序號：—編碼：重慶理工大學第二十四屆“開拓杯”學生課外學術科技作品競賽

參賽作品作品名稱：配氣凸輪型線設計作品類別：A類別：A自然科學類學術論文B科技發明制作C哲學社會科學類學術論文與社會調查報告2016年重慶理工大學研究生開拓杯配氣凸輪型線設計摘要：配氣機構是內燃機重要組成部分，它控制著內燃機的換氣過程，其設計優劣直接影響著內燃機的動力性，經濟性和排放性以及工作可靠性。今年來隨著內燃機的高速化，低排放化的趨勢，人們對其配氣機構的性能要求越來越高。而凸輪型線配氣機構的核心部分，其設計的合理性影響著配氣機構的各個性能指標。凸輪型線的設計既要保證獲得盡可能的大時面值和豐滿系數以提高換氣效率，又要保證加速度曲線連續，、無突變。本次論文針對以上情況，設計出一款缸徑為68的配氣凸輪，并對其性能做出相應的評價。關鍵詞：配氣機構凸輪升程凸輪型線Abstract:Airdistributionmechanismisanimportantpartoftheinternalcombustionengine,whichcontrolsthegasexchangeprocessoftheinternalcombustionengine,thedesignofwhichhasadirectimpactontheenginepower,economyandemissionsaswellasworkreliability.Thisyear,withthehighspeedoftheinternalcombustionengine,thetrendoflowemission,theperformancerequirementsofthegasdistributionagenciesaregettinghigherandhigher.Andthecorepartofthecamtypeairdistributionmechanism,therationalityofitsdesignaffectstheperformanceindexesoftheairdistributionmechanism.Thedesignofthecamprofileisnotonlytoensurethatthefacevalueandfullnesscoefficientareobtainedasmuchaspossibletoimprovetheventilationefficiency,butalsotoensurethattheaccelerationcurveiscontinuous,andthereisnomutation.Thispaper,inviewoftheabovesituation,designabore68ofthecam,andmakethecorrespondingevaluationonitsperformance.Keyword:ValvetrainCamliftCamprofile.凸輪設計的基本原則凸輪的設計即凸輪外輪廓線的設計，凸輪廓線有兩種表示方法：(1)型線式，給出凸輪對應的挺柱升程曲線以及基圓半徑，(2)外型式，給出輪廓形的幾何形狀和曲線方程。兩種方法的都能清楚的表示出凸輪的輪廓。它們沒有什么本質的區別，外型線能直接反映出凸輪的輪廓，看起來更為直接方便，而型線式的優點是可以直接反映出氣門等從動件的運動規律，在設計配氣機構是，需要對配氣機構的性能進行計算，這時就需要氣門開啟和關閉的規律，在生產過程也需要的是氣門的運動規律，因此，型線式具備方便加工和計算簡介的優點，在一般的設計中也常被采用，所以本文將按照型線式的方式表不。.配氣凸輪的外形設計的兩種方法(1)先選定凸輪與挺柱的形式，然后求出挺柱和氣門的升程、加速度、速度以及時間面值，再根據這些參數所選的凸輪的幾何形狀進行校核。(2)從保證較大的時間面積值和較好的配氣機構動力學特性出發，先預定挺柱的生成規律然后再求出其幾何形狀。在發動機設計中第一種方法更為較多的被采用，本次設計也將采用第一種方法。.基圓半徑的確定凸輪型線是從基圓開始繪制的，從保證配氣機構能夠具備的剛性條件出發選擇它的基圓半徑R,通過查閱設計手冊其值一般在R=(1.5?2.5)xhmax的范圍。