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1、第? ?卷?年?第?期内燃机工程? ?飞?顶置凸轮轴式配气机构设计的若干问题袁银南?江苏理工大学? ? ? ? ? ? ? ? ? !? ? ? ? ? ? ? ? ! ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? !? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?摘要详细介绍 了一种目前使用较多且传动较为特 殊的 顶五凸轮轴式配气机 构的运动学计算方 法。同时认为在高速发 动机土,以气门升程 为? ?时的曲轴转角来衡全配气相位和丰满来数较 为合理?高速配气机 构设计 中一个不 可忽视的薄弱环节是气门间隙调整螺?丁头部
2、的挤压波劳。叙词?运动学配气机构发动机? ? ? ? ? ?概述传统的凸轮一挺柱一推杆一摇臂一气门这样的一种下置凸轮轴式配气机构,由于其动力特性较差,在现代高速发动机上已基本不再被采用,取代的是使用同步齿形带或链传动的顶置凸轮轴式配气机构。以高速和 顶置为特征的这种机构,在运动学计算、设计要求、系统评价、限制因素等方面均与传统机构有所不同。顶置凸轮机构有各种结构型式,其运动学关系因不 同的结构型式而异。因此,这种机构的运动学问题较为复杂。文献? 介绍 了凸轮处在摇臂枢轴与气门中间的结构型式的运动学关系。作者根据设计实践,对 一种近年来应用较多、有别于文献?,?所介 绍的顶置凸轮机构如第?作者袁
3、银南江苏理工大学汽车学院江苏省镇 江市邮码?收稿日期? ? ?一?一? ?内徽机工程第? ?卷第?期下 内容进行了探讨? ?变摇臂比顶置凸轮轴式配气机构升程的精确确定。? ?摆动式凸轮从动件与移动式凸轮从动件的升程转换。? ?配气相位及丰满系数。? ?配气机构中的薄弱环节。?顶?凸轮轴式配气机构升程的确定近年来,对采用?气门、半球形燃烧室的高速发动机,因组织进气滚流、总体结构设计及实现可变正时等的需要,常采用图?所示的一种顶置凸轮轴式配气机构。这种机构与文献【?,幻介绍的直接驭动式顶置凸轮机构等有较大区别。主要体现在凸轮表面与摇臂的摆 动式圆柱面、气门尾部与气门间隙调整螺钉球头之间既有滚 动,
4、又存在着滑动,摇臂比在不断变化。从而使机构的运动学关系难以确定,给设计和研究工作带来了困难。运动学计 算是动力学计 算和各种特征参数计算的基础,因此无论是理论上还是工程实践中,均有必要对图?所示机构进行精确的运动学计算。对图?所示机构,其气门升程和凸轮运动之间的关系可分两步求出。第?步先建立气 门升程与摇臂摆动角度之间的联系?第?步再求出凸轮转角与摇臂摆动角度 之间的关系,从而得到凸轮转角与气门升程的对应关系。冬冬 丫, ,图?顶?凸轮轴式配气机构在图?中,设摇臂轴中心为?凸轮轴中心为?,坐标为? ?,?摇臂圆柱面中心为?,坐标为?,y: ),该圆柱面与凸轮表面接触,柱面半径为R。;气门间隙调
5、整螺钉球头的球面中心为O:,坐标为(x ay3),球面半径为Rv.1:为气门中心线, l:为气门间隙调整螺钉的中心线。过 03且平行于气门尾部顶平面的直线为l。, l:与l,的交点为D,坐标为(x。,y。),显然, l。与气门尾部顶平面的距离为R二,过O点且垂直于l:的直线为l, l与12的交点为E,坐标为(x二,介)。过O点作直线叽平行于l,l:与 蚝的交点为T。l:与y轴的夹角为氏,则巧与y轴的夹角亦为夕,且夕,为常数。 l:与y轴的夹角为氏,则l与x轴的夹角亦为氏。其余几何关系如图l所示.在图1中,直线l:通过E点的点斜式方程为气不万十Sl n几y eos久之E sin久(1)直线l:通
