第五章 配气机构设计

内燃机设计第五章
第二节 配气机构运动学和凸轮形线
• • • • • 一、凸轮设计与机构运动学 凸轮设计与机构运动学 配气凸轮外形决定气门的通过能力和构 件加速度变化规律。 件加速度变化规律。 一般设计过程: 一般设计过程 从动件加速度规律→从动件运动规律 从动件加速度规律 从动件运动规律→ 从动件运动规律 凸轮外形 生产中， 生产中，配气凸轮外形都是用靠模机床 加工的， 加工的，而凸轮靠模往往是用展成法制 造的。 造的。
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3、摇臂
• 应在最小质量下保证必要的强度和尽可能 高的刚度。 • 常用钢材锻造或高强度铸铁铸造，有些轿 车汽油机用钢板冲压。 • 摇臂或摆臂与凸轮的接触可以是滑动摩擦， 也可用滚轮。 • 摇臂或摆臂的支承轴及轴的支座必须有足 够的刚度，否则会使整个机构的固有频率 下降。
凸顶式 球面顶） （球面顶）
凹顶头部与杆部的过渡部分具有一定的流线形， 凹顶头部与杆部的过渡部分具有一定的流线形，可以减 凹顶式 少进气阻力，但其顶部受热面积大，故适用于进气门， 少进气阻力，但其顶部受热面积大，故适用于进气门， 喇叭顶）而不宜用于排气门。 （喇叭顶）而不宜用于排气门。
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为保证此系统的力闭合，必须满足下列条件：
− h 〈F / m 气门凸轮机构不同转速下的工作情况
或
" t * s
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F + m h 〉0
* s * " c t
* c
2、弹性气门机构 弹性气门机构
• 实际系统并不是刚性的，各构件存在弹性， 需建立弹性模型进行动力学研究计算。 • 无阻尼单质量模型 • 气门凸轮机构动力学曲线比较（刚性模型 与弹性模型）
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负荷↗
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振动↗ 噪声↗
二、配气机构形式 1、下置凸轮轴侧 置气门 2、下置凸轮轴顶 置气门 3、顶置凸轮轴顶 置气门
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1、下置凸轮轴侧置气门
• 可靠，但充气系数小，抗爆性差，HC排放多，趋 于淘汰。
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2、下置凸轮轴顶置气门
各待定系数和幂指数根 据边界条件计算。
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三、有关配气凸轮机构的一些几何问题
• 确定了挺柱的 运动规律（升 程表）后，凸 轮外形设计就 算完成。之后 必须进行几何 校核。
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1、凸轮外形的曲率半径及接触点偏心量
• 凸轮与平底挺柱配对工作时有：
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3） 进、排气门锥角的大小 进气门锥角较小，多用300。因锥角越小， 进气通道截面越大，进气量越多。 排气门锥角较大，通常为450。因锥角越 大，气门头部边缘的厚度大，不易变形。 排气门热负荷较大而用较大的锥角，以加 强散热和避免受热变形。且锥角越大，座 合压力越大，自洁作用越大。
第五章 配气机构设计
• • • • • 第一节 配气机构的形式及评价 第二节 配气机构运动学和凸轮形线设计 第三节 配气机构动力学 第四节 配气机构主要零件设计要点 第五节 可变配气机构
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第一节 配气机构形式及评价
• • 一、配气机构的设计要求 配气机构的设计要求 基本要求： 基本要求：气缸换气良好 气门通过能力大 气门开启时面值大 气门开口面积大且快开快关 磨损↗ 惯性力↗
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二、各零件设计
• 1、挺柱 • 对于平面挺柱，应注意其材料与凸轮材料 相异，形成合理的摩擦副，并应注意其底 平面最小半径的设计计算。 • 大缸径发动机常采用滚子挺柱。 • 为了消除气门间隙，可采用液压挺柱，如 书中图示了各种形式的液压挺柱。
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1、挺柱
0 ≤ ϕ c1 ≤ Φ 1
ht 2 = B0 + B1 sin(π / 2Φ 2 )ϕ c 2
0 ≤ ϕ c2 ≤ Φ 2
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3、高次多项式凸轮
• 为得到高阶光滑，提出 高次多项式凸轮