基圓半徑：R=(1.5?2.5)x8=12?20mm基圓的設定可根據具體結構大小而定，本次設計設定為13mm.凸輪緩沖段設計(1)緩沖段的設計的基本要求1)由于存在氣門間隙Lo,氣門實際開啟時刻要落后于挺柱運動時刻，所以必須設計一段緩沖段減少沖擊。2)由于氣門彈簧具備一定的預緊力F。，機構在一開始要壓縮彈簧使其變形，等彈性變形力克服了氣門彈簧預緊力后才能開始正常運動。3)由于氣缸內存在氣壓力，氣壓力的作用和氣門彈簧預緊力的作用有一定的相似性，它們都是阻止氣門的開啟，使氣門開啟有一定的延遲。由于以上方面的原因，沒有緩沖段的凸輪，會使氣門氣門初速度由零在短時間內變的很大，這樣會產生很大的沖擊力，容易導致零件變形，損壞零件。（2）凸輪緩沖段參數的確定1）緩沖段高度Hof.進氣門開啟Ho＞史口）（2-12）進氣門關閉Ho＞叱盧）（2-13）排氣門開啟Ho＞"丁"。）（2-14）排氣氣門關閉H。＞一出售）（2-15）上式中，G為機構剛度（N/mm；F0/C0為預緊力引起的彈性變形；Fg/Co氣壓力引起的彈性形變；i為搖臂比；△H為氣門提前落座的量（由氣門與氣門導管間隙引起的氣門傾倒而導致）緩沖段的一般高度范圍為H）=o.15-o.3mm。2）緩沖段速度M=o.oo6-o.o25mm。緩沖段包角①o①。=15°-4。，一般內燃機的緩沖段型線的形式有很多種，常用的有等加速段-等速型以及余弦型兩種，如下圖所示圖2-4.等加速-等速型緩沖段圖2-5,余弦型緩沖段在以上兩種緩沖段類型中，通過比較等加速-等速型緩沖段在現代汽車發動機中更為常用，特別是在高速發動機中基本采用等加速-等速型緩沖段凸輪。其主要是由于安裝誤差、加工誤差以及氣門變化方面的原因，實際氣門開啟時刻或挺柱開始移動時刻不能準確的保證在緩沖段結束，工作段開始的時亥人采用等加速-等速型緩沖段時，只需要將氣門間隙合理的控制，就能保證氣門的開啟加速度和落座加速度為零，速度為一個常數使工作更加平穩。所以本次設計中選用等加速-等速型凸輪。根據以上的范圍要求，本次論文采用的緩沖段參數如下表：表1,緩沖段參數表緩沖段高度H0緩沖段速度V0緩沖段包角①0等加速段包角①01等速段保包角①020.20mm0.01mm/(0)302010等加速-等速型有以下性質：等加速段：ht=c6c20w少三①01(2-16)上式中，C為二次項系數，可通過邊界調節確定；①01為凸輪等加速段的包角。其中：①01=20等速段：ht=vo(^c-①01)+hc1①01W6cW①0(2-17)其中：①0=30°在式(2-17)中，有邊界條件：少c=30日tht=H=0.20mm且已知Vo=0.01mm/()據此可以得到：h01=ht-vo(^c-①01)=0.2-0.01*(30-10)=0.1mm在式(2-16)中，有邊界條件：①01=20;h01=0.1mm據此可以得到：c=h01/①。12=0.1/202=0.00025mm/()2綜上：等加速段：ht=0.00025少；0w少cW20等速段：ht=0.1(6c-20)+0.120W6cW30利用MATLAI?出凸輪緩沖等加速段及等速段升程線:9s?sSQ口9s?sSQ口0Q口婚罵“名26k期制J0凸輪碑西I寺速股凸輪型維圖6,緩沖段等加速段凸輪升程曲線圖7,緩沖段等速段凸輪升程曲線5.凸輪型線工作段設計凸輪型線工作段的設計方法目前有三種方式：a,圓弧凸輪設計方法。它的特點有：加速度曲線近似為矩形，凸輪型線豐滿系數&高，但它的缺點是加速度曲線不連續，沖擊也比較嚴重，這種設計方法不適合用于高速發動機。b,高次方多項式凸輪型線。它的特點有①負加速度小，正慣性力比較小，不易發生飛脫現象，凸輪桃尖處的接觸應力也比其他方式設計出來的型線小。②加速度曲線為連續曲線，它的沖擊力小，可以適用于高速發動機。③方程形式比較簡單，可以用于非對稱凸輪設計。④負家虛度曲線平緩，與氣門彈簧的適應性好。正加速度值很大c.低次方組合多項式型線。它的特點有①時間斷面較大，各段寬度可調節的范圍很大，設計時可以靈活改動，更為方便。②三階以上導數不連續，對平穩性有很大影響。③它只適用于對稱凸輪的設計。圓弧凸輪也需要設置緩沖段。通常是將基圓半徑減掉一個緩沖段高度即可，得到的實際基圓r°,然后讓實際基圓與工作段平滑的連接在一起，這個過渡段即為凸輪緩沖段。由于圓弧凸輪設計的凸輪豐滿系數較高，換氣效率較好，設計較為簡單，所以本次設計選用圓弧凸輪進行設計。對于圓弧凸輪，如圖所示，它一般由時段圓弧和六段圓弧組成，

