最新版DOHC型汽油机VVT机构设计毕业设计.docx
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最新版DOHC型汽油机VVT机构设计毕业设计
毕业设计(论文)
题目DOHC型汽油机VVT机构设计
院(系)机械与动力工程学院
专业班级
学生学号
指导教师职称
评阅教师职称
2014年6月6日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
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6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
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图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
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5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
3)其它
学生毕业设计(论文)原创性声明
本人以信誉声明:
所呈交的毕业设计(论文)是在导师的指导下进行的设计(研究)工作及取得的成果,设计(论文)中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计(研究)所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计(论文)作者(签字):
年月日
摘要
随着科学技术和经济的发展,人类基于环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗、低污染和动力性已成为汽油发动机的发展方向。
可变配气相位技术已成为新技术发展方向之一。
本文在综合探讨和了解国内、外发动机可变配气相位技术发展基础上,具体介绍可变配气相位(VVT)技术在四冲程四气门摩托车发动机上的应用以及使用的优点。
由于摩托车在我国的发展以及我国道路等多种因素的影响,摩托车发动机在多工况下变换运转较多,对研究摩托车发动机可变配气相位的基本原理、控制模式和执行机构的工作原理,探讨运用可变配气相位技术前、后对发动机性能的影响是非常有必要的。
同时针对双顶置凸轮轴型(DOHC)摩托车发动机设计了一种适用的可变配气相位机构,该机构主要由双进气气门、双进气凸轮、双进气挺柱及正时切换机构组成,可以使双进气凸轮和双进气挺柱根据不同运行工况由正时切换机构进行切换。
本次设计的可变配气相位(VVT)机构,在低速低负荷工况下,采用低速凸轮型线工作,可缩短气门开启时间,可减小气门升程,可减少进入气缸中的新鲜空气,可能达到降低发动机燃油消耗的目的,可增大了扭矩。
在高速高负荷工况下,采用高速凸轮型线工作,可延长了气门开启时间,可增大气门升程,使更多新鲜空气进入气缸中,可达到增大发动机的输出功率的目的。
其主要设计内容包括对气门组(气门、气门导管、气门座及气门弹簧等零件)的设计和气门传动组(凸轮轴、链轮、挺柱等)的设计。
关键词:
发动机VVT机构低能耗低污染动力性
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandeconomy,basedontherequirementofenvironmentprotectionandsustainabledevelopmentof,lowenergyconsumption,lowpollutionandpowerperformanceofgasolineengine.Variabledistributionphasetechnology.Basedonthecomprehensivediscussionandunderstandingofenginevariabledistributionphasetechnologydevelopmentattheintroducedvariablewithgasphase(VVT)technologyintheapplicationoffourstrokemotorcycleengineoffourvalvesandtheadvantagesofusing.Duetothedevelopmentofthemotorcycleinourcountryandourcountrytheinfluenceofmanyfactorssuchasroads,motorcycleengineoperatingundermanyconditionstransformismore,thestudyofmotorcycleengine,thebasicprincipleofvariabledistributionphasecontrolmodeandtheworkingprincipleoftheactuatortodiscussusingthevariabledistributionphasetechnologybeforeandafterimpactonengineperformanceareverynecessary.Atthesametimefordoubleoverheadcamshaft(DOHC)motorcycleenginedesignsanapplicablevariablewithgasphasemechanism,whichismainlycomposedofdoubleinletvalve,doubleinletCAM,doubleinletlifterandtimingofswitchingmechanism,canmakedoubleinletCAManddoubleinletlifteraccordingtodifferentoperatingconditionsbythetimingtoswitchswitchingmechanism.Thedesignofvariabledistributionphase(VVT)mechanism,inthelowspeedunderlowloadcondition,theCAMcontourlinespeedwork,canshortenthevalveopentime,canreducethevalvelift,candecreaseintothefreshairinthecylinder,mayachievethepurposeofreducingenginefuelconsumption,canincreasethetorque.Underprolongthevalveopentime,canincreasethevalvelift,makemorefreshairintothecylinder,canachievethepurposeofincreaseenginepoweroutput.Itsmaindesigncontentincludesthevalvegroup(valve,valveguide,valveseatandvalvespringsandotherparts)inthedesignandvalvetraingroup(camshaft,sprocket,lifter,etc.)design.
