凸轮型线设计

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1、17 1内燃机课程设计凸轮说明书题 目 90kW 四行程四缸汽油机凸轮型线设计学 院 机电工程学院 专 业 热能与动力工程专业 班 级 热动 1002 学 号 姓 名 指导老师 刘军 日 期 2013-6-25 17 290kW 四行程四缸汽油机凸轮型线设计前言四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构，其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出。其中，凸轮机构作为机械中一种常用机构，在自动学和半自动学当中应用十分广泛，凸轮外形设计在配气机构设计中极为重要，这是由于气门开关的快慢、开度的大小、开启时间的长短都取决于配气机构的形状。因此，

2、配气凸轮的外形设计和配气凸轮型线设计就决定了时间的大小、配气机构各零件的运动规律及其承载情况。任务书首先对凸轮进行设计，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方程凸轮运动规律进行凸轮型线的优化设计，建立数学模型，并设计图论过渡段和绘制图轮廓图。凸轮的设计1.给定的参数及要求（1）凸轮设计转速 nc=4636r/min； （2）进气门开启角 233（曲轴转角） ， 凸轮工作段包角116.5；（3）排气门开启角 220（曲轴转角） ， 凸轮工作段包角110；（4）气门重叠角 15（曲轴转角） ，凸轮转角 7.5；（5）凸轮基圆直径 28mm；（6）进气门最大气门升程 hvmax=8.2，排气门最

3、大气门升程 hvmax=8。2.凸轮型线类型的选择配气机构是发动机的一个重要系统，其设计好坏对发动机的性能、可靠性17 3和寿命有极大的影响。其中凸轮型线设计是配气机构设计中最为关键的部分，在确定了系统参数后，重要的问题是根据发动机的性能和用途，正确选择凸轮型线类型及凸轮参数。凸轮型线有多种，如复合正弦，复合摆线，低次方，高次方，多项动力，谐波凸轮等。其中，高次方、多项动力、谐波凸轮等具有连续的高阶倒数的凸轮型线，具有良好的动力性能，能满足较高转速发动机配气机构工作平稳性的要求。由于凸轮设计转速为 nc=2318 r/min，即每分钟凸轮轴转 2318 圈，属于高速发动机，且为使发动机运动件少

4、，传动链短，整个机构的刚度大，因此我们用双圆弧凸轮的凸轮轴上置式配置机构。由于四冲程发动机每完成一个工作循环，每个气缸进、排气一次。这时曲轴转两周，而凸轮轴只旋转一周，所以曲轴与凸轮轴的转速比或传动比为 2:1，即由上式已知可知曲轴的转速为 2318*2=4636r/min。3.计算凸轮的外形尺寸图一 圆弧凸轮的几何参数示意图17 4由上图可知，圆弧凸轮有五个参数：基圆半径 r0= ，腹弧半径PRr1= ，顶弧半径 r2= ，基本工作段作用角QPR=2 0和挺住最大升程OACBhtmax。其中有题中给出的已知数据有基圆半径 r0、 基本工作段作用角 2 0和最大升程 htmax。为使圆弧凸轮能

5、可靠地工作，凸轮型线外形应连续圆滑，这就要求各段圆弧在交接点处有公切线或公法线，所以各几何参数之间有一点的约束。凸轮型线连续圆滑的条件是：腹弧与顶弧的交点 B、顶弧圆心 C、腹弧圆心 O，这三点应在一条直线上。根据余弦定理，从 OPC 中可得（1）OPC cos2-PCO2由凸轮的几何关系可知=r1-r0=r0+htmax-r2P=r1-r2OC=180o- 0将上式代入（1）可得公式（r 1-r2） 2=（r 0+htmax-r2） 2+（r 1-r0） 2+2（r 0+htmax-r2） （r 1-r0） cos 0 （2）可见，在五个参数中只有四个可以预先选择，其余一个必须满足上式要求。

6、基圆半径 r0、 基本工作段作用角 2 0和最大升程 htmax都为已知值，可以设计出凸轮的外形。基圆半径 r0根据凸轮轴直径 dt决定，为了保证加工和维修的可能，常取r0=0.5dt+13mm。可知凸轮轴的直径为 2226mm。我们取凸轮轴的直径为24mm。凸轮作用角 2 0 决定于已选定的配气机构，对进气凸轮有：2 0 =0.5（180 o+ 1+ 2）式中 1-进气提前角，单位（ o） ；17 5 2-排气提前角，单位（ o） 。对排气凸轮有：2 0 =0.5（180 o+ 1+ 2）式中 1-进气提前角，单位（ o） ； 2-排气提前角，单位（ o） 。挺住的最大升程 htmax决定与

7、气门所要求的最大升程 hqmax。qmaxtaxi1式中 i-摇臂的摇臂比，一般 i=1.21.7，常用为 1.5.在凸轮直接驱动气门的顶置凸轮轴式气门机构中，i=1.由于 r0、 2 0、 htmax三个参数在设计凸轮型线之前已初步确定，所以双圆弧凸轮的设计，实际上是在 r1、r 2两个参数中任选一个，确定一个即可。由于 r1的选择范围很大，而 r2的选择范围很小，所以先选 r2再选 r1是很合理的。在选择 r2时，应注意不要使 r2过小，以免凸轮变尖，导致凸轮尖端处接触应力过大，而使凸轮与挺住一对摩擦副产生早起损伤。凸轮在长期使用尖端磨损超过极限后，必须重新磨削，因此必须留下磨削欲量。一般

