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关键词:
配气机构气门传动组凸轮轴
目录
1、配气机构的功用…………………………………………………………5
2、配气机构的设计要求……………………………………………………5
3、充气效率…………………………………………………………………6
一、凸轮轴的设计
1、凸轮轴的设计要求………………………………………………………6
2、凸轮轴的结构……………………………………………………………6
3、凸轮轴的布置形式………………………………………………………7
4、凸轮轴的选材……………………………………………………………7
5、凸轮轴的定位方式………………………………………………………7
6、凸轮轴的热处理工艺……………………………………………………7
7、凸轮轴的损坏形式………………………………………………………8
二、凸轮的设计
1、配气相位………………………………………………………………8
2、气门重叠………………………………………………………………9
3、气门间隙………………………………………………………………10
4、凸轮的设计时应满足的要求…………………………………………10
5、平面凸轮机构的工作过程和运动参数………………………………11
三、挺柱的设计
1、挺柱的结构……………………………………………………………12
2、挺柱的材料……………………………………………………………13
3、挺柱常用的型式………………………………………………………13
4、液压挺柱工作原理……………………………………………………13
5、凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防……………………………14
8、液压挺柱的维修………………………………………………………15
四、推杆的设计
1、推杆的作用……………………………………………………………15
2、推杆的结构形式………………………………………………………16
3、推杆尺寸设计…………………………………………………………16
4、推杆稳定性安全系数的确定…………………………………………16
五、摇臂的设计
1、摇臂的工作原理………………………………………………………17
2、摇臂的结构……………………………………………………………17
3、摇臂比…………………………………………………………………17
4、摇臂润滑………………………………………………………………17
5、摇臂的定位……………………………………………………………17
6、摇臂的材料……………………………………………………………17
六、配气机构的可变技术
1、可变气门正时及升程电子控制系统………………………………18
2、可变配气相位………………………………………………………18
3、凸轮轴气门驱动机构………………………………………………18
4、可变气升程…………………………………………………………19
五、三维视图
1、凸轮轴视图……………………………………………………………20
2、推杆视图………………………………………………………………21
3、摇臂轴视图……………………………………………………………22
4、摇臂视图………………………………………………………………23
5、挺柱视图………………………………………………………………24
参考文献…………………………………………………………………25
配气机构的设计---气门传动组
一、配气机构的功用
按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求,定时开启和关闭气缸的进、排气门,使新鲜可燃混合气(汽油机>
或空气(柴油机>
得以及时进入气缸,废气得以及时从气缸排出。
二、配气机构的要求
<
一)对于一个正常工作的配气机构应该具有如下的要求
1.进、排气门的时间足够大,泵气损失小,配气正时恰当,在排气过程中能较好的排出废气,进气过程中能吸入较多的新鲜空气,因而使发动机具有较高的充量系数和合适的扭矩特性。
2.振动、噪声较小,并且工作可靠和耐磨
3.结构简单、紧凑
4.为了减轻惯性负荷,使配气机构运动零件的质量减到最小
三、充气效率
在进气行程中,实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。
ηv=M/M0
M——进气过程中,实际进入气缸的新气的质量
Mo——在理想状态下,充满气缸工作容积的新气质量
一)凸轮轴设计的要求
1.正确的设计进排气凸轮的位置,实现配气正时,使柴油机正确的按照一定规律运转。
2.从柴油机的总体布局来设计凸轮的允许弯曲变形,合理的计算出支撑它的轴颈数目,轴颈的直径、和凸轮轴的最小直径尺寸。
