第五章 配气机构设计 新PPT

第二阶段凸轮的最大转角βmax
βmax=ø0-αmax
挺柱在第一段的速度：
讨论速度的变化
挺柱在第一段的加速度：
讨论加速度的变化
挺柱在第二段的速度：
讨论速度的变化
挺柱在第二段的加速度：
讨论加速度的变化
凸弧凸轮平面挺柱的运动规律
凸弧凸轮与挺柱运动规律的比较
函数凸轮的分类 函数凸轮根据所采用的函数曲线的类型可分为 组合式和整体式。 组合式：凸轮的工作段升程曲线是分段曲线， 由若干段不同的分段曲线组合而成。这些函数 曲线为三角函数、低次多项式等。
② 缓冲段参数及基本类型
H0：缓冲段高度。 进气门开： 进气门关：
H0
排气门开：
( L0
F0 i
C0
)
H0
排气门关：
( L0
F0
C0 i
H r )
H0
( L0
F0
C0 i

Fg
C0
)
H0
( L0
F0
C0 i
H r )
一般 H0＝0.15~0.3mm。 V0：缓冲段速度，V0＝0.006~0.025 mm/deg Φ0：缓冲段包角，Φ0＝15○～40○
y 0, C0 H max
x 时 y H 0 , y －V0， y 0, y 0, y (4) 0
给定幂指数p、q、r、s，列方程求解方程系数
挺柱升程 挺柱加速度 挺柱速度 缓冲段开始
等加速段 等速段
优缺点： •负加速度小，正向惯性力小，桃尖的接触应力小。 •加速度曲线连续，冲击小，有利于向高速发展。 •方程形式简单。 •可用于非对称凸轮设计。 •负加速度曲线平缓，与气门弹簧的适应性不太好 •正加速度值大
2 2 2 2 2 2 a b ( r r ) a b oo 0 m 1 0 cos1 cos1 2ab 2ab
B A ( 0 )
y B c sin B
hv y A yB
四、凸轮的工作段和缓冲段设计 1. 缓冲段设计 ① 设置缓冲段的必要性 a. 由于气门间隙L0(mm)的存在，使得气门实际开启时刻 晚于挺柱动作时刻。 b. 由于弹簧预紧力P0(N)的存在，使得机构在一开始要产 生压缩弹性变形，等到弹性变形力克服了气门弹簧预紧 力之后，气门才能开始运动。
b. 余弦型
ht 0 H t 0 (1 cos
) 2 0
0 0
缓冲过渡曲线的型式
1.等加速—等速型 升程曲线由二次抛物线（等加速度）和直线（等速）组成 等加速段：
等速段：
等加速—等速段的优点 1）在等速段以速度开启和落座。 2）等加速度段可保证挺柱由实际基圆过渡到缓冲段 工作时，速度由零逐渐增大，无突变，工作平稳。 3）等速段加速度为零。
第一节 配气机构型式及评价 一、型式
γ
a
b
D
E
F
无凸轮电磁 气门机构
无凸轮电液驱动气门机构
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 ´
缓冲过渡曲线的型式 2.余弦函数型 缓冲段曲线的加速度曲线为余弦函数。
余弦函数型过渡曲线的优点
缓冲曲线终点的加速度为零，但是从过渡 段到工作段加速度仍有突变。
一
圆弧凸轮
凸轮的从动件是挺柱：
有两种：平面挺柱 滚子挺柱
圆弧凸轮的几何参数
双圆弧凸轮有五个参数： 为使圆弧凸轮能可靠地工 作，凸轮型线外形应连续 光滑，这就要求各段圆弧 在交接处有公切线和公法 线。
正加速度段所占的曲轴转角缩短了
3.复合正弦抛物线加速度凸轮
正加速度为半波正弦 曲线，负值为1/4正 弦曲线和二次曲线组 合。
凸轮型线的静态评价 1、凸轮型线丰满系数 Fm

