配气机构凸轮型线优化设计

一、绪论

1.1引言

配气机构是内燃机的重要组成部分。它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃烧废气。一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。

设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值.内燃机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的，配气机构的这些性能指标很大程度上取决于配气凸轮的结构。本文从改进配气凸轮型线设计角度来进行配气机构优化设计研究。

1.2配气凸轮型线设计

凸轮机构从动件滚子直接与凸轮轮廓而接触并产生相对运动，利用滚子的滚动以减小因相对运动产生的摩擦与磨损，以提高机构的寿命和可靠性。在设计凸轮型线时首先满足从动件的运动规律。

从动件运动规律的应满足下列要求:

①应保证能获得尽量大的时间断面值，气门开启和关闭要快以求在尽可能小的凸轮转角内气门接近全开位置。

②应保证配气机构各零件所受的冲击和振动尽可能小，以求大得配气机构工作得平稳性和可靠性。

为满足以上从动件的设计要求，一条良好的凸轮型线应能保证:

①适宜的配气相位。使配气相位符合发动机的特性要求，如功率、油耗、怠速及最大功率和扭矩时的转速等，保证配气机构获得尽可能大的时面值或丰满系数，以提高内燃机的充气效率和降低残余废气系数。

②使发动机具有较好的充气性能。由于发动机的形式不同，需要的气门运动规律也就有所不同。例

如球形燃烧室内燃机希望进气门尽快开启使空气尽早流入;而高速汽油机希望进气开始时缓慢一些，以便更好的利用惯性充气。

③适宜的从动件加速度。加速度不宜过大或者带突变，加速度曲线应尽可能连续。负加速度曲线能和气门弹簧力相适应，正加速度大则增加对配气机构刚度要求。

④气门离座及落座时，要具有恒定的速度，称之为初速度及终速度。这个速度如果对高将对气门落座不利;反之，则会增加过渡段长度，这样不容易保证配气相位的精确。

⑤最大升程时，速度必须为零。

⑥要适应发动机总布置要求的尺寸限制。

、

图1.2凸轮外形及缓冲段

1.2．1缓冲段设计

配气凸轮所对应的挺柱升程曲线在上升段及下降段各有一缓冲段。如图1.2所示，从动件在凸轮外形上的B点开始升起，在B′点停止。设计中应保证气门最迟在A点开启，最早在A′点落座。设计缓冲段升程曲线，需要从三个基本参数的选择着手：缓冲段包角α，缓冲段全升程h 和缓冲段末端的速度V。在这三个参数中，在缓冲段全升程h的选定是比较关键的。在选h时，重要的一点是必须考虑到配气结构的弹性变形。缓冲段包角α的选择应与h的选取相配合。如果h 增大，α也要相应的增大。缓冲段末端的从动件速度V既影响到缓冲段的形态又影响到基本段的形态，因而是一个比较重要的参数。当缓冲段速度降低之后，工作段的正加速增大了，而凸轮是与摇臂上的圆弧接触，对气门运动能起一定缓冲作用。故可将凸轮缓冲段的速度减小，以减轻接触时的冲击。

上升缓冲段与下降缓冲段的设计可以是相同的，也可以是不同的。为了是气门开启较快而关闭时落座速度又不致过大，本设计将上升缓冲段包角取得较短，而将下降缓冲段包角取得较长。

本设计采用的是正弦一等速型缓冲曲线，该曲线使气门开启与落座平稳，并大大减小了气门冲击与噪声，曲线方程如下:

