第五章 配气机构设计 新PPT

1、第五章第五章 配气机构设计配气机构设计返回开始第二节第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计配气机构运动学和凸轮型线设计第三节第三节 配气机构动力学配气机构动力学第四节第四节 凸轮轴及气门驱动件设计凸轮轴及气门驱动件设计第一节第一节 配气机构型式及评价配气机构型式及评价第五节第五节 可变配气相位及其机构（可变配气相位及其机构（VVTVVT）第五章第五章 配气机构设计配气机构设计 配气机构应保证气缸内换气良好，充气系数高，换气损失小，使发动机有良好的动力性和经济性，同时要求本身工作平稳可靠，噪声低 第一节第一节 配气机构型式及评价配气机构型式及评价 DEFab一、型式 无凸轮电磁无凸轮电磁气门机构气

2、门机构 无凸轮电液驱动气门机构无凸轮电液驱动气门机构 二、气门的通过能力评价二、气门的通过能力评价 1. 时间断面 21 ttdtf)(2thddhfcoshh sincos2 sin2hdhddhht)2sin2(cos hdhfh2. 平均通过断面 21121ttmdtfttf3. 时间断面丰满系数 maxffmf主要用来比较同样大小气门，升程规律不同时的气门通过能力 4. 比时间断面 FfmFF为活塞顶面积。主要用来对不同大小的发动机进行充气能力的比较 )H(H)dH-(h0max00tFm5凸轮型线丰满系数三、气门直径与气门最大升程的关系三、气门直径与气门最大升程的关系 H/d=0.2

3、5时，气门口与气门座处的流通面积相等 进气门的H/dvi=0.260.28 排气门的H/dve=0.30.35 本章开始第二节第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计配气机构运动学和凸轮型线设计 一、平底挺柱的运动规律一、平底挺柱的运动规律 速度三角形与AOB相似 ctctehAOrABh ctccttthdtdddhdtdhh又 tctchehe 偏心距e等于挺柱的几何速度 设计时平底挺柱的底面半径要大于emax，即大于 max)(ctddh由 0rrrhvOArOBvcttctctthrv)(0得 二、凸轮外形与平底挺柱运动规律间的关系二、凸轮外形与平底挺柱运动规律间的关系 ctccttthd

4、tddhddthddtdei 接触点A沿挺柱表面的移动速度为ti接触点A沿凸轮轴表面的移动速度为ci ccccccccddldtdddldtAdAi 21ctctctcthrhiiv)(0 所以凸轮各点的曲率半径为tthhr 0min应大于3毫米 三、滚子挺柱运动规律三、滚子挺柱运动规律RcRmRRmthrrhtghrrh ,cos) 1)(cos(00已知滚子挺柱规律，求平底挺柱规律。已知平底挺柱规律，求滚子挺柱规律。)()(cos100mtmRrrhrrhcRtmthrrhtg,0顶置凸轮摆臂机构的凸轮气门运动规律AAAxy1tanabhrrbaaboobaRm2)(cos2cos2022

5、122221abrrbaaboobam2)(cos2cos20221212210)(0ABBBcysinBAvyyh 四、凸轮的工作段和缓冲段设计四、凸轮的工作段和缓冲段设计 1. 缓冲段设计 设置缓冲段的必要性a. 由于气门间隙L0(mm)的存在，使得气门实际开启时刻晚于挺柱动作时刻。b. 由于弹簧预紧力P0(N)的存在，使得机构在一开始要产生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧力之后，气门才能开始运动。c. 由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使气门晚开。 上述原因使气门实际开启时刻晚于理论时刻，实际落座时刻早于理论上述

6、原因使气门实际开启时刻晚于理论时刻，实际落座时刻早于理论时刻。造成开起冲击大、落座速度高。机构振动、噪声和磨损加剧。时刻。造成开起冲击大、落座速度高。机构振动、噪声和磨损加剧。凸轮缓冲段过度曲线的设计包括：1）缓冲段过度曲线函数的设计2）所占的凸轮转角3）最大升程（理论基圆与实际基圆半径之差） 缓冲段参数及基本类型 iCFLH)(0000iHCFLHr)(0000iCFCFLHg)(00000iHCFLHr)(0000H0：缓冲段高度。进气门开：进气门关：排气门开：排气门关：一般 H00.150.3mm。 V0：缓冲段速度，V00.0060.025 mm/deg 0：缓冲段包角，01540ch