8、认为 r2min应大于 2mm。（1）进气凸轮的设计：设定进气凸轮的 r2=4mm，则有：（r 1-4） 2=（14+8.2-4） 2+（r 1-14） 2+2（14+8.2-4） （r 1-14） cos（58.25 o+7.5 o）r12-8r1+16=18.22+r12-28r1+196+2*18.2*（r 1-14）*0.411解，得5.0396r1=301.7944r1=59.885mm如下图所示：17 6图二 进气凸轮的尺寸（2）排气凸轮的设计：设定排气凸轮的 r2=3mm，则有：（r 1-4） 2=（14+8-4） 2+（r 1-14） 2+2（14+8-4） （r 1-14）

9、cos（55 o+7.5 o）r12-8r1+16=182+r12-28r1+196+2*18*（r 1-14）*0.462解，得3.368r1=271.152 r1=80.508mm图三 排气凸轮的尺寸运动规律的分析下面进一步分析凸弧凸轮平面挺柱的运动规律，也即平面挺柱的升程 ht、速度 vt、加速度 at在凸弧凸轮型线上随凸轮转角 的变化规律。17 7r180a2121mxDOsin210axsinsi）（ OAAh132121t1 图四 凸弧凸轮平面的升 程 为分析方便，计算分段进行。 第一阶段（即挺柱与腹弧相接触的阶段） ，当挺柱在 A 点相接触（=0）的时刻起即开始上升（图四中） ，

10、当凸轮转过 角时，挺柱的升程为 （3） 式中 1=r1 r032 ） （ cos1cosr0111 代入（3）得 trrh0101 经整理得 cost1 第一阶段凸轮的最大转角 max由 OO 1O2的关系决定，即 由此得 在计算挺柱第二阶段（即挺柱与顶弧接触段）的升程时（图四） ，为方便计算，凸轮转角将由相当与气门全开位置 C 点开始，逆着凸轮的旋转方向计算。在 角处挺柱的升程为17 8rrCOCh 023232121 Dcost2 sindthrv01t1t1Dsindtht2t2vcosdtvra012tt1t1 Dcosdtv2t2t2a同时加减一个 htmax，则得cos1Dtmax

11、t 第二阶段凸轮的最大转角 max按下式计算ax0ax将上面所得的挺柱升程与转角关系对时间求导，可得相应转角的速度。挺柱在第一段上的速度为式中 凸轮旋转角速度，t在第一阶段上，挺柱速度在 时达到最大值。max在第二段上挺柱速度为在第二段上，挺住速度在 max时达到最大值。在第一段上挺柱的加速度为在第一段上，挺柱加速度在 a=0 时达到最大值。在第二段上挺柱的加速度为17 9在第二段上，挺柱加速度在 =0 时达到最大值。图五 第一阶段挺柱的速度图六 第二阶段挺柱的速度图七 第一阶段挺柱的加速度17 10图八 第二阶段挺柱的加速发动机进气凸轮型线 发动机挺柱的升程图九 凸轮整体运动情况图十 凸轮工

12、作段的情况17 11配气机构在实际运动过程中，运动从凸轮开始， 经过一长串传动链才传到气门。过去在进行气门运动规律的计算时，人们通常把配气机构简单地视为刚性系统，认为气门的运动完全受凸轮外形控制，只要确定了凸轮从动件的运动规律，求出升程曲线丰满系数及最大正、负加速度，就足以判别凸轮设计的优劣，因而只进行运动学计算，是一个纯几何问题.但是，由于传动链本身具有一定的质量和弹性，工作时产生的弹性变形会使位于传动链末端气门处的运动产生很大畸变，即气门的升程、速度，特别是加速度曲线“失真”.气门的运动有时滞后于挺柱，有时又超越挺柱，使传动链脱节，气门开闭不正常、反跳，整个机构震动和噪音加大，甚至机构的正

13、常工作遭到破坏。随着发动机转速的提高，这种因传动链变形而产生的不利影响尤为明显，因此有必要对内燃机配气机构进行动力学分析，以便对配气机构的动力学性能进行评价，为配气机构的设计提供一种评价的理论依据。为了验证所设计的型线符合动力学要求，对所优化的新型线进行了动力学仿真。上图图是根据运动学与动力学分别计算出来的加速度，可以看出，挂动学公式计算的加速度与动力学差异比较大，说明对凸轮进行动力学仿真确实是非常必要的高次多项动力凸轮升程曲线数学模型的建立由于该发动机是一高速发动机，因此重点对高次多项式凸轮和多项动力凸轮进行分析对比17 120vVdh2v03dhv4v首先从设计期望的气门升程规律开始，其气

14、门升程函数一般采用七次多项式，其形式为： xCxCSRQP420ah 式中，-为凸轮转角（ o） ； B-为凸轮基本工作段的半包角（ o） ；h(a)-为气门升程；x-为转角比，在凸轮的上升阶段：x=1-a/a B,有 a=0 时，x=1，= B时，x=0；在下降阶段：x=a/a B-1。C2x2-此项保证在气门升程最大处有一最大负加速度，因此要求 C20；C4x4-自由项，C 4可自由选取。用于控制气门负加速度的曲线形状，使其与气门弹簧特性很好配合。通常要求 C40，一般取 C4=（0.10.2）hVmax，h Vmax为最大气门升程。C 4增加可使最小曲率半径相对称轴移动。P、Q、R、S 为多项式指数，均为正整数；在高次七项动力凸轮中，一般应保证：8PQRS70C0、C 2、C 4、C P、C R、C S 为 方程特定系数，由边界条件建立的代数方程可解出。解出的待定系数都是 P、Q、R、S 表示的函数式。C4=（0.10.2）h Vmax，这样只有六个待定系数，需六个代数方程式，其边界条件为：1）a=0 时，h v=0；2）a=0 时，3）a=0 时，4） a=0 时，5）a=0 时，