第11章配气机构学生

1、第第1111章章 配气机构配气机构第第1 1部分部分 配气机构总成配气机构总成配气机构评价配气机构评价时间面值：时间面值：丰满系数：丰满系数：进气口和排气口流量系数：气道试验台进气口和排气口流量系数：气道试验台 4配气机构总体布置配气机构总体布置顶置顶置气门气门 布置形式布置形式侧置（少用）侧置（少用）凸轮轴凸轮轴 布置位置布置位置侧置侧置顶置顶置齿轮传动齿轮传动凸轮轴凸轮轴 传动方式传动方式链传动链传动齿形带传动齿形带传动气门的布置气门的布置气门驱动方式气门驱动方式气门数：气门数：2 2气门、气门、3 3气门、气门、4 4气门、气门、5 5气门气门 大缸径惯性力大、大缸径惯性力大、 高速机进

2、气高速机进气( (高速功率大、低速扭矩大）高速功率大、低速扭矩大）气门排列气门排列 ：1 1列列 or 2or 2列列( (风冷）风冷） 进、排气门间隔布置，减少热负荷进、排气门间隔布置，减少热负荷凸轮轴位置与传动凸轮轴位置与传动ValvetrainValvetrain质量、刚度：影响惯性力，固有频率。是否适用于质量、刚度：影响惯性力，固有频率。是否适用于高速发动机？高速发动机？ValvetrainValvetrain（配气链）长短？（配气链）长短？凸轮轴侧置：齿轮传动，推杆，传动简单，凸轮轴侧置：齿轮传动，推杆，传动简单，2-32-3个齿轮个齿轮凸轮轴顶置：惯性力凸轮轴顶置：惯性力-磨损，固

3、有频率磨损，固有频率-振动振动 链条转动：一般链条转动：一般比齿轮成本低、噪声低，承载能低、耐久性差比齿轮成本低、噪声低，承载能低、耐久性差 齿形带传动：成本最低，齿形带传动：成本最低，噪声最低，承载力最低、耐久性最差噪声最低，承载力最低、耐久性最差 凸轮型线凸轮型线气门升程气门升程-凸轮型线（挺柱、摇臂）凸轮型线（挺柱、摇臂）凸轮凸轮= =基圆（理论基圆、实际基圆）基圆（理论基圆、实际基圆）+ +缓冲段缓冲段+ +工作段工作段凸轮多是对称的凸轮多是对称的 凸轮工作段凸轮工作段凸轮：时面值凸轮：时面值-丰满系数丰满系数 与与 惯性力惯性力-磨损、振动间的矛盾磨损、振动间的矛盾气门升程、速度和加

4、速度：要求加速度连续（甚至跃度连续）气门升程、速度和加速度：要求加速度连续（甚至跃度连续） Perkins 6100 Perkins 6100发动机的气门升程发动机的气门升程圆弧凸轮：加速度不连续，振动大圆弧凸轮：加速度不连续，振动大函数凸轮：加速度连续，振动小函数凸轮：加速度连续，振动小 多项式高次方凸轮（常用）多项式高次方凸轮（常用） 正弦抛物线凸轮正弦抛物线凸轮 样条函数凸轮样条函数凸轮 n n次谐波凸轮次谐波凸轮 凸轮缓冲段凸轮缓冲段实际基圆小于理论基圆：气门间隙，容让热膨胀实际基圆小于理论基圆：气门间隙，容让热膨胀缓冲段与工作段衔接点缓冲段与工作段衔接点E E的速度：根据的速度：根据