7、t01001010)(hvht001)2cos1 (000ttHh00典型缓冲段型线：a. 等加速等速型 等加速段： 等速段： b. 余弦型VoHoo012ct2cttdhdddhh,2ct2cttdhdddhh,缓冲过渡曲线的型式1.等加速等速型升程曲线由二次抛物线（等加速度）和直线（等速）组成等加速段：等速段：等加速等速段的优点1）在等速段以速度开启和落座。2）等加速度段可保证挺柱由实际基圆过渡到缓冲段工作时，速度由零逐渐增大，无突变，工作平稳。3）等速段加速度为零。缓冲过渡曲线的型式2.余弦函数型缓冲段曲线的加速度曲线为余弦函数。余弦函数型过渡曲线的优点缓冲曲线终点的加速度为零，但是从过

8、渡段到工作段加速度仍有突变。一一 圆弧凸轮圆弧凸轮凸轮的从动件是挺柱：凸轮的从动件是挺柱：有两种：平面挺柱有两种：平面挺柱 滚子挺柱滚子挺柱圆弧凸轮的几何参数圆弧凸轮的几何参数双圆弧凸轮有五个参数：双圆弧凸轮有五个参数：为使圆弧凸轮能可靠地工为使圆弧凸轮能可靠地工作，凸轮型线外形应连续作，凸轮型线外形应连续光滑，这就要求各段圆弧光滑，这就要求各段圆弧在交接处有公切线和公法在交接处有公切线和公法线。线。这五个参数的制约关系这五个参数的制约关系由凸轮的几何关系有：将几何关系代入11-3中，可得：公式11-4r0与与0的确定摇臂比 i定义：气门端的摇臂长度L2与凸轮端的摇臂长度L1之比r1与r2的选

9、择凸弧凸轮平面挺柱的运动规律凸弧凸轮平面挺柱的运动规律即平面挺柱的升程即平面挺柱的升程ht、速度、速度vt、加速度、加速度at在凸弧型线上随凸轮转角在凸弧型线上随凸轮转角的变化规的变化规律。律。采用分段计算的方法采用分段计算的方法挺柱与腹弧相接触的阶段挺柱与腹弧相接触的阶段第一阶段：第一阶段：挺柱在挺柱在A点相接触的时刻点相接触的时刻起即开始上升，定义为起即开始上升，定义为=0=0逆时针逆时针 转。转。关于关于ht的求解的求解是什么？是什么？ 到底是不是凸轮转角？到底是不是凸轮转角？图中图中AB段的最大转角段的最大转角maxmax式中的式中的D D为多少？为多少？D=rD=r0 0+h+hma

10、xmax-r-r2 2第二阶段：挺柱与顶弧相接触第二阶段：挺柱与顶弧相接触定义：逆着凸轮的旋转方向计算，即顺时针顺时针方向计算在处挺柱的升程为：第二阶段凸轮的最大转角第二阶段凸轮的最大转角maxmaxmaxmax= =0-maxmax挺柱在第一段的速度：挺柱在第一段的速度：讨论速度的变化挺柱在第一段的加速度：挺柱在第一段的加速度：讨论加速度的变化挺柱在第二段的速度：挺柱在第二段的速度：讨论速度的变化挺柱在第二段的加速度：挺柱在第二段的加速度：讨论加速度的变化凸弧凸轮平面挺柱的运动规律凸弧凸轮平面挺柱的运动规律凸弧凸轮与挺柱运动规律的比较凸弧凸轮与挺柱运动规律的比较函数凸轮的分类函数凸轮的分类函