ht = hmax [1 + C2 (ϕ / Φ) 2 + C p (ϕ / Φ) p + Cq (ϕ / Φ) q + Cr (ϕ / Φ) r + CS (ϕ / Φ) S ]
0 ≤ ϕ c1 ≤ Φ 1
0 ≤ ϕ c2 ≤ Φ 2
•这种凸轮存在冲击性惯性负荷，甚至“飞脱”
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气门运动规律
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2、复合正弦凸轮
用一个正半波大幅短周期正 弦曲线和一个负1/4波小幅长 周期正弦曲线组成半作用角 的挺柱加速度曲线。
ht1 = A0 + A1ϕ c1 + A2 sin(π / Φ 1 )ϕ c1
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二、凸轮挺柱的运动规律 凸轮挺柱的运动规律
• 凸轮升程丰满系数
Ψh = hm / hmax
h 其中， hm ：凸轮挺柱平均升程；max：凸轮挺柱最大升程。
•1、等加速减速凸轮（运动规律）
ht1 = A0 + A1ϕ c1 + A2ϕ c21
ht 2 = B0 + B1ϕ c 2 + B2ϕ c22
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第四节 配气机构主要零件设计要点
• 一、凸轮相对位置的确定 • 1、异缸同名凸轮夹角 异缸同名凸轮夹角为相应气缸点火间隔角的 一半。 • 2、同缸异名凸轮夹角
=进、排气凸轮工作段半包角之和－气门重叠角
• 3、活塞位于压缩上止点时排气凸轮相对于 挺柱轴线的夹角＝180＋排气半包角－排气 提前角
• 形状：高速机常采用菌形、 杯形。 • 液压挺柱：可自动补偿气门 机构的间隙，从而减轻冲击 噪声。 • 滚轮挺柱：可减小挺柱直径， 同时减小摩擦损失，提高机 械效率。
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2、推杆
• 推杆主要用于下置凸轮轴 顶置气门结构中，要求有 足够的刚度，重量轻，直 线度有要求。为保证压杆 稳定性常采用空心钢管结 构，并焊接装配球头。
性能： 性能：
头部
强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、 强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、耐磨 进气门570K~670K（铬钢 （ 进气门 或铬镍钢） 或铬镍钢） 排气门1050K~1200K（硅 排气门 （ 铬钢） 铬钢） 内燃机设计第五章
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气门头部的结构形式
平顶式
结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小，进、 结构简单，制造方便，吸热面积小，质量也较小， 排气门都可采用。 排气门都可采用。 适用于排气门，因为其强度高，排气阻力小， 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，但球形的受势面积大，质量和惯性力大,加 除效果好，但球形的受势面积大，质量和惯性力大 加 工较复杂。 工较复杂。
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凸轮外形的曲率半径及接触点偏心量
最后得
e = dht / dϕ c
ρ = r0 + ht + d ht / d ϕ
2 2
2 c
挺柱的工作面直径一定要大于2倍的e。
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2、凸轮副的润滑特性
• 根据动态液体润滑理论，在接触处应有尽 可能大的液体润滑有效速度，以便建立足 够的油膜厚度。液体润滑有效速度为： υ e = (υ c − υ m ) + (υ t − υ m )
υ 式中， c 和 υ t 分别为接触点处凸轮表面和挺 υ 柱表面沿滑动方向的绝对速度； m为接触点 的绝对速度。
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凸轮副的润滑特性（续）
• 根据图11-49，有
υ c = ω c (r0 + ht )
d 2 ht υ m = de / dt = −ω c dϕ c2
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第三节 配气机构动力学
• 1、刚性气门机构 刚性气门机构
* Fc = Fs* + mc ht"
F 式中，Fc为凸轮与挺柱间的作用力； s*为气门弹簧换算 * mc为气门凸轮机构换算到凸轮处的 到凸轮上的弹簧力； 当量质量； " d 2 ht d 2 ht ht = = ω c2 dt 2 dϕ c2
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3、摇臂
气门间隙 调节螺钉
易磨损部位 堆焊耐磨合金
摇臂轴套
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4、气门组
