扭矩。显然，采用这一机构，可提高内燃机性能、降低污染、改善怠速性能。可变配气技术，从大类上分，包括可变气门正时和可变气门行程两大类，有些发动机只匹配可变气门正时，如丰田的VVT-i 发动机；有些发动机只匹配了可变气门行程，如本田的VTEC；有些发动机既匹配的可变气门正时又匹配的可变气门行程，如丰田的VVTL-i，本田的i-VTEC，通过这套系统的控制，发动机能够根据自身的运转状态进行适当的进气调整。实现可变气门技术有多种途径，按照有无凸轮轴可分为基于凸轮轴的可变气门机构和无凸轮轴的可变气门机构2 类。传统气门控制技术都是由凸轮轴机械推动的，电磁气门控制技术采用由电磁驱动的组件推动气门，根据ECU 需要进行动作，这也正是VTEC 等气门控制技术追求的最高境界。2.2 配气机构国内外研究现状：配气机构作为内燃机的重要组成部分，其性能好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。配气机构的作用是按照内燃机的工作循环与工作顺序的要求，控制新鲜气体及时地进入气缸，同时排除燃烧后的废气。一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值。随着汽车及发动机技术的发展，对配气机构也提出了更高的要求，其相关新技术也得到了发展。随着内燃机高功率、高速化发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。目前广泛采用的是气门凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。配气机构系统研究内容归纳起来主要有两个方面，一方面是零部件的设计，包括凸轮型线，气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计，其中又以凸轮型线的设计尤为关键，这是因为凸轮作为整个机构的原动件，它直接控制整个机构的运动。另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道。国内也在致力于研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题，主要表现在以下几个方面：（1）设计了许多性能优良的凸轮型线；（2）配气机构由刚性设计发展为弹性设计；（3）由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方面上，国内外都有很大的发展。2.3 配气机构的发展趋势2.3.1配气凸轮优化设计方法配气凸轮是影响配气机构工作状况的关键零件，如何设计和加工出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实际上是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决。配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数。凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力学优化设计，图2.3、图2.4 分别为双质量运动学模型与多质量动力学模型。系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述配气机构的运动和受力情况，并统一考虑机构动态参数与凸轮型线，从而实现凸轮型线优化设计。图2.3 简化阀系双质量运动学模型 图2.4 配气机构多自由度动力学模型2.3.2配气机构的优化前景从现阶段研究方向来看，配气机构中气门数目呈现多起门化，气门及其他配气机构零件材料向着陶瓷方向发展，气门弹簧的设计趋向于基于各种算法的优化设计；由于发动机紧凑性的要求，气门传动组的发展趋向于顶置凸轮轴式的发动机；配气机构的运动学分析中，凸轮型线的设计正在从静态优化设计步入到系统优化设计，而动力学分析也从最初的单质量动力学研究发展到多质量动力学。三 课题研究内容及实验方案3.1研究内容1、收集上汽大众EA888 1.8L发动机配气机构相关文献资料，并对其进行整理分析；2、根据设计参数，结合文献资料进行选型以及方案设计；3、完成所有参数的设计计算并对作强度校核；4、整理零件数据；5、绘制相应的零件图，完成毕业设计说明书的撰写；6、建总成三维模型，并对配气机构做仿真分析。3.2实验方案1.检索文献资料，市场调研，了解配气机构的开发与使用情况；2.进行配气机构（凸轮、轴、气门等）的结构方案分析，确定该汽车配气机构的结构形式；3.根据功能要求，进行配气机构总体布置设计：根据性能要求，分析确定凸轮型线类型、凸轮的外形尺寸、运动规律的分析和气门弹簧的弹簧力，并进行相关的性能分析计算；4.根据配气机构总体布置设计的结果以及零件的功能与性能要求，进行配气机构零件的图纸设计；5.根据配气机构零件图，绘制配气机构装配图；6.编写设计计算说明书，完成毕业设计（论文）。四 本论文（设计）的目标及工作进度4.1 目标具体来说，为保证配气机构有良好的工作性能，需要满足下列要求：1. 设置节气门、进气管，使空气进入配气机构；2. 设置凸轮轴，按照发动机各缸的做工次序、各缸工作循环和配齐相位的要求，定时开启和关闭各缸进、排气门；3. 设置排气管，三元催化器，使发动机废气可以排出；4. 使发动机有较高的充气系数；5. 具有良好的可靠性和耐久性；6. 振动和噪声小。4.2 工作进度安排11月21日 1月11日：收集相关上汽大众EA888 1.8L发动机配气机构的技术资料，并对其整理分析；1月12日 1月31日：据设计参数完成配气机构选型以及方案初步设计；2月1日 2月20日：完成参数的设计计算并校核；2月21日 3月1日：绘制总成装配图以及配气机构零件图；3月2日 3月11日：编写设计计算说明书；3月12日 3月20日：完成论文初稿，并交系里老师中期检查；3月21日 4月15日：
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