11、数凸轮根据所采用的函数曲线的类型可分为函数凸轮根据所采用的函数曲线的类型可分为组合式和整体式。组合式和整体式。组合式：凸轮的工作段升程曲线是分段曲线，组合式：凸轮的工作段升程曲线是分段曲线，由若干段不同的分段曲线组合而成。这些函数由若干段不同的分段曲线组合而成。这些函数曲线为三角函数、低次多项式等。曲线为三角函数、低次多项式等。整体式：凸轮的工作段升程曲线是分段曲线，由一个函数曲线表示，多项式凸轮等2. 凸轮工作段设计凸轮工作段设计 高次方多项式凸轮型线 ssrrqqppxCxCxCxCxCCy)()()()()(220边界条件 max0 , 0HCy 0y 0,y 0,y Vy ,y (4)

12、00 ，时HxX=0时 y=Hmax，给定幂指数p、q、r、s，列方程求解方程系数挺柱加速度挺柱升程挺柱速度缓冲段开始等速段等加速段优缺点：负加速度小，正向惯性力小，桃尖的接触应力小。加速度曲线连续，冲击小，有利于向高速发展。方程形式简单。可用于非对称凸轮设计。负加速度曲线平缓，与气门弹簧的适应性不太好正加速度值大 整体式凸轮高次多项式凸轮五次多项式五次多项式用五个边界来确定用五个边界来确定C0、Cp、Cq、Cr、Cs已知，只需求P、q、r、s 低次方组合型线 25215201954418341724164151444313331223113109322827624153142131211CC

13、ChCCCCChCCCCChCCChCCCCCh优缺点：i时间断面大，设计上比较灵活；ii三阶以上导数不连续，平稳性有影响；iii只能用于对称凸轮 除起始点与缓冲段连续外，其他的边界条件就是保证各段升程及三阶导数连续，最大升程Hmax是给定值。最大升程点对应的挺柱速度为零，该处的加速度和第三阶导数不作限制。 本章开始1.组合式凸轮组合式凸轮(1) 复合正弦凸轮：复合正弦凸轮：2.复合正弦凸轮复合正弦凸轮复合正弦凸轮曲线由两段曲线组成。复合正弦凸轮曲线由两段曲线组成。正加速度段为短周期半波正弦曲线。正加速度段为短周期半波正弦曲线。负加速度段为负加速度段为1/4正弦曲线。正弦曲线。特点：特点：最大

14、正加速度较大，正加速度所占凸轮转角最大正加速度较大，正加速度所占凸轮转角较大，使气门开启或关闭的时间拖长。较大，使气门开启或关闭的时间拖长。基于上述原因，复合摆线凸轮基于上述原因，复合摆线凸轮复合摆线凸轮复合摆线凸轮在半波正弦曲线中间，加入一段长度占正加速度一半的水平线。正加速度段所占的曲轴转角缩短了3.复合正弦抛物线加速度凸轮复合正弦抛物线加速度凸轮正加速度为半波正弦曲线，负值为1/4正弦曲线和二次曲线组合。 凸轮型线的静态评价Fm 1、凸轮型线丰满系数)H(H)dH-(h0max00tFm对于只有升程数据表的情况)2)()(1100) 1(00maxFmH(HiiniittiHhHhmin

15、 2、最小曲率半径平底挺柱凸轮表面的最小曲率半径表示为tthhr 0mm3min滚子挺柱，凸轮表面曲率半径可以是负值，也就是说可以使凹面凸轮。但是最小负曲率半径要大于滚子直径和砂轮半径。mRmin3、K值cnnanfttK6ftn1nta-示在凸轮轴转速为nc的时候，凸型线正加速度宽度所占的时间（s）；-为配气机构基频（Hz）的自振周期(s)。-为凸轮型线上升段正加速度段宽度；-为配气机构一个自振周期对应的凸轮转角。 33. 16cnnanfttK一般认为，能够使配气机构运行平稳的K值应该满足机构自振频率的计算和实测1、计算自振频率在不考虑机构阻尼和外力的情况下，配气机构单质量模型的自由振动方

16、程为00yMCCyS )cos(tAye其通解为MCCSe0MCCfSe0212（Hz）（弧度/秒）2、实测自振频率自振频率的实测有两种方法：（1）在气门上安装位移传感器，在气门与摇臂之间塞进一个厚度不大的薄金属片，例如螺丝刀的平面。转动凸轮轴将气门压开一定的开度，然后突然撤去金属片，将位移传感器传出的信号记录下来，此时的位移信号应该是一个周期衰减波形，假设此时的周期是T（s），则配气机构的自振频率为T1f （2）在进行气门运动规律测量时，通常都是在气门上安装有加速度传感器，测量的信号就是气门运动的加速度。在负加速度段，加速度信号是一个周期波动的曲线。假设曲线的横坐标是时间t，则每两个波峰或者

