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1、汽车发动机凸轮轴的设计摘要内燃机凸轮轴优化设计的优劣直接影响到其动力性，经济性，可靠性，振动，噪声与排放特性的好坏。凸轮轴的饱满系数越大，则进气量越多，内燃机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越底；凸轮形线的圆滑性越好，内燃机的振动与噪声越小；凸轮轴与挺柱间的接触应力越小；润滑特性越好，内燃机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小。随着内燃机不断地向轻巧化，高速化，高性能与遐龄命方向发展，对配气凸轮轴设计与制造的要求越来越高。然而，当代内燃机的配气机构，大都采用多项动力凸轮，n次谐波凸轮或复合摆线凸轮。但这些凸轮形线方程不仅计算复杂，而且与内燃机构造参数无关，有的n阶导数不连续。尽管不少研究
2、者对上述几种形线凸轮进行了各种优化设计，但其饱满系数均达不到0.59，还不能适应内燃机高速化与高性能的要求。显然，研究出具有n阶导数连续，自变量为内燃机主要构造参数，充气性能好，振动小，噪声低，设计简单的新型配气凸轮形线方程，是一个极其重要的研究课题。凸轮机构是工程中用以实现机械和自动化的一种主要驱动和控制机构。以在轻工、纺织、食品、医药、印刷、标准零件制造、交通运输等领域运行的工作机械中获得广泛应用。为了提高产品的质量和生产率。就凸轮而言，必须进一步提高其设计水平。在解析法设计的基础上开展计算机辅助设计的研究和推广应用。为适应高速凸轮机构分析和设计的需要，我在凸轮轮廓曲线方程试上对各指数和系
3、数进行了外部输入。进而提高了设计工作效率和设计计算准确性。同时还对各系统与凸轮输出数据之间的联络进行了研究，把握了某些基本规律，对凸轮设计优化起到了很好的效果。关键词凸轮轴发动机设计AbstractI.C.enginecamthestalkbedirectlyexcellenttoturnthegoodandbadofdesigntoinfluenceitsmotive,economy,credibility,vibration,thequalityoftheZaovoiceandemissionscharacteristic.Camtheplentifulfullcoefficientoft
4、hestalkbemorebigandthenentertolerancemoremany,themotivefunctionofI.C.engineandeconomicfunctionismoregood,rowspiritsmokedegreeandhotburdenmorebottom;ThetactfulofthecamformlineismoregoodandvibrationandvoiceofI.C.enginearemoresmall,Camstalkwithstandthecontactofpillarmoresmallinresponsetothedint,Lubrica
5、techaracteristicmoregood,theI.C.enginegoestogetherwithimpactofannoytheorganizationtocarrylotusandfrictiontowearawaymoresmall.AlongwithI.C.engineconstantlytoagileturn,thehighspeedturn,highperformanceandhighlifespandirectionthedevelopmentbemoreandmorehightogotogetherwiththespiritcamrequestofstalkdesig
6、nandmanufacturing.However,themodernI.C.enginegoestogetherwithspiritorganization,mostlyadoptseveralmotivecamsandntimetheXiewavecamorcompoundputalinecam.Butthesecamformlinesquaredistancenotonlycomputecomplications,andwithI.C.enginestructuretheparameterbeirrelevantandhaveofthenrankdontinarowleadnumber.