6、过D点的点斜式方程为y0sins:XDeos夕-y sins,( 2)联立求解方程(1)、(2 ),可求得12和l。的交点O。在任一时刻的坐标为年6月袁银南:顶里凸轮轴式配气机构设计的若干间题x二e o s口,e oss: +少。sin夕Zeoss:+xosin81sin82一少。sin氏eoso;X3-eoss,e os氏+sins,sin氏eos久(3) y3一 (粤琴旦+早今)sl n口2cos口2从而可得 0 03= (x3 +夕3)/,乃z犷n尸一、百一叭少一ar c“( 00:为常数) (4)y3 之火3当摇 臂圆柱面与凸轮基圆相接触时,设气 门升程为零,此时, O:位于O:。,坐
7、标为(x:。,少2。),o:位于03。,坐标为(x3。,3。 ),氏等于几。,夕等于 月。,外等于乳。,外等于升。, l:位于12。, OT等于O T。,如图2所示。根据几何位置关系,这些参数可在配气机构的零件图及装配图上确定。若气门升程由零变为 L .,则O:移 动至O扩,坐标为(xf,脚),仍等于好,外等于石,03运动至Oa,坐标为(x3,为), 6:等于叮,夕等于口, O了,等于6口, l:位于l z,如图2所示。此时有L V= 0 7,一 O T= 汉3(。0 5风一。0 5夕)(5)且根据式(4 )得风一 (粤一 6, )一乙ac n哉,乙乙大二笋笋:阅阅 一一了、1 1 1(6)图
8、2气门、凸轮升程与摇粉摆 角夕的关系,一 晋一“1, 一arcsn(2王O O、/、产叮00了、 Z、至此,在式(5 )中建立了气门升程L;的变化与摇臂摆角夕变化之间的关系。再确定以下凸轮升程与摇臂摆角之间的联系。根据图1、图2给定的几何关系可得人, =火2(sin,2一sin丹。)。_。_ _。_._ :_,_:_.勿、,L .v,c osp一,cosL p一分。一arcsn、5“做。,丽夏夕“从而 可得摆动式圆柱面 中心O:与凸轮轴中心O,之间的中心距。, 02与气门升程L,之间的关系即 0102,一 0 012+0 022一 20 01002一。一风+一(。5风一毅)1/2(9)显然,
9、01 0:的变化规律完全是由凸轮型线决定的。从式(9 )可见,若给定了气门升程L,的变化规律,则可求得O:的运动轨迹,从而得到凸轮的外形廓线。反之,根据凸轮型线,可求出对应的气门升程。至此,便得到 了凸轮型线和气门升程的精确对应关系。3摆动式凸轮从动件与移动式凸轮从动件的升程转换式(9)建立了气门升程和凸轮外形廓线之间的对应关系。但在凸轮轴的实际加工、检验过内燃机工程第 1 7卷第2期程中,所需要的是移动式平底挺柱或移动式滚轮挺柱从动件而是摆动式从动件)的升程。因此,须将摆动式圆柱面从动件的升程转换成移动式凸轮从动件的升程,如此才能在生产实际中具有使用价值。在确定摆动式圆柱面从动件的升程 H、
10、凸轮转角a与移动式平底(或滚轮)从动件的升程H、凸轮转角a l之间的关系时,可采用两种方法换算。一是针对 H、a,求出同一凸轮转角下的H、a ( a一口)。二是由已知的 H、a,拢出 H、a与 H、a之间的联系,从而实现 H、a到H、厅之间的转换。此外,由于 生产过程中加工、检验手段的不同,有的希望转换成移动式平底挺柱的 升程,有的要求转换成移动式滚轮挺柱的升程,分别说明如下。在升程换算时,作如下假设(见图3):(a )摆动式圆柱面、移动式滚轮的半径相同,均为R。;( b)驱动摆动式圆柱面从动件 的凸轮转角及驱动移动式平底(或滚轮)挺柱从动件的凸轮转角,均以 凸轮最高点算起。即从动件与凸轮最高
