配气机构传动组的设计_毕业论文.doc

毕业论文 毕业设计说明书 配气机构-传动组的设计 姓 名: 所属院校： 专 业: 汽车制造与装配技术 班 级: 学 号: 指导教师： 论 文 摘 要 气门配气机构是四冲程柴油机所特有的机构，它是按照发动机的点火次序和各缸工作循环的要求，定时开启和关闭进、排气门，完成换气过程。因此配气机构要满足：进、排气的定时和准确；气门关闭要严密可靠；气流阻力要小；结构简单拆装方便。 气门配气机构由气门组、气门传动组、凸轮轴传动机构三部分组成 气门组主要由：气门、阀座、气门导管、气门弹簧和连接键组成，一般柴油机采用不带阀壳气门组气门的开启和关闭是靠传动机构来实现的，传动机构可分为机械和液压传动机构。 大部分柴油机分为下置式传动形式、中置式传动形式和上置式传动形式。由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、摇臂座、摇臂轴、调整螺钉等组成。其作用是使进排气们按配气相位规定的时刻进行开闭，并保证有足够的开度。凸轮轴与曲轴之间的传动机构与柴油机的型式、凸轮轴与曲轴的相对位置、气门传动机构的型式等有关，一般有齿轮传动、带传动和链传动。现在发动机大多数都采用带传动，这种传动方式可以减小噪声、减小结构质量与降低成本。发动机曲轴与凸轮轴的传动比为2：1配气机构控制发动机进排气过程,直接影响着发动机的性能，是衡量发动机可靠性的指标之一.关键词：配气机构 气门传动组 凸轮轴 目 录1、配气机构的功用5 2、配气机构的设计要求5 3、充气效率6一、凸轮轴的设计1、凸轮轴的设计要求62、凸轮轴的结构63、凸轮轴的布置形式74、凸轮轴的选材7 5、凸轮轴的定位方式76、凸轮轴的热处理工艺77、凸轮轴的损坏形式8二、凸轮的设计 1、配气相位8 2、气门重叠93、气门间隙104、凸轮的设计时应满足的要求105、平面凸轮机构的工作过程和运动参数11三、挺柱的设计1、挺柱的结构122、挺柱的材料133、挺柱常用的型式134、液压挺柱工作原理13 5、凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防148、液压挺柱的维修15 四、推杆的设计1、推杆的作用152、推杆的结构形式163、推杆尺寸设计164、推杆稳定性安全系数的确定16五、摇臂的设计1、摇臂的工作原理172、摇臂的结构173、摇臂比174、摇臂润滑175、摇臂的定位176、摇臂的材料17 六、配气机构的可变技术 1、可变气门正时及升程电子控制系统18 2、可变配气相位183、凸轮轴气门驱动机构184、可变气升程19 五、三维视图 1、凸轮轴视图20 2、推杆视图21 3、摇臂轴视图22 4、摇臂视图23 5、挺柱视图24 参考文献25 配气机构的设计-气门传动组 一、配气机构的功用按照发动机每个气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭气缸的进、排气门，使新鲜可燃混合气(汽油机)或空气(柴油机)得以及时进入气缸，废气得以及时从气缸排出。 二、配气机构的要求（一）对于一个正常工作的配气机构应该具有如下的要求 1.进、排气门的时间足够大，泵气损失小，配气正时恰当，在排气过程中能较好的排出废气，进气过程中能吸入较多的新鲜空气，因而使发动机具有较高的充量系数和合适的扭矩特性。 2.振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨 3.