7、Thoughnotafewresearcherscarriedontoafewabove-mentionedformlinecamsvariousexcellentturnadesign,ittheplentifulfullcoefficientallcouldnotreach0.59,cantalsoadaptI.C.enginehighspeedtoturnandtherequestofhighperformance.Obviously,theresearchsubmitsanranktoleadnumbercontinuous,fromchangetomeasurefortheI.C.e
8、nginemainstructureparameter,Chongspiritfunctiongood,vibratesmall,thevoiceislowanddesigninbriefnewgotogetherwithspiritthecamformlinesquaredistance,isaveryandimportantresearchtopic.Thecamorganizationis1kindthattheengineeringisconvenienttocarryoutmachineandautomationtomainlydrivewithcontrolorganization
9、.Withacquireinthelightwork,spinning,food,medicine,printing,standardsparepartsmanufacturing,transportationetc.therealmthemovementoftheworkmachineextensivelyapplied.Forraisingthequalityandrateofproductionofproduct.Havetoraiseittodesignlevelfurtherinregardtocam.Openresearchandexpansionapplicationofthea
10、ssistancedesignoftheexhibitioncalculatorinanalyzingthefoundationofmethoddesign.Inordertoadaptthedemandofhigh-speedanalysisanddesignofthecamorganization,Icarriedonexterioranimportationtoeachindexnumberandthecoefficientintryingthecurvesquaredistanceofthecamoutline.Raiseddesignworkefficiencyanddesignto
11、computeaccuracythus.Thecontactwhichreturnsatooutputthedatatoeachsystemandthecaminthemeantimecarriedonaresearch,controledsomeandbasicregulation,excellenttocamdesignstartedtoturntoarrivegoodeffect.KEYWORDConvexaxleDelivermotivedesign目录第一章绪言(1)第一节凸轮轴的作用(1)第二节凸轮轴分类(1)第二章发动机凸轮轴的配置(2)第一节凸轮轴成为发动机的重要标志(2)第二
12、节凸轮轴配置(2)第三章设计阐述(4)第一节优化设计(4)第二节凸轮轮廓曲线的设计(4)结束语(12)谢辞(13)参考文献(14)第一章绪言第一节凸轮轴的作用凸轮轴是发动机配气机构的一部分，专门负责驱动气门按时开启和关闭，作用是保证发动机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸。凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，很适用于高转速的轿车发动机，由于转速较高，为保证进排气和传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，多采用顶置式气门和顶置式凸轮轴，这样，发动机的构造也比拟紧凑。但任何事物都有两面性，顶置式凸轮轴的缺点是由于部件的布置设计比拟复杂，维修起来也比拟费事。但衡量利