11、点接触时,凸轮转角为零;(c )摆动式 圆柱面从动件处于最大升程时,其中心为O:;.此时,对应的移动式滚轮的中心为02:,移动式平底挺柱的中心线通过。22,。:处 于O:的运动轨迹上(见图4);( d)凸轮廓线的法线与挺柱运动方向 之 间的夹角(压力角)为拜。3.1换算成移动式滚轮挺柱从动件升程在图3中,当摆动式圆柱面中心从。21运动至。22时,对应的凸轮转角为a,摆动式圆柱面从动件的升程从。, 02 :改变为。;。:,因而此时移动式滚轮从动件对应的凸轮转角为口,升程为H。从图3可知,在已知摆动式圆柱面从动件的运动规律后,即可求出移动式滚轮从动件的运动规律耳、仅O, 02 :一y o一 Re=
12、a一 (k一k。 )(10)3.2换算成移动式平底挺柱从动件的升程在图4中,过01作直线平行于接触点S处的法线,该直线与凸轮基圆相交于 Q 点。因此直线OIQ与y轴的夹角与压力角拌相等.5仇2等于R。过S点作切线l,再过Q点作凸轮基圆的切线l:,则l:平行于l,。 l:与l:之间的距离,即为等效的移动式平底从动件的升程H。当摆动式圆柱面中心从。2;运动至。位置时,对应的凸轮转角为a,摆动式 圆柱面从动件的升程从O, 02 :改变为0102 :。而此时移动式平底挺柱从动件对应的凸轮转角为a,升程 为H.。因此对应关系为H一01022Co“一 (R+y o)a一(a+产)一 (k一k。)(11)根
13、据压力角的定义,当O:为摆动式圆柱面的中心时,有1., _、,_dk、产一“r c tg L石;石妥 dL口,口,)/气l一而)“aJ(1 2)据图3的几何关系,可求得dk 而-O, 02 2 +00: 2一0 0:22凸9,O, 02,们不了d(0102) da(13)年6月袁银南:顶置凸轮轴式配气机构设计的若干 问题图3移动式滚轮挺柱升程图4移动式平底挺柱升程式中乙一火, 2 +O, 02 2一 0 0220 0,0202从而可得d (0102)daO1.火2.s in妈010:趁火,3VI一 (eo s风一L。八火3)d几.刁万(14)因此,若给出凸轮型线函数,则摆动式圆柱面中心O:的运
14、动规律便完全确定,可得到。, O:一人 ( a)。根据前面的推导,气门升程也就随之而定,即可得L。一人(a )及d几/ da。根据式(14),将d (o, 02 )/da代入式(13),可求得d走/da,再代入式(22),即可求出压力角产。因此,移动式平底挺柱的运动规律可由式(11)完全确定。4配气相位及丰满系数配气定时是影响发动机换气品质的主要因素之一。因此进排气门开启、关 闭时刻(即配气定时),必须与进排气 门开启规律、气道设计、管道内气体流 动状态、扫气要求、换气功损失等相适应。高速发动机常采用 多项动力凸轮或N次谐波凸轮等函数凸轮。此时缓冲段及小升 程工作段所占的凸轮包角一般较大。图5中实线所示为一采用N次谐波凸轮的高速发动机配气相位图,下表为该凸轮的缓冲段升程值。从图5及表可见,由于凸轮缓冲段及小升程工作段所占凸轮包角较大,缓冲段及小升程工作段包角的变化对配气相位的影响较大,因此已很难看出配气相位对换气过程的真实影响,不同凸轮型线之间在配气相位方面也就缺乏可比性。内燃机工程第1 7卷第2期衰级冲段及小升程工作段凸轮升程凸凸轮转角, CaA A A升程, mm 凸轮转角,丫油A A A升。,m m l l l凸轮转 角广C池A A A升程, mm【凸轮转角,. CaA A A