3.选择合理的材料和热处理工艺,使它不仅有足够的刚度与韧性,而且要使凸轮和支撑轴的表面有合理的硬度,具有较好的耐磨性。
二)凸轮轴的结构
整体式凸轮轴,它的结构较紧凑,这种结构都是将凸轮轴从机体一端插入的,所以将它的两个支撑轴颈加工的尺寸大小是不同,前端的支撑轴颈尺寸大,后端的小些,而且前端轴颈的尺寸必须大于凸轮轴的高度,这样便于安装。
轴颈上安装滑动轴承。
三)凸轮轴的布置型式
因按照与轮轴位置分为:
凸轮轴上置、凸轮轴中置、凸轮轴下置
1.凸轮轴上置式特点:
凸轮轴与气门距离近,不需要推杆、挺柱,使往复运动的惯量减少。
应用高速发动机
2.凸轮轴中置式传动方式:
凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂,省去了推杆
应用:
适用于发动机转速较高时,可以减少气门传动机构的往复运动质量
3.凸轮轴下置
缺点:
凸轮轴与气门相距较远,动力传递路线较长,环节多,因此不适用于高速发动机。
优点:
简化曲轴与凸轮轴之间才传动装置,有利于发动机的布置
(四)凸轮轴的选材
因为凸轮轴要承受气门间歇性开启的周期性冲击载荷,必须要有足够的强度和韧性,同时还应具有一定的耐磨性,才能让发动机在正常的工况下工作,选择碳钢,一般选择45钢就可以满足要求了。
五)凸轮轴的定位方式
定位的原因:
由于汽车的上下坡或者在加速的时候,都可能使凸轮轴发生轴向窜动为防止由此引起的对配气定时的不良影响,需要采用轴向定位措施。
六)凸轮轴的热处理工艺
1.渗碳
2.机械加工
3.高频淬火<
回火)
4.氧化处理
(七)凸轮轴的损坏形式
1.支承轴颈的磨损
2.凸轮表面的磨损、刮伤和点蚀
虽然瞬时的打开和关闭气门能够获得最大的时间截面,但是这样做会使零件产生很大的惯性力。
因此在设计配气机构时选用这样的凸轮型线,使它保证可以有足够的气缸冲量的同时,同时也保证运动零件的惯性力数值在允许的范围内。
(一>
配气相位
以曲轴转角表示的进排气门开闭时刻及其开启持续的时间,称为配气相位
配气相位是影响充气效率的重要因素之一,直接影响发动机的动力性和经济性。
理论上,四冲程发动机的进气门当活塞处于上止点时开启,下止点时关闭;
排气门则当活塞在下止点时开启,上止点时关闭。
进气时间和排气时间各占
曲轴转角。
但实际由于发动机转速很高,活塞每一行程历时相当短。
在这很短的时间内换气,导致进气不足,排气不净,从而发动机功率下降。
实际上,气门的开闭时刻并不是恰好在上、下止点,而是提前开、迟后关一定的曲轴转角。
因此,现在发动机普遍采用延长进、排气时间的方法,以改善进、排气状况,从而提高发动机的动力性。
α进气门早开角:
进气顺畅
β进气门晚关角:
利用惯性,增加气量
γ排气提前角:
尽早自由排气
δ排气迟后角:
利用惯性,减少废气残余
α
10°
~30°
β
40°
~80°
γ
δ
注:
汽车构造书上查得
<
二)气门重叠
由于进气门在上止点前开启,而排气门在上止点后才关闭,这就出现了一段时间内进、排气门同时开启的现象,这种现象为气门重叠,同时开启的曲轴转角(α+δ>
称气门重叠角。
在这一重叠角内,由于进气歧管内的新鲜气流和排气歧管内的废气气流的流动惯性都比较大,致使气缸内的气体在短时间内是不会改变流向的。
所以只要气门重叠角选择适当,就不会有废气倒流入进气歧管和新鲜气体随同废气排出的可能性。
增压柴油机气门重叠角可选择大一些。
因为增压柴油机进气压力较高,废气不可能进入进气歧管,并且可利用新鲜气体将废气扫除干净。
不同发动机,由于结构形式、转速各不相同,因而配气相位也不同。
同一台发动机转速不同也应有不同的配气相位,转速越高,提前角和迟后角也应越大。
通常根据发动机性能的要求,通过实验确定该发动机在某一常用转速范围内较为适合的配气相位。
对发动机性能影响最大的是进气迟后角β。
β过小,进气门关闭过早影响进气量;
β过大,进气门关闭过晚,进入气缸内的气体重新又压回到进气道内,影响发动机的进气量。
为获得发动机高转速、大功率,要求配气机构有较大的进、排气持续角度,特别是进气迟后角要大,充分利用流动惯性,多进气;
为了获得发动机低转速、大转矩,进气迟后角要小,防止低速倒流;
为获得中小负荷较好的燃油经济性,气门重叠角应小。
若能同时满足上述要求,配气机构应装有可变配气正时系统。
(3)气门间隙
1.气门间隙的含义
气门间隙是指在气门处于关闭状态时气门与传动件之间的间隙.发动机工作时,气门因温度升高而膨胀。
如果气门及其传动件之间,在冷态时无间隙或间隙过小,则再热态下,气门及其传动件的受热膨胀势必会提前顶开气门,从而引起气门关闭不严,造成发动机在压缩和做功行程中漏气,使功率下降或烧毁气门,严重时甚至不易起动。
为此,在装配发动机时,使气门与传动件预留适当的间隙,以补偿气门受热后的膨胀量。
一般在冷态时,进气门间隙为0.25?