13、弊，它还是比拟合适于汽车。第二节凸轮轴分类汽车发动机根据顶置凸轮轴的数目，分为顶置单凸轮轴和顶置双凸轮轴。当每缸采用两个以上气门时，气门排列形式一般有两种：一是进气门和排气门混合排列在一根凸轮轴上，即顶置单凸轮轴SOHC，另一种是进气门与排气门分列在两根凸轮轴上。前者的所有气门由一根凸轮轴通过顶杆驱动，但因气门在进气道中所处位置不同，所以不能保持动作的准确性，效果要稍差一些，而后者则无此缺点，能够获得更好的性能，但需多配备一根凸轮轴，这就是顶置式双凸轮轴DOHC，近年来推出的新型发动机多采用这种形式。一般来讲，DOHC的运动性比拟高，F1赛车应用较多，但是由于制造工艺复杂，成本较高；SOHC的
14、相对配置较简易、使用耐久性较好，既能够适应一般客户的动力性要求，可以以适应其对经济性的要求。第二章发动机凸轮轴的配置第一节凸轮轴成为发动机的重要标志汽车发动机是由曲柄连杆机构，配气机构，冷却系，燃油系，润滑系，电气系和机体等组成，大大小小零件有近千个，它们之中最具有代表性的就是凸轮轴了。在当代轿车的技术规格表上，经常能够看见“凸轮轴这个名词出如今发动机性能栏里面。凸轮轴是属于发动机的配气机构，配气机构是保证发动机在工作中定时将新鲜的可燃混合气充入气缸，并及时将燃烧后的废气排出气缸的机构。它由进气门，排气门，气门挺杆，挺柱，摇臂，凸轮轴等组成，其中凸轮轴因其横截面形状近似桃子，又称桃子轴或偏心轴
15、，是配气机构中的驱动件，专门驱动气门按时开启和关闭。各种车型发动机的凸轮轴的构造大同小异，主要差异在于安装的位置，凸轮的数目和形状尺寸不尽一样，十分是凸轮轴的安装位置，被列为区别发动机构造和性能的重要标志。目前发动机的凸轮安装位置分为下置，中置，顶置三种形式。第二节凸轮轴配置发动机上凸轮轴的有几个不同配置。我们来谈谈几个通用部件。你可能听到过这些术语：顶置凸轮轴(SOHC)、双顶置式凸轮轴(DOHC)、推杆。一、顶置凸轮轴的配置这一配置相当于一个发动机每头有一个凸轮。假如是一个单列式四气缸或单列式六气缸发动机，这里会有一个凸轮。假如是V-6或V-8发动机，这里会有二个凸轮。凸轮开动摇臂按到阀门
16、上，打开它们。弹簧使阀门回到它们闭合的位置。这些弹簧必须相当坚固由于发动机速度很快，阀门被按下很快，弹簧必须使摇臂与这些阀门接触。假如弹簧不是很坚固，阀门可能会脱离摇臂同时迅速跳回。这将导致凸轮和摇臂额外的磨损。在顶置凸轮轴和双顶置式凸轮轴发动机上，凸轮由凸轮轴驱动，通过一根到皮带或链条，称为正时皮带或正时链。这些皮带和链子在固定间隔必须被更换或调整。假如正时皮带断了，凸轮会停止旋转，活塞会撞到排气阀上。二、双顶置式凸轮轴的配置一个双顶置式凸轮轴发动机每头有两个凸轮。所以单列式发动机有两个凸轮，V发动机有四个凸轮。通常双顶置式凸轮轴用于每个气缸有四个或更多阀门的发动机上一个凸轮轴不能驱动所有的
17、阀门。采用双顶置式凸轮轴的主要原因是能够使用更多的进气和排气阀。更多的阀门意味着进气和排气流动更自由，由于它有更多能够流通的升程。这就增加了发动机的功率。就像顶置式凸轮轴发动机和双顶置式凸轮轴发动机，在推杆发动机阀门位于顶部，在气缸的上面。在推杆发动机的关键区别是凸轮位于发动机气缸体内部而不是在气缸的顶部。凸轮驱动推杆经过气缸箱体并进入气缸顶部移动摇臂。这些推杆又增加了系统的质量，进而增加了阀门弹簧的载荷。这能限制推杆发动机速度；顶置式凸轮轴发动机在系统取消了推杆，进而使更快速度的发动机成为可能。推杆发动机中的凸轮通常由齿轮或短链驱动。齿轮驱动通常与皮带驱动相比不易断裂，所以在顶置式凸轮轴发动
18、机经常看到。三、可变式气门正时这里有几种凸轮制造商改变气门正时的办法。用在本田发动机上的一个系统称为可变气门正时和升程电子控制系统VTEC可变气门正时和升程电子控制系统VTEC是本田发动机上一个电子机械系统，它能允许发动机有多个凸轮轴。VTEC发动机有一个额外的进气凸轮并有一个与之相连的摇臂。凸轮的形状能使进气阀升程比其它凸轮形状大。在发动机速度较低时，这个摇臂不与任何阀门相连。在高速时，活塞锁住额外摇臂，让两个摇臂控制两个进气阀。一些汽车采用先进的气门正时装置。这不会使阀门升程更大，它打开和闭合它们更迟。它通过旋转凸轮几度来实现。假如进气阀通常在活塞到达上止点(TDC)旋转10度，并在到达上
19、止点(TDC)后旋转90度关上，总的持续时间为200度。打开和关闭的时间能够通过在凸轮旋转时旋转到前面一点的机构转移。所以能够在活塞到达上止点(TDC)旋转10度，并在到达上止点(TDC)后旋转210度关上。在随后20度时关闭阀门是好的，但假如它能在进气阀打开时增加持续时间会更好。但已经有一个做到一点的好方法。凸轮在发动机上有一个三维形状能够随凸轮的长度而变化。在凸轮的一端是一个较不乖巧的凸轮形状，而在另一端是一个乖巧的凸轮形状。凸轮平稳地把这两种形状结合在一起。一个机构能侧面地滑动整个凸轮进而使阀门能采用凸轮的不同的部分。轴仍然像普通凸轮一样旋转但随着发动机速度和载荷增加逐步侧面地滑动凸轮，
