凸轮型线设计

内燃机课程设计

凸轮说明书

题目90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计学院机电工程学院

专业热能与动力工程专业

班级热动1002

学号

姓名

指导老师刘军

日期2013-6-25

90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计

前言

四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构，其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出。其中，凸轮机构作为机械中一种常用机构，在自动学和半自动学当中应用十分广泛，凸轮外形设计在配气机构设计中极为重要，这是由于气门开关的快慢、开度的大小、开启时间的长短都取决于配气机构的形状。因此，配气凸轮的外形设计和配气凸轮型线设计就决定了时间的大小、配气机构各零件的运动规律及其承载情况。

任务书首先对凸轮进行设计，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方程凸轮运动规律进行凸轮型线的优化设计，建立数学模型，并设计图论过渡段和绘制图轮廓图。

凸轮的设计

1.给定的参数及要求

（1）凸轮设计转速n

c

=4636r/min；

（2）进气门开启角233°（曲轴转角），凸轮工作段包角

116.5°；

（3）排气门开启角220°（曲轴转角），凸轮工作段包角

110°；

（4）气门重叠角15°（曲轴转角），凸轮转角7.5°；

（5）凸轮基圆直径 28mm；

（6）进气门最大气门升程h

vmax =8.2，排气门最大气门升程h

vmax

=8。

2.凸轮型线类型的选择

配气机构是发动机的一个重要系统，其设计好坏对发动机的性能、可靠性和

寿命有极大的影响。其中凸轮型线设计是配气机构设计中最为关键的部分，在确定了系统参数后，重要的问题是根据发动机的性能和用途，正确选择凸轮型线类型及凸轮参数。

凸轮型线有多种，如复合正弦，复合摆线，低次方，高次方，多项动力，谐波凸轮等。其中，高次方、多项动力、谐波凸轮等具有连续的高阶倒数的凸轮型线，具有良好的动力性能，能满足较高转速发动机配气机构工作平稳性的要求。 由于凸轮设计转速为n c =2318 r/min ，即每分钟凸轮轴转2318圈，属于高速发动机，且为使发动机运动件少，传动链短，整个机构的刚度大，因此我们用双圆弧凸轮的凸轮轴上置式配置机构。

由于四冲程发动机每完成一个工作循环，每个气缸进、排气一次。这时曲轴转两周，而凸轮轴只旋转一周，所以曲轴与凸轮轴的转速比或传动比为2:1，即由上式已知可知曲轴的转速为2318*2=4636r/min 。

3.计算凸轮的外形尺寸

图一 圆弧凸轮的几何参数示意图

由上图可知，圆弧凸轮有五个参数：基圆半径r 0=PR ，腹弧半径r 1=OA ，

顶弧半径r 2=CB ，基本工作段作用角∠QPR=2φ0和挺住最大升程h tmax 。其中有题中给出的已知数据有基圆半径r 0、基本工作段作用角2φ0和最大升程h tmax 。

为使圆弧凸轮能可靠地工作，凸轮型线外形应连续圆滑，这就要求各段圆弧在交接点处有公切线或公法线，所以各几何参数之间有一点的约束。凸轮型线连续圆滑的条件是：腹弧与顶弧的交点B 、顶弧圆心C 、腹弧圆心O ，这三点应在一条直线上。

根据余弦定理，从 △OPC 中可得

OPC cos PC OP 2-PC OP OC 222∠+= （1） 由凸轮的几何关系可知

PO =r 1-r 0 PC =r 0+h tmax -r 2

OC =r 1-r 2 OPC ∠=180o -φ

将上式代入（1）可得公式

（r 1-r 2）2=（r 0+h tmax -r 2）2+（r 1-r 0）2+2（r 0+h tmax -r 2）（r 1-r 0）∙cos φ0

（2）

可见，在五个参数中只有四个可以预先选择，其余一个必须满足上式要求。基圆半径r 0、基本工作段作用角2φ0和最大升程h tmax 都为已知值，可以设计出凸轮的外形。

基圆半径r 0根据凸轮轴直径d t 决定，为了保证加工和维修的可能，常取r 0=0.5d t +1～3mm 。可知凸轮轴的直径为22～26mm 。我们取凸轮轴的直径为24mm 。

凸轮作用角2φ0 决定于已选定的配气机构，对进气凸轮有：

2φ0 =0.5（180o +α1+α2） 式中 α1-进气提前角，单位（o ）；

α2-排气提前角，单位（o ）。 对排气凸轮有：

2φ0 =0.5（180o +β 1+β2）

式中 β1-进气提前角，单位（o

）；

β2-排气提前角，单位（o ）。

挺住的最大升程h tmax 决定与气门所要求的最大升程h qmax 。

h h qmax tmax i 1=

式中 i-摇臂的摇臂比，一般i=1.2～1.7，常用为1.5.在凸轮直接驱动气门的顶置凸轮轴式气门机构中，i=1.

由于r 0、2φ0、h tmax 三个参数在设计凸轮型线之前已初步确定，所以双圆弧凸轮的设计，实际上是在r 1、r 2两个参数中任选一个，确定一个即可。

由于r 1的选择范围很大，而r 2的选择范围很小，所以先选r 2再选r 1是很合理的。在选择r 2时，应注意不要使r 2过小，以免凸轮变尖，导致凸轮尖端处接触应力过大，而使凸轮与挺住一对摩擦副产生早起损伤。凸轮在长期使用尖端磨损超过极限后，必须重新磨削，因此必须留下磨削欲量。一般认为r 2min 应大于2mm 。

（1）进气凸轮的设计： 设定进气凸轮的r 2=4mm ，则有： （r 1-4）2=

（14+8.2-4）2+（r 1-14）2+2（14+8.2-4）（r 1-14）∙cos （58.25 o +7.5 o ） r 12-8r 1+16=18.22+r 12-28r 1+196+2*18.2*（r 1-14）*0.411 解，得

5.0396r 1=301.7944 r 1=59.885mm 如下图所示：

图二 进气凸轮的尺寸