0.30mm,排气门间隙为0.30~3.35mm。
2.气门间隙过大、过小的危害
气门间隙的大小,对发动机的工作和性能影响很大。
如果间隙过小,发动机在热态下可能因气门关闭不严而发生漏气,导致功率下降,甚至气门烧毁;
如果气门间隙过大,则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击声,并加速磨损,同时也会使气门开启的持续时间减少,气缸的充气以及排气情况变坏。
3.气门间隙的调整
调整方法有逐缸调整法和快速调整法。
调整时,挺住必须落在凸轮的基圆上
(三)凸轮的设计时应该满足以下的要求
1.?
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图1
挺柱的作用是按凸轮的运动规律推动传动机构,同时承受凸轮的侧向压力,并将凸轮的推力传递给推杆或气门杆,推动推杆或气门克服气门弹簧的作用力而运动。
特别是挺柱的底面,由于和凸轮表面接触的面积很小,接触应力很大,表面磨损很大,甚至可能刮伤,因此挺柱侧面以及底面要求耐磨。
形状是筒型,这种结构可以减轻它的质量,从而达到减小它的往复惯性力。
它的这种结构同时也保证凸轮轴在旋转时,挺柱底面所受的偏心切向力使挺柱产生旋转运动,保证工作表面的磨损时很均匀的挺柱的轴线相对于凸轮的轴线的偏移量为1~3。
二>
挺柱的材料
三)挺柱常用的型式有
整体式挺柱、滚轮式挺柱和液压挺柱
1.整体式挺柱以一个整体零件的形式传递运动,它是为轻型气缸设计的,常见的形式有菌形挺、平面挺杆和筒形挺杆三种,机械挺柱为桶形,取消了原有垫片调节式机械挺柱配气机构中的垫片,取而代之是将机械挺柱的内腔中心一体成型一凸台,直接与气门杆顶端相抵,其厚度相当于原有垫片的厚度,即挺柱变成了整体式,同样可以达到对气门间隙的调整,保证发动机的正常工作运转。
因此本结构减少了原有结构的零件数量,降低了加工难度,更容易保证质量,降低成本。
2.滚轮式挺柱与整体式挺柱很相似,区别在于下部装有滚轮,通过滚轮在凸轮轴上滚动而不是滑动,降低了摩擦力,而且载荷分配更均匀,主要用于高压缩比的柴油发动机和赛车发动机上。
以上两种挺柱的发动机都必须有调整气门间隙的措施。
气门间隙解决了材料热膨胀对气门工作的影响,但在发动机工作时发生撞击而产生噪声。
为了解决这一矛盾,有些发动机采用了液压挺柱。
3.液压挺柱外形及结构由挺柱体、油缸、柱塞、球形阀、压力弹簧等组成
(?
>
1.表面刮伤
刮伤的原因:
由于凸轮和挺柱让润滑情况恶化引起的
防止的方法
1)改善润滑:
保证在凸轮与挺柱面间经常供给黏度、成分、温度和数量均匀合适的润滑油;
采用具有特殊添加剂的润滑油;
使凸轮与挺柱的接触面光洁度尽可能的高一些;
2)降低接触应力:
尽量减轻配气机构的往复运动质量;
增加凸轮的刚度。
采用弹性模量较小的但有较高硬度和强度的金属作为凸轮和挺柱的材料。
3)表面磷化处理
4)凸轮、挺柱的化学成分及其金相组织的选择适当
5)采用热导性好的材料
2.?