Keywords:
engine;VVTmechanism;lowenergyconsumption;lowpollution;powerperformance
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1背景及意义2
1.2国内、外研究发展现状2
1.3研究内容3
2VVT结构及工作原理4
2.1设计VVT部件基本结构4
2.2工作原理及工作过程5
2.2.1当发动机低速运转时5
2.2.2当发动机由高速运转到低速运转时6
三、VVT零部件设计7
3.1气门组的设计7
3.1.1气门的设计7
3.1.2气门导管的设计10
3.1.3气门弹簧的设计10
3.1.4销轴的设计11
3.1.5销轴回位弹簧的设计11
3.1.6弹簧座的固定方式12
3.2气门传动组的设计12
3.2.1凸轮的设计12
3.2.2链轮的设计14
3.2.3挺柱的设计14
3.2.4气缸盖的设计15
四、结论16
参考文献17
致谢18
1绪论
近几十年来,摩托车作为人们从事各项社会活动的重要交通工具,已经越来越广泛的被人们所使用。
随着国民经济快速发展和人们生活水平的不断提高,人们的出行频率增多,活动范围不断扩大,对交通工具的快速性、机动性和可靠性越来越高[]。
但随着科学技术和经济的发展,环境污染和能源短缺倍受关注,人类基于环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗和低污染已成为汽油发动机的发展方向。
要求发动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定。
提高汽车发动机动力性、经济性和降低排污成为了许多国家和发动机厂商、科研机构的首要研究目的。
目前,这些新技术和新方法,有的已在内燃机上得到应用,有些正处于发展和完善阶段,有可能成为未来内燃机技术的发展方向[]。
与汽车相比,摩托车发动机的未燃HC排放很高。
减少未燃HC排放的有效措施就是控制点火提前角。
而改变点火提前角的方法中,VVT就是其中一个。
而可变配气相位(VVT)技术已成为新技术发展方向之一[]。
可变的配气相位(VVT)技术在发动机上的应用改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态,在发动机运转工况范围内提供最佳的配气正时,较好地解决了高转速与低转速、大负荷与小负荷下动力性与经济性的矛盾,同时在一定程度上改善了废气排放[]。
最佳的配气相位是在很短的换气时间内使新鲜空气(可燃混合气)尽可能多的充入发动机,并使排气阻力最小,废气残留量最少。
当发动机转速发生变化时,由于进、排气门早开和晚关的绝对时间和气流的速度都发生了变化,因此,其最佳的配气相位角也应随之改变。
普通发动机的进、排气门的开、闭都由进、排凸轮进行驱动,因为进、排凸轮型线是固定不变的所以进、排气门的早开角、晚关角也固定不变,这就意味着只能在某一转速下发动机才处于最佳的配气相位状态,而在发动机转速很低或很高时,就会出现配气相位处于不理想的状态。
原因是当发动机低转速时,会由于气门叠开角比理想值大,从而使部分新鲜混合气和废气一起由排气道排除从而造成油耗和排污的增加;当发动机在高转速时,由于气门叠开角比理想值小,导致充入气缸的新鲜混合气的不足,从而导致了发动机不能达到其最大功率[]。
到目前为止,已出现了多种配气相位可变的发动机配气装置。
比如说现有的车用发动机大部分使用凸轮轴,则气门正时不能因路况的变化而灵活改变,多年来人们尝试了多种方案,比如说电磁气门驱动系统和液压气门驱动系统等[]。
使得发动机的动力性、经济性及排气污染等都得到了一定的改善。
1.1背景及意义
出于环境保护和人类可持续发展的要求,低能耗和低污染已成为摩托车发动机的发展方向和目标。