结构简单、紧凑 4.为了减轻惯性负荷，使配气机构运动零件的质量减到最小 三、充气效率 在进气行程中，实际进入气缸内的新鲜空气或可燃混合气的质量与在进气系统进口状态下充满气缸工作容积的新鲜空气或可燃混合气的质量之比。v=M/M0 M 进气过程中，实际进入气缸的新气的质量 Mo在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质量 一、凸轮轴的设计 （一）凸轮轴设计的要求 1.正确的设计进排气凸轮的位置，实现配气正时，使柴油机正确的按照一定规律运转。 2.从柴油机的总体布局来设计凸轮的允许弯曲变形，合理的计算出支撑它的轴颈数目，轴颈的直径、和凸轮轴的最小直径尺寸。 3.选择合理的材料和热处理工艺，使它不仅有足够的刚度与韧性，而且要使凸轮和支撑轴的表面有合理的硬度，具有较好的耐磨性。 （二）凸轮轴的结构 整体式凸轮轴，它的结构较紧凑，这种结构都是将凸轮轴从机体一端插入的，所以将它的两个支撑轴颈加工的尺寸大小是不同，前端的支撑轴颈尺寸大，后端的小些，而且前端轴颈的尺寸必须大于凸轮轴的高度，这样便于安装。轴颈上安装滑动轴承。 （三）凸轮轴的布置型式因按照与轮轴位置分为：凸轮轴上置、凸轮轴中置、凸轮轴下置 1.凸轮轴上置式特点： 凸轮轴与气门距离近，不需要推杆、挺柱，使往复运动的惯量减少。应用高速发动机 2.凸轮轴中置式传动方式：凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂，省去了推杆应用：适用于发动机转速较高时，可以减少气门传动机构的往复运动质量 3.凸轮轴下置缺点：凸轮轴与气门相距较远，动力传递路线较长，环节多，因此不适用于 高速发动机。优点：简化曲轴与凸轮轴之间才传动装置，有利于发动机的布置 (四）凸轮轴的选材 因为凸轮轴要承受气门间歇性开启的周期性冲击载荷，必须要有足够的强度和韧性，同时还应具有一定的耐磨性，才能让发动机在正常的工况下工作，选择碳钢，一般选择45钢就可以满足要求了。 （五）凸轮轴的定位方式 定位的原因:由于汽车的上下坡或者在加速的时候，都可能使凸轮轴发生轴向窜动为防止由此引起的对配气定时的不良影响，需要采用轴向定位措施。 （六）凸轮轴的热处理工艺 1.渗碳 2.机械加工 3.高频淬火（回火） 4. 氧化处理 (七）凸轮轴的损坏形式 1.支承轴颈的磨损 2.凸轮表面的磨损、刮伤和点蚀 二、凸轮的设计虽然瞬时的打开和关闭气门能够获得最大的时间截面，但是这样做会使零件产生很大的惯性力。因此在设计配气机构时选用这样的凸轮型线，使它保证可以有足够的气缸冲量的同时，同时也保证运动零件的惯性力数值在允许的范围内。 (一)配气相位 以曲轴转角表示的进排气门开闭时刻及其开启持续的时间，称为配气相位a配气相位是影响充气效率的重要因素之一，直接影响发动机的动力性和经济性。理论上，四冲程发动机的进气门当活塞处于上止点时开启，下止点时关闭；排气门则当活塞在下止点时开启，上止点时关闭 。进气时间和排气时间各占曲轴转角。但实际由于发动机转速很高，活塞每一行程历时相当短。在这很短的时间内换气，导致进气不足，排气不净，从而发动机功率下降。实际上，气门的开闭时刻并不是恰好在上、下止点，而是提前开、迟后关一定的曲轴转角。因此，现在发动机普遍采用延长进、排气时间的方法，以改善进、排气状况，从而提高发动机的动力性。 