20、进而气门正时被优化。一些发动机制造商正在试验气门正时无限可变系统。比方，想象每个阀门有一个电磁开关，它能过计算机而不是凸轮控制打开和关闭阀门。有了这类系统，你就能在发动机每个转速时到达最大的发动机性能。盼望将来能实现的东西。第三章设计阐述第一节优化设计内燃机凸轮轴凸轮优化设计的优劣直接影响到其动力性，经济性，可靠性，振动，噪声与排放特性的好坏。凸轮的饱满系数越大，则进气量越多，内燃机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越底；凸轮形线的圆滑性越好，内燃机的振动与噪声越小；凸轮与挺柱间的接触应力越小；润滑特性越好，内燃机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小。随着内燃机不断地向轻巧化，高速化，高性
21、能与遐龄命方向发展，对配气凸轮设计与制造的要求越来越高。然而，当代内燃机的配气机构，大都采用多项动力凸轮，n次谐波凸轮或复合摆线凸轮。但这些凸轮形线方程不仅计算复杂，而且与内燃机构造参数无关，有的n阶导数不连续。尽管不少研究者对上述几种形线凸轮进行了各种优化设计，但其饱满系数均达不到0.59，还不能适应内燃机高速化与高性能的要求。显然，研究出具有n阶导数连续，自变量为内燃机主要构造参数，充气性能好，振动小，噪声低，设计简单的新型配气凸轮形线方程，是一个极其重要的研究课题。凸轮机构是工程中用以实现机械和自动化的一种主要驱动和控制机构。就凸轮而言，必须进一步提高其设计水平。在解析法设计的基础上开展
22、计算机辅助设计的研究和推广应用。为适应高速凸轮机构分析和设计的需要，我在凸轮轮廓曲线方程试上对各指数和系数进行了外部输入。进而提高了设计工作效率和设计计算准确性。同时还对各系统与凸轮输出数据之间的联络进行了研究，把握了某些基本规律，对凸轮设计优化起到了很好的效果。具体设计经过本系统的设计，主要是对凸轮曲线方程进行求导处理，然后对得出来的数据进行数据分析，用辅助工具如：AutoCAD2004进行会图，把凸轮轮廓画出来。第二节凸轮轮廓曲线的设计凸轮轴上的圆柱凸轮如图1的廓线虽属空间曲线，但由于圆柱面可展成平面，所以可以以借用平面盘形凸轮轮廓曲线的设计方法设计圆柱凸轮的展开轮廓。本节分别介绍用几何法
23、和解析法设计凸轮轮廓曲线的原理和步骤。图1凸轮轴一、几何法一反转法设计原理以尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构为例，凸轮机构工作时，凸轮和从动件都在运动。为了在图纸上画出凸轮轮廓曲线，应当使凸轮与图纸平面相对静止，为此，可采用如下的反转法如图2：使整个机构以角速度(-w)绕O转动，其结果是从动件与凸轮的相对运动并不改变，但凸轮固定不动，机架和从动件一方面以角速度(-w)绕O转动，同时从动件又以原有运动规律相对机架往复运动。根据这种关系，不难求出一系列从动件尖底的位置。由于尖底始终与凸轮轮廓接触，所以反转后尖底的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。图2反转法运用反转法绘制尖底直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线
24、的方法和步骤如下：为半径作基圆，以e为半径作偏距圆，点K为从动件导道路与偏距圆的切点，1以r导道路与基圆的交点B0(C0)便是从动件尖底的初始位置。2将位移线图s-f的推程运动角和回程运动角分别作若干等分图中各为四等分。3自OC0开场，沿w的相反方向取推程运动角(1800)、远休止角(300)、回程运动角(1900)、近休止角(600)，在基圆上得C4、C5、C9诸点。将推程运动角和回程运动角分成与从动件位移线图对应的等分，得C1、C2、C3和C6、C7、C8诸点。4过C1、C2、C3等作偏距圆的一系列切线，它们便是反转后从动件导路的一系列位置。5沿以上各切线自基圆开场量取从动件相应的位移量，即取线段C1B1=11、C2B2=22等，得反转后尖底的一系列位置B1、B2等。7将B0、B1、B2等连成光滑曲线B4和B5之间以及B9和B0之间均为以O为圆心的圆弧，便得到所求的凸轮轮廓曲线。图2凸轮轮廓曲线二滚子直动从动件盘形凸轮机构首先取滚子中心为参考点，把该点当作尖底从动件的尖底，根据上述方法求出一条轮廓曲线h。再以h上各点为中心画一系列滚子，最后作这些滚子的内包络线h对于凹槽凸轮还应作外包络线h，如图3所示。它便是滚子从动件盘形凸轮机构凸轮的实际轮廓曲线，或称为工作轮廓曲线，而h称为此凸轮的理论轮廓曲线。由作图经过可知，在滚子从动件凸轮机构设计中，r0是指理论轮廓曲线的基圆半径。