发生的主要原因:
点蚀是金属的疲劳过程。
预防的措施:
1)改善润滑;
2)降低接触应力;
3)降低残余应力;
4)材料的化学成分和金相组织;
5)采用热导性好的材料<
6)材料内部应尽量减少气泡。
夹渣等缺陷。
7)提高材料的抗疲劳强度和抗腐蚀能力。
凸轮磨损有两种情况:
1)是一个缓慢的抛光过程,最后形成一个硬而光滑的摩擦表面。
这种抛光的过程常开始于凸轮廓线零加速度的位置,而止于凸轮廓线的顶端之前,顶端不会被磨平。
2)随着时间逐渐或迅速磨损下去,直至影响发动机的性能。
不正常的迅速磨损,严重者则在几个小时内即可将凸轮定磨平。
六)液压挺柱的维修
1.检修液压挺柱时应注意:
液压挺柱与承孔的配合间隙一般为0.01-0.04mm,逾期后应换挺柱。
2.发动机总成修理时,如气门出现开启高度不足时,一般应更换挺柱。
有条件时,可按照原厂规定在液压实验太上,将规定的压力施加与液压挺柱上方的圆座上,检查液压挺住的柱塞向下滑移规定的距离所需的时间,此时间过短,即发动机维护时,出现气门开度不足时,可专用的工具排完液压挺柱内渗入的空气,恢复气门的最大升程。
3.使用液力挺柱的发动机应注意以下问题
1)对润滑油的压力和滤清质量要求较严格。
当润滑油压力过低时,补油能力下降,气门间隙大;
2)液力挺柱拆洗后,装机前必须人工排气,否则起动困难
3)冷机或停放时间长时,起动后有短暂气门响声,这是正常现象
4)结构复杂,加工精度要求高
5)磨损后无法调整间隙只得更换
.?
根据发动机的结构,它的长设计为150mm,直径8mm,球头半径3.75mm。
才可以满足其要求。
推杆的纵向弯曲按下列计算
式中:
P—作用于推杆上的临界力
E—推杆材料的弹性模量
J—推杆中央横断面的惯性力
—推杆的外径
—空心推杆的孔径
L—推杆的长度
(一)摇臂的工作原理
它是一个双叉形臂杠杆,两臂承受较大弯距应力,设计时应保证有一定的抗弯强度并保证在轻质量下具有好的强度和刚度。
即摇臂的重量尽可能轻而刚度尽可能大。
T?
I?
摇臂有长、短臂之分,长短之比成为摇臂比,其值在1.6左右。
长臂推动气门的杆端,短臂端螺孔中装有气门间隙调节螺钉和锁紧螺母,气门间隙调节螺钉的球头与推杆上端凹球端头接触。
(六)摇臂的材料
QT60—2<
σb=60MPa,?
δ=10%)?
6、配气机构的可变技术
可变技术(VariableTechnology>
是指随着使用工况及要求的变化,或者为了解决矛盾及避免内燃机不正常工作现象的出现,使相关系统的结构或参数作相应的变化,从而使内燃机在各种工况下,综合性能指标能大幅度地提高,而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。
(1)可变气门正时及升程电子控制系统
可变气门正时及升程电子控制系统,简称VTEC,是一种采用在一根凸轮轴上设计两种不同定时和升程的凸轮<
高速凸轮和低速凸轮),采用特殊设计的摇臂,根据发动机转速的高低,自动切换凸轮,使摇臂分别被高低速凸轮驱动,达到了配气正时和气门升程可变的目的。
凸轮是利用油压装置进行切换的。
二)可变配气相位
传统内燃机配气相位在内燃机运转过程中是固定不变的,不能同时兼顾各种转速的要求,也就很难达到真正的最佳配气相位。
而采用可变配气相位则可以在内燃机整个工作范围内,提供合适的气门开启、关闭时刻或升程,从而改善内燃机进、排气性能,较好地满足高转速和低转速,大负荷和小负荷时的动力性、经济性以及废气排放的要求。
综上所述,可变配气相位改善内燃机性能,主要体现在以下几个方面:
1>
能兼顾高速及低速不同工况,提高内燃机的动力性和经济性。
2>
改善内冉机怠速及低速时的性能及稳定性。
3>
降低内燃机的排放。
目前有两类可变配气相位机构,一类为可变配气相位,这类方法能提高中、低速转矩,改善低速稳定性,但由于最大气门升程保持不变,所以对燃油经济性改善不大,在此不作详细论述。
另一类为在低速和高速时应用不同的凸轮来同时调节配气正时和气门升程,并对高速凸轮和低速凸轮及工况转换点同时进行优化,使内燃机在整个转速范围内获得良好的性能。
三)凸轮轴气门驱动机构
绝大多数活塞式内燃机是采用传统的机械驱动凸轮结构来驱动进排气门的,其气门的升程、配气定时一般是基于某一狭小工况范围发动机性能的局部优化而
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