要求发动机既要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的规定。
2010年7月1日,国家环保部批准并颁布了摩托车国三标准。
对摩托车发动机进行全面的技术改造和提升成为一个紧迫的问题。
实施摩托车国三标准不仅是成本控制和市场的问题,更是技术方面的问题。
在各种现代技术手段中,VVT技术已成为新技术发展方向之一。
相对于传统配气相位固定不变的发动机,可变配气正时则可以适时地控制发动机进、排门开闭时刻(正时)和改变气门运动升程,与摩托车运行工况实现最佳匹配,从而加快进气速度,改善混合气质量,改变残余废气系数,提高进气效率,最终改善发动机的燃烧过程,使动力性、经济性、排放性以及响应性能得到综合提高。
我国摩托车工业发展是快速和迅猛的。
从1980年到1990年年产量从4.9万辆增加到97万辆,年平均增长34%,从1990年到“八五”末期的1995年年产量783.61万辆,平均增长速度为56.2%[1]。
但早在1993年我国摩托车的产量首次超越日本跃居世界第一,到1997年产量突破1000万辆,占当年世界摩托车产量2300万辆的43%,成为了名副其实的摩托车生产大国。
“2000年全国摩托车生产企业及产品目录”中的产品数量高达10383种,新增产品数量高达2417种,反映了我国摩托车工业的整体技术水平和发展趋势。
从排量上看,中国135家生产企业开发的2417种新产品主要是250mL、150mL、125mL、110mL、100mL和50mL等中、小排量摩托车。
而大排量摩托车所占比例很少[]。
目前国内、外还尚没有以双顶置凸轮轴配气机构结构形式为基础的,适合于中、小排量单缸四冲程四气门摩托车发动机的可变配气机构及其应用实例。
本文的选题就是根据我国摩托车工业的发展现状,以JL125为基础,结合太原工业大学李莉等人发表的《直动式液力间隙调节器可变配气相位机构设计研究》,提出了“针对摩托车四冲程四气门双顶置凸轮轴汽油机(排量为125cc~250cc)进行VVT结构设计”。
通过跟踪国内外车用发动机可变配气正时的发展水平和技术现状,借鉴现有的VVT机构,并在此基础上进行优化设计,制定出合理的设计方案,从而解决高转速与低转速、大负荷与小负荷发动机动力性与经济性的矛盾。
1.2国内、外研究发展现状
由于可变配气相位技术的优越性,在美国已有800多项专利产品。
但是出现在80年代以前的很多机构存在问题较多,如造价昂贵、机构复杂、可调自由度有限以、冲击较大及速度较高等。
近10多年,电子技术的发展促进了可变配气相位机构产品化,有些技术已在轿车上使用,取得了较好的效果。
例如:
①Benz公司的500SL型车用V8发动机采用了可变气门正时机构,使用进气凸轮轴两点调相法来改变气门正时。
在提前调整发动机进气门关闭角的工况,发动机4000rmin全负荷工况下,扭矩平均增加15Nm~30Nm,扭矩提高了5%~8%,在滞后调整进气门关闭角时,标定功率增加15kW,功率提高了约7%。
②HONDA公司在1989年第一批装用VTEC的1.6L其最大输出功率可从原88kW增加到118kW,而且可以达到8000rmin的超高速。
③本田公司声称本田VTEC发动机是把赛车发动机的高转速性能和普通2气门发动机的低转速性能结合在一起的新型发动机。
本田最近新出台的三段式VTEC发动机,能在低、中、高三种不同状态下让气门以三种不同的方式工作,这种崭新的三段式VTEC机使发动机油耗在与VTEC-E相同的情况下,功率提高了40%,最大功率96kW(64KwL)[]。
④我国的轿车发动机,也正在全面推广应用电控汽油喷射技术,开始采用顶置双凸轮轴机构,实施凸轮调相原理可变配气相位机构。
但是,我国的VVT技术与外国的VVT技术相比有着巨大的差距,尽管已经有许多研究人员进行VVT技术的研究,却仍停留在研发间断。