5、柴油机设计手册柴油机设计手册Vr=0.006-0.025mm/deg之间之间 过小：不能除积碳，气门间隙变化时，气门开闭时刻变化大过小：不能除积碳，气门间隙变化时，气门开闭时刻变化大 过大：减小气门座撞击过大：减小气门座撞击 缓冲段形式缓冲段形式 等加速等加速- -等速曲线等速曲线 余弦曲线余弦曲线 摆线摆线 凸轮设计凸轮设计-多项高次方凸轮多项高次方凸轮多项高次方求导、积分方便，加速度连续，跃度（多项高次方求导、积分方便，加速度连续，跃度（jerkjerk）连续）连续幂指数越高时面值大，但加速度增加幂指数越高时面值大，但加速度增加商用软件：商用软件： Ricardo Ricardo AVL

6、AVL GT-suite GT-suite0taabbccddhCCCCC（ ）01-1/ 2)0（ 无因次量，工作段包角的气门机构运动学与动力学（气门机构运动学与动力学（1 1）运动学：刚体，无弹性变形（气门弹簧除外），运动学：刚体，无弹性变形（气门弹簧除外）， 解平面几何得升程、速度、加速度解平面几何得升程、速度、加速度 不考虑变形和阻尼：惯性力不考虑变形和阻尼：惯性力= =合力合力 动力学方程：动力学方程： 惯性力惯性力+ +阻尼力阻尼力+ +弹性力弹性力= =合力合力fKxxCxM Mxf气门机构运动质量换算气门机构运动质量换算运动学：配气链零件为刚体。升程运动学：配气链零件为刚体。升

7、程-速度速度-加速度加速度只考虑弹簧弹力和惯性力，不考虑零件的弹性变形只考虑弹簧弹力和惯性力，不考虑零件的弹性变形如分析凸轮的接触力（气门弹簧力如分析凸轮的接触力（气门弹簧力+ +惯性力）：需要把质量等效惯性力）：需要把质量等效到挺柱上：挺柱质量到挺柱上：挺柱质量+ +推杆质量推杆质量+ +摇臂换算质量（动能相同）摇臂换算质量（动能相同）+ +气气门换算质量门换算质量+ +弹簧换算质量（弹簧换算质量（1/31/3的弹簧真实质量）的弹簧真实质量）如分析气门的接触力（气门弹簧力如分析气门的接触力（气门弹簧力+ +惯性力）：需要把质量等效惯性力）：需要把质量等效到气门上：换算挺柱质量到气门上：换算挺

8、柱质量+ +换算推杆质量换算推杆质量+ +摇臂换算质量（动能摇臂换算质量（动能相同）相同）+ +气门质量气门质量+ +弹簧换算质量（弹簧换算质量（1/31/3的弹簧真实质量）的弹簧真实质量）Mxf高速内燃机气门机构动力学（高速内燃机气门机构动力学（2 2）高速机运动学理论凸轮升程和实测升程的差别高速机运动学理论凸轮升程和实测升程的差别 （1 1）迟开）迟开 （2 2）早关）早关 （3)3)飞脱（运动学也校核）飞脱（运动学也校核） （4 4）反跳）反跳气门机构动力学分析气门机构动力学分析 单自由度系统（一般足够，书上）单自由度系统（一般足够，书上） 双自由度双自由度气门机构固有频率气门机构固有频

9、率阻尼：粗略估算或者测量振动衰减阻尼：粗略估算或者测量振动衰减刚度：刚度： （1 1）FEAFEA分析分析 （2 2）（？）测力，千分表测变形）（？）测力，千分表测变形 - -大致固有频率范围：（小质量，大刚度大致固有频率范围：（小质量，大刚度-减小配气链长度）减小配气链长度） 推杆系统：推杆系统：500-900Hz， OHC非直接驱动：非直接驱动：800-1500Hz OHC直接驱动：直接驱动：1000-2000Hz配气机构动力学计算配气机构动力学计算商用软件或编程商用软件或编程下右图下右图forceforce项出现负值，说明出现了飞脱项出现负值，说明出现了飞脱fKxxCxM 多项动力凸轮多