基圓、腹弧、頂弧組成的四圓弧凸輪。設計時根據基圓半徑r°\工作段半包角0,緩沖段高度H0然后根據給定的幾何參數關系，計算出腹弧半徑ri即可。圖8.凸輪的幾何關系表2.本次設給定參數:基圓r。’13mm頂弧r2（排氣凸輪）4.9mm緩沖段高度H00.2mm凸輪最大升程hm（進氣）7.3mm工作半包角060凸輪最大升程hm（排氣）7.7mm頂弧心（進氣凸輪）5.3mm進氣凸輪：弧頂圓與基圓圓心距：D02=hm+r0-r2=7.3+13-5.3=15mm排氣凸輪：弧頂圓與基圓圓心距：D02=hm+r0-r2=7.7+13-4.9=15.8mmrI』；十鼠一2r。鼠cos"-r/（2-18）2「0’—『2—D02cos9）將以上參數代入公式可得:進氣凸輪腹弧半徑:

132152一2*13*15*cos60-5.32R1二=427.3mm2*(13-5.3-15*cos60)排氣凸輪腹弧半徑：13215.82一2*13*15.8*cos60-4.92…/R==473.1mm2*(13-4.9-15.8*cos60)算出腹弧半徑后，即可根據圖(2-15)所示的符號規則，按照下列式子計算任意時刻的圓弧凸輪的平面挺柱運動規律。%=D0icos^i+ri-ro(2-19)%,=D0isin%(2-20)Tcos%(2-21)進氣凸輪：ht=15cos:-h|=15sinht--15cos利用MATLAI?出具挺住對應的運動規律圖如下：gqMwTWgqMwTW挺七運幼規律國102030dO5060凸輪轉角(">圖9.進氣凸輪工作段對應挺柱運動規律排氣凸輪：ht=15.8cos-:ht=15.8sin

n=-15.8cos:利用MATLAI?出具挺住對應的運動規律圖:o;Hf挺柱升程推柱.運動速度-挺柱運動加速度XWV13.6Ex；no;Hf挺柱升程推柱.運動速度-挺柱運動加速度XWV13.6Ex；nY:DX加?030凸輪鑄編dO圖10.排氣凸輪工作段對應挺柱運動規律6.對設計的凸輪型線進行評價在完成凸輪工作段和緩沖段設計后，設計的凸輪升程和對應挺柱隨凸輪轉角的變化用圖像表示出來如下:凸坨組甥劇凸航特焦＜■]凸航特焦＜■]圖11.凸輪升程圖圖12.凸輪對應挺柱速度圖從圖11中可以看出設計的凸輪型線較為平滑，圖12看出設計的凸輪對應挺柱的速度為連續的，沒有跳躍點，因此設計的較為理想。前面已經完成了配氣機構凸輪型線以及搖臂的設計，現在可以根據凸輪的運動規律，求出氣門隨凸輪轉角的運動規律。設定氣門間隙為Ho=0.3mm,則有氣門升程有旦=iht-H。。其中i為搖臂比，h為凸輪升程。這里將搖臂比定為1.4。用MATLAI?出其氣門隨凸輪轉角運動規律圖：K11IK11I圖3-4.氣門升程規律圖在設計的最后，利用凸輪型線豐滿系數來評價氣門的通過能力進氣門：,fm；(n-H進氣門：,fm；(n-Ho)dc(Hmax-H°尸60(15cos:-7.7-0)d:0=0.647(7.3-0)口-1600排氣門Ifm=0.625o（h[一H0）dc0（15.8cos一8.1排氣門Ifm=0.625（Hmax-H0”:（7.7-0）71對于一般凸輪要求為其豐滿系數大于0.5。所以本次設計的凸輪型線換氣性能較為理想。7總結通過調整凸輪型線設計，改變凸輪和搖臂的幾何參數，可以在滿足接觸應力限值和潤滑條件的前提下使配氣機構獲得最大的通氣能力。為了驗證凸輪型線對接觸應力和油膜厚度的影響，還需進行機構動態模擬試驗。在此，關于動態模擬的有關問題未能深人討論，以后需作專題研究。參考文獻[1]秦元偉.摩托車發動機配氣機構的運動學和動力學分析[D].重慶：重慶大學，2008.11.[2]張紀龍.配氣機構優化技術的發展現狀和趨勢[D].機械工程師2015年第11期[3]尚漢冀.內燃機配氣凸輪機構一設計與計算[J].上海復旦大學出版社，1988[4]王艷芳.王少輝.凸輪型線對發動機性能影響的研究《裝備制造技術》.2015年第8期