比如说三棱公司创新的MIVEC带你控系统采用了可变发动机排量同时也可以改变气门正时和升程的机构,它可以所以增加发动机的动力输出和改善燃油经济性[]。
所以VVT技术在我国及国外仍具有巨大的发展潜力,已经成为现代发动机的发展方向的新技术之一。
1.3研究内容
1、跟踪国际国内车用发动机可变配气正时(VVT,VariableValveTiming;VVL,VariableValveLift)的发展水平和技术现状;
2、研究摩托车发动机VVT的基本原理、控制模式和执行机构的工作原理,探讨如何运用VVT解决高转速与低转速、大负荷与小负荷发动机动力性与经济
性的矛盾;
3、以某型摩托车汽油机为对象,开发适用四冲程四气门配气机构的VVT部件系统(执行机构和控制模块),完成关键零件的设计和VVT部件装配。
2VVT结构及工作原理
2.1设计VVT部件基本结构
本次设计的VVT机构主要是针对中小排量摩托车发动机而设计的,就是在凸轮轴原一个进气凸轮控制一个气门的基础上,还增设了一个高位凸轮,使低速凸轮和高速凸轮通过销轴把挺柱连为一体来实现机构的切换。
任务就是把原有的机构改成可变的配气机构(即VVT机构)。
设计的要求是:
改动小,结构紧凑,质量小,体积小,成本低,易实现等。
该机构的关键部件是可变配气相位的液压挺柱(见图2-1中的零件5)和高、低速凸轮,它是典型的传统的杯状液压挺柱[]。
主要部件组成如图2-3所示。
销轴8主要通过电磁阀控制油压作用来运动,杯状液压挺柱所需机油由气缸盖上13的油道口供给。
电子控制系统见图2-2主要由电磁阀、活塞及活塞回位弹簧组成,基作用是根据ECU的指令(主要是转速和负荷信号)来控制电磁线圈通电或断电,来利用活塞回位弹簧的弹力或克服回位弹簧的弹力做功来驱动活塞移动达到控制销轴运动的目的。
1-进气凸轮轴2-链轮3-气门弹簧4-进气门5-挺柱6-气门垫片7-销轴回位弹簧8-销轴9-弹簧座10-气门导管11-卡环12-气门弹簧座13-气缸盖
图2-1
图2-2电子控制阀
2.2工作原理及工作过程
2.2.1当发动机低速运转时
ECU发出指令,电磁阀断电,活塞由回位弹簧的弹力将活塞回位,使主油道的油道B封闭,油道B不向油道供油,机油由油道A经回油道C流出,销轴大头没有受油压的作用。
当高、中低速凸轮均以基圆部分工作时,机构处于如图2-3a所示状态,因为发动机的高速凸轮和中低速凸轮的基圆半径相同,这时两个气门的挺柱处于同一条线上。
此时销轴与高速凸轮作用的挺柱一起没有运动。
而凸轮轴不停的转动,高速凸轮和中低速凸轮都转到上升段分别推动各自的挺柱向下运动,由于高速凸轮和中低速凸轮的工作型线曲线不一样,所以同一时刻处于不同的水平线上(如图2-3b所示状态),而销轴和高速凸轮作用的挺柱一起向下运动。
这一过程中各部件的运动仍然是各自独立的,高速气门仍然在高速凸轮的控制下开、闭,而低速气门也仍然在中低速凸轮的控制下开、闭。
a凸轮缓冲段b凸轮工作段
图2-3发动机低速运转工作示意图
2.2.2当发动机由高速运转到低速运转时
①当发动机由高速运转,ECU发出指令,电磁阀通电,活塞在电磁力的作用下克服回位弹簧做功向右运动,活塞向右移动封闭了回油道C,油道B此时已打开,高压油从油道B进入,经油道A流出,通过缸盖体油道进入销轴大头前腔,从而销轴大头受到高压油油压的作用。
当高中低速凸轮均以基圆部分工作时,机构处于如图2-4a所示状态,供油路线为:
油道→油道B→油道A→销大头前腔,前腔内的机油推动销轴向右运动,将两个挺柱连为一体。
由于高速凸轮工作角度和凸轮工作型线比低速凸轮大,所以高速凸轮先转到升程段,整个机构由高速凸轮驱动,即两个气门都由高速凸轮控制开、闭,此时中低速凸轮不起作用。