进气门早开角：进气顺畅 进气门晚关角：利用惯性，增加气量排气提前角：尽早自由排气排气迟后角：利用惯性，减少废气残余a1030 4080 4080 1030 注：汽车构造书上查得 （二）气门重叠 由于进气门在上止点前开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了一段时间内进、排气门同时开启的现象，这种现象为气门重叠，同时开启的曲轴转角(+)称气门重叠角。在这一重叠角内，由于进气歧管内的新鲜气流和排气歧管内的废气气流的流动惯性都比较大，致使气缸内的气体在短时间内是不会改变流向的。所以只要气门重叠角选择适当，就不会有废气倒流入进气歧管和新鲜气体随同废气排出的可能性。 增压柴油机气门重叠角可选择大一些。因为增压柴油机进气压力较高，废气不可能进入进气歧管，并且可利用新鲜气体将废气扫除干净。不同发动机，由于结构形式、转速各不相同，因而配气相位也不同。同一台发动机转速不同也应有不同的配气相位，转速越高，提前角和迟后角也应越大。通常根据发动机性能的要求，通过实验确定该发动机在某一常用转速范围内较为适合的配气相位。对发动机性能影响最大的是进气迟后角。过小，进气门关闭过早影响进气量；过大，进气门关闭过晚，进入气缸内的气体重新又压回到进气道内，影响发动机的进气量。为获得发动机高转速、大功率，要求配气机构有较大的进、排气持续角度，特别是进气迟后角要大，充分利用流动惯性，多进气；为了获得发动机低转速、大转矩，进气迟后角要小，防止低速倒流；为获得中小负荷较好的燃油经济性，气门重叠角应小。若能同时满足上述要求，配气机构应装有可变配气正时系统。（3） 气门间隙1. 气门间隙的含义 气门间隙是指在气门处于关闭状态时气门与传动件之间的间隙.发动机工作时，气门因温度升高而膨胀。如果气门及其传动件之间，在冷态时无间隙或间隙过小，则再热态下，气门及其传动件的受热膨胀势必会提前顶开气门，从而引起气门关闭不严，造成发动机在压缩和做功行程中漏气，使功率下降或烧毁气门，严重时甚至不易起动。为此，在装配发动机时，使气门与传动件预留适当的间隙，以补偿气门受热后的膨胀量。一般在冷态时，进气门间隙为0.250.30mm,排气门间隙为0.303.35mm。2.气门间隙过大、过小的危害气门间隙的大小，对发动机的工作和性能影响很大。如果间隙过小，发动机在热态下可能因气门关闭不严而发生漏气，导致功率下降，甚至气门烧毁；如果气门间隙过大，则使传动零件之间以及气门和气门座之间产生撞击声，并加速磨损，同时也会使气门开启的持续时间减少，气缸的充气以及排气情况变坏。3. 气门间隙的调整 调整方法有逐缸调整法和快速调整法。调整时，挺住必须落在凸轮的基圆上 (三）凸轮的设计时应该满足以下的要求 1.具有合适的配气相位。它能照顾到发动机功率、扭矩、转速、燃油消耗量、怠速和启动等各方面的性能要求。 2.为使发动机具有良好的充气性能，因而时间面积值应尽可能大些 3.加速度不宜过大，并应连续变化 4.具有恰当的气门落座速度，以免气门和气门座的过度磨损和损坏 5.应使配气机构在所有工作转速范围内都在平稳工作，不产生脱离现象和过大的振动。 6.工作时噪声较小 7.应使气门弹簧产生共振的倾向达到最小程度 8.应使配气机构各传动零件受力和磨损较小，工作可靠，使用期长 上述这些要求往往相互矛盾，必须根据发动机的具体情况要求，抓住主要矛盾，协调各种因素，妥善解决。凸轮线性通常根据所选的线型形成规律做出，这样保证制造比较简单的凸轮线形 （三）平面凸轮机构的工作过程和运动参数 图1a为一对心直动尖顶从动件盘形凸轮机构，从动件移动导路至凸轮旋转中心的偏距为e。