10、项动力凸轮按照动力学方程设计，含有动力项，而非运动学设计按照动力学方程设计，含有动力项，而非运动学设计设计转速下，工作理想，用于设计转速下，工作理想，用于70-110%70-110%设计转速较好，设计转速较好，超过超过120%120%设计转速，振动、噪声急剧增加设计转速，振动、噪声急剧增加第第2 2部分部分 气门组件设计气门组件设计18气门组件构成气门组件构成气门气门锁片锁片上气上气门弹门弹簧座簧座气门气门弹簧弹簧气门气门油封油封气门气门导管导管排气排气门座门座进气进气门座门座排气门排气门进气门进气门气门工作条件气门工作条件工作条件：工作条件： （1 1）力：落座冲击）力：落座冲击 （2 2）

11、排气门受热烧损）排气门受热烧损 （3 3）磨损（尤其增压柴油机进气门）磨损（尤其增压柴油机进气门） 气门结构设计（气门结构设计（1 1）考虑：密封、气体流通阻力、磨损、质量、传热等考虑：密封、气体流通阻力、磨损、质量、传热等 进排气气口的流通阻力：流量系数进排气气口的流通阻力：流量系数气门头气门头+ +气门杆焊接气门杆焊接气门头：进气门：耐磨气门头：进气门：耐磨 （失效形式磨损）（失效形式磨损） 排气门：耐热奥氏体，重载柴油机高镍合金钢（失效形式烧损）排气门：耐热奥氏体，重载柴油机高镍合金钢（失效形式烧损）最新趋势中空气门杆：减小惯性力最新趋势中空气门杆：减小惯性力中空充钠排气门杆中空充钠排气

12、门杆锥面耐磨处理锥面耐磨处理气门结构设计（气门结构设计（2 2）气门锥角影响：气门锥角影响：15-4515-45度角度角 （1 1）流通面积）流通面积 （2 2）密封力）密封力 （3 3）磨损）磨损小锥角开启面积大，气体分离大，密封差，多用较大锥角，但小锥角开启面积大，气体分离大，密封差，多用较大锥角，但磨损大磨损大分段研磨锥角（成本高，少用）分段研磨锥角（成本高，少用） 气道端大角度防气体分离，中段用于气门落座，气缸端小角度气道端大角度防气体分离，中段用于气门落座，气缸端小角度开启面积大开启面积大气门座和气门导管气门座和气门导管锥角和气门锥面角相差锥角和气门锥面角相差1-21-2度，易于密封

13、度，易于密封合金铸铁高频淬火即可，铝合金缸盖要镶气门座合金铸铁高频淬火即可，铝合金缸盖要镶气门座气门镶块：气门镶块： （1 1）虑热膨胀系数）虑热膨胀系数 （2 2）排气门温度受影响）排气门温度受影响-气门导管气门导管 （1 1）从缸盖上润滑）从缸盖上润滑 （2 2）防止漏机油：气门油封，积碳粘结，烧机油）防止漏机油：气门油封，积碳粘结，烧机油气门旋转机构气门旋转机构没有特殊结构气门一般转动不超过没有特殊结构气门一般转动不超过1 1圈圈气门旋转机构：气门旋转机构： 自由式自由式（了解）（了解） 强制式（不要求）强制式（不要求）为降低成本，一般少用气门旋转机构，为降低成本，一般少用气门旋转机构，

14、 除非发生气门过度磨损除非发生气门过度磨损气门弹簧气门弹簧弹力大密封可靠、磨损大、气门不会飞脱弹力大密封可靠、磨损大、气门不会飞脱弹簧力弹簧力= =弹簧预紧力弹簧预紧力+ +弹簧刚度弹簧刚度* *变形变形 两个参数力学参数：预紧力、刚度两个参数力学参数：预紧力、刚度防止飞脱防止飞脱 & & 减小气门磨损、凸轮挺柱磨损减小气门磨损、凸轮挺柱磨损老发动机多用老发动机多用2 2个弹簧，弹簧材料和形状进步，现多用一个（变个弹簧，弹簧材料和形状进步，现多用一个（变圈距、变半径非线性弹簧）圈距、变半径非线性弹簧）避免弹簧并圈，磨损避免弹簧并圈，磨损提高弹簧固有频率提高弹簧固有频率0FFkx凸轮轴凸轮轴工作