②当转速降低时,ECU发出指令,电磁阀断电,活塞在活塞回位弹簧的弹力作用下回到原位置,活塞向左移动封闭了油道B,回油道C此时已打开,高压油由油道A经回油道C流出,供油路线为:
油道A→回油道C,销轴大头前腔的机油流回回油道。
当高中低速凸轮均转到基圆部分时,此时销轴在销轴回位弹簧的作用下回到原位置,两个挺柱再次分开,挺柱回到各自的凸轮下工作。
a凸轮缓冲段b凸轮工作段
图2-4发动机高速运转工作示意图
三、VVT零部件设计
3.1气门组的设计
气门组包括进气门,排气门,气门导管,气门座,气门弹簧,油封等零部件。
气门组应该保证气门能实现气缸的密封,因此要求:
1)气门头部与气门座必须贴合严密。
2)气门导管对气门杆的上下运动有良好的导向作用。
3)气门弹簧的两端面与气门杆的中心线相垂直,以保证气门头部在气门座上不偏斜。
4)气门弹簧的弹力应能克服气门及其传动件的运动惯性力,使气门能迅速关闭,并保证气门紧闭在气门座上[]。
3.1.1气门的设计
1气门设计的基本要求:
①材料方面:
气门的工作温度是确定气门材料的主要因素。
由于气门工作温度非常高并且其冷却和润滑条件较差,而且还要承受气体的压力、气门弹簧及传动组零件惯性力的作用,所以其材料应具有足够的强度、刚性和耐磨性。
进气门锥面多属摩擦磨损,因此进气门侧重于对耐磨性能的要求。
进气门的材料一般采用合金钢(如铬钢或镍铬钢等)。
由于排气门锥面磨损常为腐蚀磨损,因此在选择材料时必须考虑化学腐蚀(主要是硫和磷)的性能。
排气门的材料一般采用耐热合金钢(如硅铬钢等)[11]。
②机构方面:
要求结构简单,加工方便,颈部形状恰当,以便减小气体的流动阻力,增加进气充量。
在保证足够的强度、刚度和耐磨性的前提下尽量减轻质量,以其减小惯性负荷和增加其使用寿命。
③尽可能的降低热负荷:
排气门是气门组中的高温零件,气门头部75%左右的热量经气门座导出,因此,气门的设计应与气缸盖的设计密切相关,气门座周围必须加强冷却,并使温度尽可能均匀。
此外,如果结构允许的情况下,尽量增加导管的长度,适当减小气门杆与导管的间隙,以降低气门的温度[]。
④气门是配气机构从凸轮开始的整个运动链中末端零件。
它的运动受到凸轮型线、挺住、气门导管、气门弹簧等零件特性的制约,因此气门的设计还必须从整个配气机构来考虑分析,要避免气门在落座时承受过大的冲击和振动,因为这些机械负荷也是造成气门与气门座磨损的重要原因。
2气门的工作条件分析:
气门是发动机的重要零件之一。
工作时需要承受较高的机械负荷和热负荷,尤其是排气门,由于经常受高温燃气的影响,因而易于产生漏气、腐蚀与烧损等现象,工作条件也更为严酷。
气门工作时承受落座冲击负荷及燃气压力给以的静负荷,一般在4kgf左右,而冲击负荷一般为11.6kgf左右,气门的工作温度:
进气门约为200到450度;而排气门则可达到650到850度,甚至更高。
3气门材料的选择:
气门由气门头部和杆部组成。
气门头部的工作温度很高,而且还要承受气体压力、气门弹簧力及传动组零件惯性力的作用,其冷却和润滑条件有比较差。
因此要求气门有足够的强度、刚度和耐磨性[11]。
在考虑到进、排出的气体的实际温度情况,在本人新设计的机构中进气门选用的材料为合金钢4Cr10Si2Mo,而排气门则采用耐热的合金钢5Cr21Mn9Ni4N。
为了节省耐热合金钢,在气门杆的头部堆焊了钨铬钴合金。
4气门头的设计:
①气门头部的形状:
气门头部的形状有平顶、凸球面顶、凹球面顶和喇叭形顶等。
目前使用最多的是平顶式,原应是其头部结构简单,制造方便,吸热面积小等。
凸球面顶气门头部只适用于排气门,因为其强度高,排气阻力小,废气的清除效果好,但球面的受热面积大,质量和惯性力大,加工较复杂。
喇叭形顶气门头部与杆部的过渡部分具有一定的流线
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