17、波谷之间的距离就是振动周期T，则对周期T取倒数，就可以得到自振频率f。为避免大的测量误差。在测量时需要多取几个波峰或者波谷求平均值。第三节第三节 配气机构动力学配气机构动力学 实际气门运动规律（夸大画法） 由于机构的弹性变形，位于传动链末端的气门运动与理想的运动有很大的畸变，严重时造成运动件飞脱、气门反跳、噪声增加和零部件加速损坏 二、配气机构单质量动力学模型二、配气机构单质量动力学模型 配气机构单质量动力模型SPVyMMiMMM3121222222)(llMyII摇臂当量质量Mv 气门组质量， Mp 推杆质量I 摇臂转动惯量yCFS0)(yxB 系统中M所受力气门弹簧力：机构弹性力：C0(x

18、-y)气压力： Fg F0内粘性阻尼力 运动微分方程 gFyFyxByxCyM)C()()(S00 )()( 000gSFFxBxCyCCyByM 代入上式 2xxyyyy 202020MFFxMBxMCyMCCyMBygS 初始条件的确定气门实际开启时刻是在消除气门间隙和克服弹簧预紧力之后，即 0)(000FLxC0 0 )( )( 00000yyxxxx时，设中间变量 yuyu uyyMCCuMBFuS20)(0 0 )( )( 000000yyxxxx2020MFMBMC)(FgFxx其中一般用龙格库塔方法求解微分方法组，可以计算出气门的动态位移、速度和加速度，还能够计算机构弹性变形、判

19、断飞脱、落座速度等。 三、凸轮型线动力修正三、凸轮型线动力修正 当量挺柱升程 ttxix*ykykHyCMyCCCCFLCyMCyCyCFLxSSt 21000000000000* 0220010000)6( CMnkCCCkCFLHS)4(21*21*ykykxykykxtt 设计时先选定理想的气门升程曲设计时先选定理想的气门升程曲线，然后再求当量挺柱升程。气线，然后再求当量挺柱升程。气门升程门升程y必须必须4阶导数以上连续。阶导数以上连续。 如果气门升程曲线是高次多如果气门升程曲线是高次多项式，称为多项动力凸轮。项式，称为多项动力凸轮。本章开始第四节第四节 凸轮轴及气门驱动件设计凸轮轴及气

20、门驱动件设计 一、凸轮轴基本结构参数一、凸轮轴基本结构参数异缸同名凸轮夹角 A/2 A发火间隔角同缸异名凸轮夹角 曲轴转角/（）气门升程/mm)(4190)2180()2180(3602121i2i2e1eo2i1i2e1e2i1eT当凸轮挺柱的接触点不在一条直线上，接触点的位置相差角时 ，图a2Te1e2e1)2180(180凸轮与曲轴位置的确定凸轮与曲轴位置的确定压缩上止点 膨胀下止点 排气桃尖 上止点 进气桃尖 进气下止点 e1 i1-e2 i2当活塞位于压缩上止点时，进排气凸轮相对于挺柱中心线的夹角这是确定凸轮轴与曲轴相对工作位置，即正时位置所必须掌握的是确定凸轮轴与曲轴相对工作位置，

21、即正时位置所必须掌握的 e1e2e1)2180(1802T二、挺柱、推杆、摇臂和气门的设计二、挺柱、推杆、摇臂和气门的设计 22maxmin)2()(bahRtmmhR25 . 1maxmin一般按照 1. 挺柱对于平面挺柱：其材料与凸轮轴材料配对底平面最小半径应大于最大挺柱几何速度 当缸径比较时，凸轮升程也大， 考虑结构要紧凑，常采用滚子挺柱。例如油泵凸轮挺柱。 ,max也大h2 . 推杆要求有足够的刚度，重量要轻，不直度不超过0.10.2mm，为保证压杆稳定性应采用空心钢管型结构。 液压挺柱吊杯式液压挺柱球阀弹簧刚度要小于油道压力停车回流防止结构下置凸轮轴推杆挺柱式浮动摆臂式SOHC枢轴摇