15、条件：工作条件： 气门间歇性启闭冲击载荷气门间歇性启闭冲击载荷（惯性力（惯性力+ +气门弹簧力）气门弹簧力） 凸轮面的接触力磨损、扭矩、弯矩凸轮面的接触力磨损、扭矩、弯矩25轴轴颈颈排气排气 凸轮凸轮分电器分电器 驱动驱动齿轮齿轮进气进气 凸轮凸轮键键槽槽防止轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力。防止轴向窜动和承受斜齿轮产生的轴向力。正时齿轮正时齿轮止推板止推板隔圈（调节环）隔圈（调节环）凸轮轴颈凸轮轴颈凸轮轴的凸轮轴的轴向间隙轴向间隙机体机体窜动量窜动量凸轮轴轴向定位凸轮轴轴向定位凸轮轴的校核凸轮轴的校核扭转应力（有时候考虑凸轮轴扭振）扭转应力（有时候考虑凸轮轴扭振）弯曲变形：挠度弯曲变形：挠度

16、凸轮面和挺柱的接触应力：疲劳失效凸轮面和挺柱的接触应力：疲劳失效 平面挺柱：平面挺柱： 690-860Mpa 平面（圆弧面）挺柱：平面（圆弧面）挺柱： 965-1035Mpa 固定半径的滚子挺柱：固定半径的滚子挺柱： 1550-1655Mpa 凸型滚子挺柱：凸型滚子挺柱： 1725-1830Mpa 变半径滚子挺柱：变半径滚子挺柱： 1930-2070Mpa 抛光凸轮和滚子挺柱：抛光凸轮和滚子挺柱： 2070-2240Mpa挺柱挺柱平面挺柱（实为大圆弧面）平面挺柱（实为大圆弧面） ：简单：简单滚子挺柱：承载能力好，逐渐多用滚子挺柱：承载能力好，逐渐多用液压挺柱：无气门间隙，噪声低液压挺柱：无气门

17、间隙，噪声低 减小平面挺柱偏磨减小平面挺柱偏磨减小凸轮和挺柱偏磨：减小凸轮和挺柱偏磨： 挺柱接触位置偏心挺柱接触位置偏心+ +凸轮小偏角（应力分布均匀）凸轮小偏角（应力分布均匀） 锥形凸轮锥形凸轮推杆和摇臂推杆和摇臂挺杆的失稳（屈曲）校核挺杆的失稳（屈曲）校核摇臂：摇臂： 气门间隙调整气门间隙调整 接触面润滑接触面润滑 & & 摇臂轴润滑（缸盖摇臂轴润滑（缸盖- -摇臂轴座摇臂轴座- -摇臂）摇臂） 摇臂轴摇臂轴气门间隙气门间隙调整螺钉调整螺钉缩紧缩紧螺母螺母耐磨处理耐磨处理润滑油道润滑油道摇臂轴组件摇臂轴组件摇臂轴刚度与变形：摇臂轴刚度与变形： 气门气门间隙间隙进气门进气门0.250.30排气门排气门0.300.35气门和活塞碰撞校核气门和活塞碰撞校核大压缩比、增压发动机大扫气角（气门重叠角度）大压缩比、增压发动机大扫气角（气门重叠角度）活塞避撞坑（大多轿车用汽油机都有）活塞避撞坑（大多轿车用汽油机都有）活塞顶避撞坑活塞顶避撞坑气门避碰坑气门避碰坑( (汽油机、柴油机形状不同）汽油机、柴油机形状不同）关注：汽油机活塞凹坑关注：汽油机活塞凹坑配气机构开发考虑问题配气机构开发考虑问题气门碰撞磨损：气门角、镶座？气门碰撞磨损：气门角、镶座？气