Fm
(h
0
t
- H 0 )d
(H max H 0 )
对于只有升程数据表的情况
Fm

i 0
典型缓冲段型线： a. 等加速－等速型 等加速段：
dht d 2 ht ht , , 2 d c d c
ht c
等速段：
0 01
Φ 01
Vo
Ho
α
Φo
ht v0 ( 01 ) h01 01 0
dht d 2 ht ht , , 2 d c d c
采用分段计算的方法
挺柱与腹弧相接触的阶段 第一阶段： 挺柱在A点相接触的时刻 起即开始上升，定义为 α =0
逆时针 转。
关于ht的求解
α是什么？ 到底是不是凸轮转角？
图中AB段的最大转角αmax
式中的D为多少？D=r0+hmax-r2
第二阶段：挺柱与顶弧相接触 定义：逆着凸轮的旋转 方向计算，即顺时针方 向计算 在β 处挺柱的升程为：
h f h cos (d h sin 2 ) 2
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
e ht
dht ) max 设计时平底挺柱的底面半径要大于emax，即大于 ( d c r 由 vt r c vt c 得 vt (r0 ht ) c OB OA ht r0 r
偏心距e等于挺柱的几何速度
二、凸轮外形与平底挺柱运动规律间的关系
接触点A沿挺柱表面的移动速度为
C0 C S e M
（弧度/秒）
e 1 f 2 2
C0 C S M
（Hz）
2、实测自振频率
自振频率的实测有两种方法： （1）在气门上安装位移传感器，在气门与摇臂之间塞进一个厚度不大 的薄金属片，例如螺丝刀的平面。转动凸轮轴将气门压开一定的开度， 然后突然撤去金属片，将位移传感器传出的信号记录下来，此时的位移 信号应该是一个周期衰减波形，假设此时的周期是T（s），则配气机构 的自振频率为
本章开始
1.组合式凸轮
(1) 复合正弦凸轮：
2.复合正弦凸轮
复合正弦凸轮曲线由两段曲线组成。 正加速度段为短周期半波正弦曲线。 负加速度段为1/4正弦曲线。 特点： 最大正加速度较大，正加速度所占凸轮转角 较大，使气门开启或关闭的时间拖长。 基于上述原因，复合摆线凸轮
复合摆线凸轮
在半波正弦曲线中间， 加入一段长度占正加 速度一半的水平线。
c. 由于缸内气压力的存在，尤其是排气门，气缸压力的作用与
气门弹簧预紧力的作用相同，都是阻止气门开启，使气门晚开。 上述原因使气门实际开启时刻晚于理论时刻，实际落座时刻早于理论 时刻。造成开起冲击大、落座速度高。机构振动、噪声和磨损加剧。
凸轮缓冲段过度曲线的设计
包括： 1）缓冲段过度曲线函数的设计 2）所占的凸轮转角 3）最大升程（理论基圆与 实际基圆半径之差）
这五个参数的制约关系
这五个参数的制约关系 由凸轮的几何关系有：
将几何关系代入11-3中，可得：
公式11-4
r0与ø0 的确定 摇臂比 i
定义：气门端的摇臂长度L2与凸轮端的摇臂长度L1之比
r1与r2的选择
凸弧凸轮平面挺柱的运动规律
即平面挺柱的升程ht、速度vt、加速度 at在凸弧型线上随凸轮转角α的变化规 律。
it
Δτ
de dht dht d c it ht c dt dt d c dt
接触点A沿凸轮轴表面的移动速度为 c
i
Δ c
dlc d c dlc dA1 A2 ic c dt d c dt d c c
vt ic it c ht c (r0 ht )c
但是最小负曲率半径要大于滚子直径和砂轮半径。
min Rm
3 、K 值
ta f K t n n 6nc
ta--示在凸轮轴转速为nc的时候，凸型线正加速度宽度所占的时间（s）；
tn 1

f
--为配气机构基频（Hz）的自振周期(s)。
--为凸轮型线上升段正加速度段宽度； --为配气机构一个自振周期对应的凸轮转角。
第五章 配气机构设计
第一节 配气机构型式及评价
第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计 第三节 配气机构动力学 第四节 凸轮轴及气门驱动件设计 第五节 可变配气相位及其机构（VVT）
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第五章 配气机构设计
配气机构应保证气缸内换气良好，充气系数高，换气损失小，使发动机有良好的动力性和 经济性，同时要求本身工作平稳可靠，噪声低
整体式：凸轮的工作段升程曲线是分段曲 线，由一个函数曲线表示，多项式凸轮等
2. 凸轮工作段设计 ① 高次方多项式凸轮型线
x x x x x y C0 C 2 ( ) 2 C p ( ) p C q ( ) q C r ( ) r C s ( ) s





边界条件 X=0时 y=Hmax，
n
一般认为，能够使配气机构运行平稳的K值应该满足
ta f K 1.33 t n n 6nc
机构自振频率的计算和实测 1、计算自振频率 在不考虑机构阻尼和外力的情况下，配气机构单质量模型的自由振 动方程为
C0 C S y y0 M
其通解为
y A cos(e t )
所以凸轮各点的曲率半径为
r0 ht ht
min 应大于3毫米
三、滚子挺柱运动规律
ht (r0 rm )(cos 1) hR cos hR tg , c R r0 rm hR
1 hR (r0 rm ht ) (r0 r m ) cos
h5 C19 C 20 5 C 21 52
除起始点与缓冲段连续外，其他 的边界条件就是保证各段升程及 三阶导数连续，最大升程Hmax 是给定值。最大升程点对应的挺 柱速度为零，该处的加速度和第 三阶导数不作限制。
优缺点： i．时间断面大，设计 上比较灵活； ii．三阶以上导数不连 续，平稳性有影响； iii．只能用于对称凸轮
整体式凸轮—高次多项式凸轮
五次多项式
用五个边界来确定C0、Cp、Cq、Cr、Cs
已知， 只需求P、q、r、s
② 低次方组合型线
h1 C1 C 2 1 C 3 12 C 4 13 C 5 14
2 h2 C 6 C 7 2 C8 2 3 h3 C 9 C10 3 C11 32 C12 3 C13 34 2 3 4 h4 C14 C15 4 C16 4 C17 4 C18 4
已知滚子挺柱规律， 求平底挺柱规律。
ht tg , R c r0 rm ht
已知平底挺柱规律， 求滚子挺柱规律。
顶置凸轮摆臂机构的凸轮—气门运动规律
A tan
1
yA xA
2 2 2 2 2 2 a b ( r r h ) a b oo 0 m R 2 cos 1 cos 1 2ab 2ab
n1
(hti H 0 ) (ht (i1) H 0 )
2 (Hmax H 0 )
i 1 i
2、最小曲率半径
min
平底挺柱凸轮表面的最小曲率半径表示为
r0 ht ht
min 3mm
滚子挺柱，凸轮表面曲率半径可以是负值，也就是说可以使凹面凸轮。
F fm F

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
(h
0
t源自文库
- H 0 )d
(H max H 0 )
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
本章开始
第二节 一、平底挺柱的运动规律
配气机构运动学和凸轮型线设计
速度三角形与△AOB相似
h r c t AB AO
e h t c
dht dht d c 又∵ ht ht c dt d c dt
∴ e c ht c