22、臂式3. 摇臂及其支承 有足够的抗弯刚度：摇臂采用有足够的抗弯刚度：摇臂采用T型断面，摇臂轴采用空心轴。型断面，摇臂轴采用空心轴。摇臂应尽量避免悬臂安装，与气门接触面要淬硬。摇臂应尽量避免悬臂安装，与气门接触面要淬硬。注意加强支座刚度。注意加强支座刚度。4. 气门气门 设计要求：进气门：a.有足够的进气流量，流动阻力小； b.重量轻； c.耐磨性好； d.密封性好。排气门：a.有较低的温度，耐热性好； b.耐磨性好； c密封性好。气门的主要尺寸：A. lv：取决于缸盖和气门弹簧的安装高度：取决于缸盖和气门弹簧的安装高度Dlv) 3 . 11 . 1 (B. d：受限于缸盖上的空间尺寸：受限于缸

23、盖上的空间尺寸ieiddDd)85. 08 . 0()5 . 032. 0(dvivdd)25. 02 . 0( C. 气门杆直径dv大时，外表面积大，有利于传热。一般进排气门杆一样 D. 气门锥角气门锥角 小，气体流通断面积大；大，自位作用好，大升程时气体流动阻力小。一般45。增压柴油机30，因受力变形大。 材料：进气门：（300400C）40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V排气门：（500C）4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo。 气门头部背锥角除影响气门刚度外，还影响进气阻力。某项试验表明，当=20时有最大的进气流量。 dv5. 气门弹簧1 maxkykMF max03 .

24、 12 . 11FF 弹簧刚度 tsHFFC0max预紧力校核：B点，BByMF DDDDNw)25. 02 . 0( )35. 03 . 0(基本尺寸 348CsesSDiGd弹簧刚度的校核348ssseDCGdi 有效圈数)5 . 25 . 1（etii弹簧总圈数82maxdCFK弹簧剪切应力轿车发动机气门弹簧的工作应力已超过800 Mpa（800N/mm2），同时为保证发动机的可靠度，通常要求气门弹簧的疲劳寿命2107 次(安全行驶2104 km)6. 气门与活塞是否相碰的计算 缸垫按压紧后的计算曲柄连杆机构的间隙均偏向一侧，使活塞处于最高处。画出活塞位移曲线按照其门的实际开闭时刻画出气

25、门升程曲线。观察两条曲线是否相碰本章开始工况工况凸轮轴相位凸轮轴相位详细内容详细内容停机, 冷启动, 怠速最小重叠角 重叠角最小改善燃烧稳定性。 在冷启动时，需求浓度较低。 改善怠速稳定性，降低怠速速度。 改善燃油经济性。中、低负荷排气相位完全提前，进气相位小幅提前 提前进气门关闭时刻，而气门重叠角仍保持较小 负荷增加相应增加气门重叠角，增加“稀释”效应 减小泵气损失。 降低进气真空。高负荷,中、低转速排气相位滞后进气相位提前 提前进气门关闭时刻，提高充气效率。 提高中速段扭矩。 废气稀释量调节到最大。高负荷，高转速排气相位滞后，进气相位滞后 为提高充气效率，推迟进气门晚关角。一、发动机变工况

26、对配气相位的要求一、发动机变工况对配气相位的要求典型收益典型收益策略策略介绍介绍固定相位可变定时功率功率/扭矩扭矩改善怠速改善怠速排放排放燃油燃油经济性经济性进气进气2位置小幅度调节(8 to 15 cam)1983-现在欧洲/亚洲TDCBDCIEIXX进气进气连续可变大幅度调节(20 to 30 cam)1995Toyota VVTiTDCBDCIEIXXXX排气排气连续可变大幅度调节(20 to 30 cam)1997Ford ZetecTDCBDCIEEXXX进排气等相位调节进排气等相位调节单凸轮连续可变大幅度调节(20 to 30 cam)200XTDCIEE & IXX进排气

