凸轮机构设计及应用知识扩展(DOC)

凸轮机构的发展应用

凸轮机构的应用

自动机床进刀机构的应用（、）

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（应用：）

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实现点的轨迹（）

凸轮连杆组合：、、

（需剪部分视频拆分）、

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发动机配气机构的应用

1. 摩托车发动机配气机构

1）CB系列顶置式配气机构

顶置式配气机构如图6所示，O1为曲轴回转中心，O2为凸轮回转中心，两者由链传动连接，其传动比为i12=0.5。

（a）配气凸轮机构 (b) 摇臂

CB系列顶置式配气机构

设计最终归结为气门位移的配气定时，如图7所示。

气门位移的配气定时

排气提前角1α=55.284°，进气提前角2α=29.674°，排气迟闭角3α=45.716°，进气迟闭角4α=46.326°，而气门重叠角2α+3α=75.39°。调整正时角β和桃尖角γ，可改配气定时，后面谈到的可变气门正时技术，即是按此方式进行。

对用于摩托车的高速发动机，为追求高转速时的大功率，应具有较大的气门重叠角。观察下述仿真分析软件知：

2） CG 系列下置式配气机构

下置式配气机构如图8所示，O q 为曲轴回转中心，O ’为凸轮回转中心，两者由一对齿轮传动连接，其传动比为i =0.5。凸轮驱动下摇臂，推动顶杆，由上摇臂实现对气门的打开与关闭。

图8 CG 系列下置式配气机构

下置式配气机构对配气定时的要求与顶置式配气机构相同。

由配气定时仿真分析知：CG 发动机配气机构的进气与排气摇臂均由同一凸轮驱动，这就产生了一个十分有趣的问题。

由凸轮机构的设计理论知，进气凸轮机构为逆向设计，而排气凸轮机构为正向设计。在结构参数和运动规律均相同的条件下，理论上分别按逆向设计和正向设计所获得的两个凸轮的轮廓形状是不相同的，且相位位置也完全不同。

（提供参数文件，边讲解边运行软件）

分别按正向和逆向设计所得到的2个凸轮及相位位置如图10所示。

(a) 正向设计(b) 逆向设计

而CG发动机又是同一凸轮驱动，我国所有CG发动机源于日本的本田CG125，日本人是怎么进行设计的？

破解：【宋立权，潘玉蕊，唐彬. 摩托车CG系列发动机配气凸轮机构最优尺度综合研究与应用[J].机械工程学报.2007,43(7). p221-225】

2. 汽车发动机

演示

汽车发动机配气机构的发展

如前所述，摩托车发动机为高速发动机，最高转速可达10000 rpm以上，最大功率一般在7500－8500 rpm，由于成本问题的限制，一般采用2气门（1进1排），且很少采用可变正时和可变升程技术。

汽车发动机的最高工作转速一般在6500 rpm左右，常用工作转速一般在2000－3000 rpm，为节约燃油消耗、降低排放并提高发动机的升功率，对配气机构采用了可变气门正时和可变气门升程技术。

可变气门正时技术

发动机工作时的高转速，使四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，需要利用气流的进气惯性，气门要早开晚关，以达到进气充分，排气干净的要求。

气门的配气正时是由凸轮的相位角决定的。对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进、排气们开闭时间都是固定的，这种固定不变的气门正时很难顾及到发动机在不同转速工况时的工作需要。为了让发动机根据不同的负载情况能够自由调整“呼吸”，气门正时的可变性就发挥出了应有的作用，以达到提升发动机的动力和使燃烧更充分。

重叠角较大的发动机在高转速下能发挥大的功率，在低转时的扭矩输出方面表现欠佳；而重叠角小的发动机是在牺牲了动力性能的前提下具有运转的平顺性和高转矩。因此，需要在设计时，充分考虑到凸轮形状和正时的设计，使发动机在不同转速下均具有优良的动力特性。

为了解决这个问题，要求“气门重叠角”的大小可以根据转速和负载的不同进行调节，使高、低转速下都可以获得理想的进气量从而提升发动机燃烧效率和减少减少NOx的排放，这就是可变气门正时技术开发的目的。

发动机可变气门正时技术的英文缩写是“VVT”（Variable Valve Timing），是“可变气门正时”的通称。可变气门正时的原理是根据发动机的运行情况，调整进气、排气的量，控制气门开合的时间和角度，使进入的空气量达到最佳，从而提高燃烧效率。

CVVT－连续可变气门正时技术, 是一种通过电子液压控制系统控制打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角的技术。这项技术根据发动机的工作状态，来延迟或提前进气门的打开时间，特点是能够稳定燃烧状态，提高发动机工作效率，降低污染排放，提高燃油经济性。例如伊兰特采用CVVT发动机后减少了油耗8%以上。

双CVVT技术是发动机技术的进步，它分别控制发动机的进气系统和排气系统，其效果如同一个较小的涡轮增压器，能有效地提升发动机动力。与单CVVT 相比，由于进气量的的加大，并使得汽油的燃烧更加完全，更省油，同时实现了低排放的目的。如北京现代09款中高端轿车领翔发动机就采用该项技术，大大提高了整车的科技性。

图11为通过调整凸轮的相位角来达到改变配气定时的目的

图11 调整凸轮的相位角

VVT系统通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构，从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节，即于气门的开启和关闭时刻进行调整，其内部结构如图12所示。图中，内转子与凸轮轴相连，内转子在外转子的推动下旋转，同时内转子在油压的作用下可实现一定范围内的角度提前和延后。

图12 角度调整的液力机构

图13所示为采用可变气门正时系统的发动机。

图13 采用可变气门正时系统的发动机

最先将气门正时技术应用的公司是意大利的阿尔法罗密欧。作为第一个开发出了双凸轮轴量产发动机的厂商，用两根不同的凸轮轴来控制进气门和排气门的开闭时间，从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。该装置由名叫Giampaolo Garcea的工程师发明，在进气凸轮轴的主动链轮里加上一个装置，并由螺旋键槽将其与凸轮相连接，来改变气门的正时效果，并在增大了气门重叠角后获得了更好的燃油经济性。结构如图14所示。

图14 可变气门正时系统结构

日产和本田公司分别在1987年和1989年，研发出了自己的双顶置凸轮轴系统，即NVCS(Nissan Valve Timing Control System－日产可变气门正时系统)和VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System－可变气门正时及升程电子控制系统）系统。1992年，宝马公司开发出Vanos系统，最先被