1)摇臂摆角升程段的缓冲段

正弦段：]//sin /[1

11

1la

ππϕψββψ）

（N N -= ββψπϕω1

111la /]/cos 1[）（N N -=

ββψπϕπε2

1

112

1la //sin ）（N N =

匀速段：ψβψϕψla

11

1lb

)0.1/(1

/+--=N N ）（ ])1/[(*1

1lb

1

βψ

ω-=

N N

0.0=ε

2)摇臂摆角的回程段

匀速段：][4

3

1

2

）（ββββϕθ++-

-= ψβψθψa

222

2b

20.1/1

/+--=）（）（N N

βψω2

a

22/*0.2N —=

0.0=ε

正弦段：][b

2431a 2）（βββββϕθ+++-

-= ]//sin /[2222a 2N ππθθψββψ）

（-=N ]//cos /[2

22222a 2βββψπθω）

（N N N --= ββψπθπε2

2

2222

a

2//sin ）（N N

=

1.2.2工作段设计

配气凸轮升程曲线中的主要部分是工作段，故凸轮的分类与定名也是参照工 作段升程曲线或加速度曲线的类型。

早期的配气凸轮，其廓形一般是由几种圆弧段或直线段组成的，这类几何形状简单的凸轮可成为几何凸轮。几何凸轮的主要缺点是加速度曲线有间断，对配气结构工作平稳性有不利影响，其优点除结构简单外，主要是丰满系数大，对提高充气性能有利。 比较几种型线:

①复合正弦抛物线型凸轮的挺柱运动规律由三段组成。第一段φ

1为正加速度段，加速度曲线由1/2

波正弦曲线构成。第二段φ

2为负加速度段的一小部分，加速度曲线由1/4波正弦曲线构成。第三

段}3为负加速度的基本部分，加速度曲线由抛物线构成。凸轮型线设计中，如果正加速度段必，越小，则挺柱开始阶段上升越快，时值面也就越大。对于刚度较小的配气机构，特别是下置式凸轮机构，由于正加速度值的急剧增大，容易使气门产生跳动或振动，增加配气机构的噪音和磨损。对于挺柱的升程、速度、加速度、凸轮的最小曲率半径、时值面、丰满系数等参数应进行多方案设计计算，寻求最优设计方案。

这种凸轮型线的从动件升程丰满系数较大，但高速动态性能不好，加速度曲线不连续，附加冲击载荷较大，只适合低速发动机，其特点是在低速时充气性能较好。

②FB2型凸轮所对应的加速度曲线，是由复合正弦凸轮加速度曲线和等加速度曲线综合而成的。原复合正弦凸轮的加速度曲线在正加速度段为半波正弦曲线，在负加速度段为1/4波正弦曲线;而FB2型凸轮的加速度曲线，则是在正加速度段将半波正弦曲线中插进一段等加速度段，而将负加速度段改成由两段组成:第一段是1/4波正弦曲线，第二段为等加速度曲线。

这种型线的特性对高速发动机是比较适用的，但是，在接点处有脉冲，易产生冲击。

③N次谐波型用简化的动力学模型将升程曲线展开为有限项的级数，而把高阶简谐分量接近零，从而减少机构的共振。这种凸轮型线的公式推导比较简单，设计参数比较好调整。但这种凸轮仍不能满足高速发动机的要求。因为这种凸轮的挺柱升程丰满系数较小，气门的落座速度较大，气门冲击较大。使气门落座速度值减小，挺柱升程丰满系数更小，充气性能恶化。

④高次多项式型的项数和幂次的选取有一定的任意性。但是丰满度和重启性能较差。

综合以上几种典型型线的特点，为了保证配气机构进气充分，排气干净，具有较高的充气效率，减小配气噪声，本设计提出了一种非对称的分段函数组合凸轮，该凸轮的主要特点是运动规律的连续性，加速度曲线连续，因此不会引起惯性力的突变。工作段采用非对称设计，与对称型凸轮相比，它可以增大气门的开启时间，改善充气，还可以更好的利用排气能量，把气门的开启的速度设计成大于气门关闭的速度。

由于非对称凸轮型线设计的重要前提是为改善配气机构的动力性能;对于非对称运动规律，设计中先设计上升段，然后设计下降段，并且满足如下条件:

1)上升段与下降段交界处升程曲线连续。