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（1）气门 ）
功用： 功用：
燃烧室的组成部分，是气体进、出燃烧室通道的开关，承受冲 燃烧室的组成部分，是气体进、 击力、高温冲击、高速气流冲击。 击力、高温冲击、高速气流冲击。
（2） 气门锥角 1） 定义：气门锥面与顶平面的夹角称气 门锥角。 α
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2） 气源自文库锥角的作用
就向锥形塞子可以塞紧瓶口一样， 能获得较大的气门座合压力，以提高 密封性和导热性； • 气门落座时有自动定位作用； • 避免气流拐弯过大而降低流速； • 气门落座时能挤掉接触面的沉积物， 即有自洁作用。 •
充气系数大，但零件多，质量大， 刚性差。
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3、顶置凸轮轴顶置气门
动力性能好，但传动链长。
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电磁气门
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三、每缸气门数
• • • • 一般一进一排； 现在有：二进二排 三进二排 二进一排
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(180 + ϕe1+ ϕe2)/2 °CA
2ϕ °CA ϕ
(180 + ϕi1+ ϕi2)/2 °CA
ϕi1
ϕe2
BDC 180°CA ϕe1
排气行程
TDC
180°CA 进气行程
BDC
ϕi2
2 ϕ=(ϕe1+ 180°+ 180°+ ϕi2) ϕ ° ° - (180° + ϕe1+ ϕe2)/2 ° -(180° + ϕi1+ ϕi2)/2 ° ϕ =90°+(ϕe1+ ϕi2- ϕe2- ϕi1)/4 ° ϕ = 90°+(40°+56°-19°-20°) ° ° ° ° ° =104°15´（凸轮转角） ° 内燃机设计第五章 ´ 凸轮转角）
ht = d cos θ + ρ − r0
因为 所以
ωc = dϕ c / dt = −dθ / dt
dθ / dϕ c = − 1
dht / dϕ c = − d sin θ ( dθ / dϕ c ) = d sin θ
d 2 ht / dϕ c2 = d cos θ ( dθ / dϕ c ) = − d cos θ
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3） 气门头部直径 气门头部直径越大，气门口通道截面就越 大，进、排气阻力就越小。通常进气门头 部直径大于排气门。另外，排气门稍小些， 还不易变形。 h1<h2
h1
h2
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气门杆
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气门
进大，排小 密封锥角一般为30度（进）或45度（排） 研磨密封，密封带宽为1～2mm 工作温度：进气门为300～500℃， 排气门为600～800℃ 材料：进气门为40Cr、38CrSi、4Cr9Si2; 排气门为马氏体耐热钢、奥氏体耐 热钢。
一缸二气门
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一缸四气门
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一缸五气门
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四、凸轮轴的传动
• 齿轮（正时）传动； 链条传动；齿带传动。 • 最近出现了各种配气 定时可调的内燃机， 使之能在更宽的范围 内保持较为有利的配 气定时。
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υ t ＝0
故有效速度：
定义润滑特性数 S = υ e / ω c d 2 ht 即： S = r0 + ht + 2 2
dϕ c
d 2 ht υ e = ω c (r0 + ht + 2 2 ) dϕ c
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凸轮副的润滑特性（续）
• 在凸轮转动时，不 能有较长的区段S 接近零。作为一个 例子，图11-50中， 凸轮I在工作中出现 严重的滑动副损伤， 而凸轮II没有问题。 两者润滑特性的对 比说明了其原因。
工作条件： 工作条件：
杆部
A、进气门570K~670K，排气门 、进气门 ，排气门1050K~1200K。 。 B、头部承受气体压力、气门弹簧力等， 、头部承受气体压力、气门弹簧力等， C、冷却和润滑条件差， 、冷却和润滑条件差， D、被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。 、被气缸中燃烧生成物中的物质所腐蚀。