27、进排气独立相位调节独立相位调节连续可变大幅度调节(20 to 30 cam)1996BMWTDC E IIEXXXX应用应用相位调节示意图相位调节示意图日产配气相位应用类型及优点配气相位应用类型及优点传统螺旋槽式VVT结构最小重叠角位置最大重叠角位置VVT-i工作原理图 可变配气相位（张紧轮式）可变配气相位（张紧轮式）排气凸轮轴排气凸轮轴进气凸轮轴进气凸轮轴功率调整功率调整调整功率时，链调整功率时，链条下部短，上部条下部短，上部长，进气门延迟长，进气门延迟关闭角加大。关闭角加大。进气管内气流速进气管内气流速高，气缸充气量高，气缸充气量足。足。因此高转速时，因此高转速时，功率大。功率大。可变配气

28、相位可变配气相位扭扭 矩调整矩调整凸轮轴调整器向凸轮轴调整器向下拉长，于是链下拉长，于是链条上部变短，下条上部变短，下部变长。部变长。因为排气凸轮轴因为排气凸轮轴被齿形带固定了被齿形带固定了，此时排气凸轮，此时排气凸轮轴不能被转动，轴不能被转动，进气凸轮轴被转进气凸轮轴被转一个角度，进气一个角度，进气门延迟关闭角变门延迟关闭角变小。小。在这个位置时，在这个位置时，在中、低转速，在中、低转速，可获得大扭矩输可获得大扭矩输出出.可变配气相位可变配气相位怠速怠速怠速时，进气门提前开角度变小，进排气重叠角小，怠速时，进气门提前开角度变小，进排气重叠角小，减小怠速抖动减小怠速抖动.功率调整功率调整 转速

29、在转速在3700rpm以上时，左侧凸轮轴调整器向上，以上时，左侧凸轮轴调整器向上，右侧调整器向下运动，进气门延迟关闭。右侧调整器向下运动，进气门延迟关闭。扭矩调整扭矩调整转速在转速在1000rpm以上时，进气门提以上时，进气门提 前关闭。左前关闭。左侧凸轮轴调整器向下，右侧调整器向上运动。侧凸轮轴调整器向下，右侧调整器向上运动。可变配气相位可变配气相位螺旋槽型螺旋槽型第一代叶片型第一代叶片型第二代叶片型第二代叶片型市场竞争性市场竞争性: 成本下降30% 更紧凑 重量下降40% 性能更佳 转子/定子用铝压铸成型 锥形锁销 皮带轮/链轮粉末冶金成形 钢制零部件 齿轮传递负载市场竞争性市场竞争性:

30、成本下降20% 更紧凑 耐久性 /稳定性 提高转子/定子粉末冶金成形链轮/皮带轮集成设计200020022005叶片液压油液压油密封条集成定子集成定子/链轮链轮:强度增加成形更精细 (更少的切削加工)翼板臂翼板臂 (与叶片与叶片):增加强度 (撞击)减小泄漏成形更精细 (更少切削加工)转子和定子间的轴承转子和定子间的轴承位于叶片的最小直径处位于叶片的最小直径处4 个刮油封个刮油封:减小泄漏成形更精细 (减少切削加工)座孔在罩板上成形座孔在罩板上成形-锁销锁销:直形销直形销-取消锁销衬套转子上为直孔轴向定位轴向定位-封装孔精细成形与凸轮轴的阻力扭矩负载不重合精细成形内置回位弹簧内置回位弹簧内部封装特定应用/可选经成形加工的前罩板经成形加工的前罩板:强度增加 (形状)多特征集成-锁销座弹簧座定子螺栓凸台液压油道控制阀工作原理控制阀工作原理弹簧轴阀的运动方向阀芯-铝制电枢-钢制罩壳- 铝制板-钢杯- 不锈钢支架-钢（电镀）绕线架-尼龙6/6 HS内置滤清器凸轮位置传感器曲轴位置传感器四通路 PWM控制阀V2V1供油目标轮控制动力系统控制模块(PCM)0.00.20.40.60.81.0102030405060机油压力 (psi)时间 (sec)提前提前滞后滞后相位调