第五章 配气机构设计1

内燃机设计第五章
气门运动规律
2011-4-6
内燃机设计第五章
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 A1c1 A2 sin( / 1 )c1
0 c1 1
ht 2 B0 B1 sin( / 2 2 ) c 2
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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
为保证此系统的力闭合，必须满足下列条件：
F m h 0
* s * " c t
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或
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h F / m
" t * s
* c
气门凸轮机构不同转速下的工作情况
2、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）
d / d c 1
dht / d c d sin (d / d c ) d sin
d ht / d d cos (d / d c ) d cos
2 2 c
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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 / d c
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气门间隙与缓冲段设计
• 由于存在气门间隙等因素，所以需设计缓冲 段。 • 缓冲段主要参数： • 高度：0.15~0.3mm • 速度：0.006~0.025mm/(°) • 包角：15°~40° • 缓冲段形线的形式： • （１）等加速－等速型 • （２）余弦型
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气门颈部处折断
原因：①材料高 温强度不足，② 加工缺陷〔如刀 痕、头部热镦 时．头部与杆焊 接时等)；②校 直引起过大的纵、 横向裂纹．
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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、 排气门都可采用。 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，但球形的受热面积大，质量和惯性力大,加 工较复杂。
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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c 和 t 分别为接触点处凸轮表面和挺 式中， m为接触点 柱表面沿滑动方向的绝对速度； 的绝对速度。
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凸轮副的润滑特性（续）
• 根据图11-49，有
c c (r0 ht )
d 2 ht m de / dt c d c2
t ＝0
五、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：
ht d cos r0
因为 所以
c dc / dt d / dt
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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)/2 =90°+(φe1-φe2+φi2-φi1)/4
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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
r0 ht d ht / d
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： e (c m ) (t m )
0 c2 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 ( / ) 2 C p ( / ) p Cq ( / ) q Cr ( / ) r CS ( / ) S ]
各待定系数和幂指数根 据边界条件计算。
(180 + i1+ i2)/2 °CA
i1
e2
BDC 180°CA e1
排气行程
TDC
=(e1+ 180°+ 180°+ i2) - (180° + e1+ e2)/2 -(180° + i1+ i2)/2 =90°+(e1+ i2- e2- i1)/4 = 90°+(40°+56°-19°-20°) 内燃机设计第五章 =104°15 ´（凸轮转角）
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第三节 配气机构动力学
• 1、刚性气门机构
* " Fc Fs* mc ht
Fs*为气门弹簧换算 式中，Fc为凸轮与挺柱间的作用力； * m 到凸轮上的弹簧力； c为气门凸轮机构换算到凸轮处的 2 当量质量； " d 2 ht d ht 2 ht c 2 dt d c2
性能：
头部
强度和刚度大、耐热、耐腐蚀、耐磨
进气门570K~670K（铬钢 或铬镍钢） 排气门1050K~1200K（硅 铬钢） 内燃机设计第五章
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排气门吸热、散热及温度分布
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气门与气门座密封锥面
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气门及气门座边缘烧伤
原因：①局部高温一变形一密封破坏一漏气一烧伤； ②冷却系故障，冷却不足；②喷油定时不当，④内 燃机超负荷；⑤涡轮增压器故障．使供气量减少； ⑥进气节流，⑦低压缩比汽油机使用高辛烷值汽油。
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四、凸轮挺柱的运动规律
•1、等加速减速凸轮（运动规律）
ht1 A0 A1c1 A2c21
ht 2 B0 B1c 2 B2c22
0 c1 1
0 c2 2
•这种凸轮存在冲击性惯性负荷，甚至“飞脱”
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• 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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液压挺柱
吊杯式液压挺柱
球阀弹簧刚度要小于油道压力
停车回流防止结构
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。
F为活塞顶面积。主要用来对不同大小的发动机进行充气能力的比较 5．凸轮型线丰满系数
Fm
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(h
0
t
- H 0 )d
(H max H 0 )
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三、气门直径与气门最大升程的关系
H/d=0.25时，气门口与气门座处的流通面积相等 进气门的H/dvi=0.26~0.28 排气门的H/dve=0.3~0.35
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h´
f

h (d h d t )
h h cos
h
C
2. 平均通过断面
1 fm t 2 t1
f
t2
f dt
t1
3. 时间断面丰满系数

fm
f max
主要用来比较同样大小气门，升程规律不同时的气门通过能力 4. 比时间断面
F fm F

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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一、凸轮相对位置的确定
• 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)/2 • =135°+φe2/4-φe1/4
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(180 + e1+ e2)/2 °CA
2 °CA
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推杆弯曲损坏
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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。
故有效速度：
定义润滑特性数 S e / c 2 d 即： S r0 ht 2 h2t
d c
d 2 ht e c (r0 ht 2 2 ) d 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。
凸顶式 （球面顶）
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， （喇叭顶）而不宜用于排气门。
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（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） 气门锥角的作用
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 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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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：
燃烧室的组成部分，是气体进、出燃烧室通道的开关，承受冲 击力、高温冲击、高速气流冲击。
工作条件：
杆部
A、进气门570K~670K，排气门1050K~1200K。 B、头部承受气体压力、气门弹簧力等， C、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。
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二、气门的通过能力评价
1. 时间断面
t2
dt´
γ
A B
h
dh D
γ
h´

t1
f dt
B
h´
C
γ
2
d t d h 2h sin d h 2h cos sin
dh dt ´
h f h cos (d h sin 2 ) 2
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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 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。 一般设计过程: 从动件加速度规律→从动件运动规律→ 凸轮外形 生产中，配气凸轮外形都是用靠模机床 加工的，而凸轮靠模往往是用展成法制 造的。
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