以凸轮轮廓的最小向径rb为半径所作的圆称为基圆，rb为基圆半径，凸轮以等角速度逆时针转动。在图示位置，尖顶与A点接触，A点是基圆与开始上升的轮廓曲线的交点，此时，从动件的尖顶离凸轮轴最近。凸轮转动时，向径增大，从动件被凸轮轮廓推向上，到达向径最大的B点时，从动件距凸轮轴心最远，这一过程称为推程。与之对应的凸轮转角0称为推程运动角，从动件上升的最大位移h称为行程。当凸轮继续转过s时，由于轮廓BC段为一向径不变的圆弧，从动件停留在最远处不动，此过程称为远停程，对应的凸轮转角s称为远停程角。当凸轮又继续转过0角时，凸轮向径由最大减至rb，从动件从最远处回到基圆上的D点，此过程称为回程，对应的凸轮转角0称为回程运动角。当凸轮继续转过s角时，由于轮廓DA段为向径不变的基圆圆弧，从动件继续停在距轴心最近处不动，此过程称为近停程，对应的凸轮转角s称为近停程角。此时，d0dsd0ds=2p凸轮刚好转过一圈，机构完成一个工作循环，从动件则完成一个“升停降停”的运动循环 图1 三、挺柱的设计 （一）挺柱的结构 挺柱的作用是按凸轮的运动规律推动传动机构，同时承受凸轮的侧向压力，并将凸轮的推力传递给推杆或气门杆，推动推杆或气门克服气门弹簧的作用力而运动。特别是挺柱的底面，由于和凸轮表面接触的面积很小，接触应力很大，表面磨损很大，甚至可能刮伤，因此挺柱侧面以及底面要求耐磨。形状是筒型，这种结构可以减轻它的质量，从而达到减小它的往复惯性力。它的这种结构同时也保证凸轮轴在旋转时，挺柱底面所受的偏心切向力使挺柱产生旋转运动，保证工作表面的磨损时很均匀的挺柱的轴线相对于凸轮的轴线的偏移量为13。 （二)挺柱的材料 挺柱一般用的是低碳钢底部堆焊合金，或者铸铁底部采用冷激，或球墨铸铁制造，其摩擦表面应经过热处理提高硬度后精磨。挺柱的材料和底面的硬度是和凸轮轴材质及凸轮表面的硬度相匹配的。 （三）挺柱常用的型式有 整体式挺柱、滚轮式挺柱和液压挺柱 1.整体式挺柱以一个整体零件的形式传递运动，它是为轻型气缸设计的，常见的形式有菌形挺、平面挺杆和筒形挺杆三种，机械挺柱为桶形，取消了原有垫片调节式机械挺柱配气机构中的垫片，取而代之是将机械挺柱的内腔中心一体成型一凸台，直接与气门杆顶端相抵，其厚度相当于原有垫片的厚度，即挺柱变成了整体式，同样可以达到对气门间隙的调整，保证发动机的正常工作运转。因此本结构减少了原有结构的零件数量，降低了加工难度，更容易保证质量，降低成本。 2.滚轮式挺柱与整体式挺柱很相似，区别在于下部装有滚轮，通过滚轮在凸轮轴上滚动而不是滑动，降低了摩擦力，而且载荷分配更均匀，主要用于高压缩比的柴油发动机和赛车发动机上。以上两种挺柱的发动机都必须有调整气门间隙的措施。气门间隙解决了材料热膨胀对气门工作的影响，但在发动机工作时发生撞击而产生噪声。为了解决这一矛盾，有些发动机采用了液压挺柱。 3.液压挺柱外形及结构由挺柱体、油缸、柱塞、球形阀、压力弹簧等组成 （四）液压挺柱工作原理 液压一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、无件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。液压挺柱的工作主要依靠机油压力、挺柱体与座孔间隙、气门杆与挺柱间隙及挺柱内止回球阀。液压挺柱刚开始工作时，由于腔内无油压，故挺柱柱塞处在最底部，挺柱与气门间隙较大，气门产生短时异响。随着发动机的运转，在机油压力的作用下，挺柱内柱塞腔内充注油液，柱塞下行，挺柱有效工作长度增加，气门间隙减小。由于挺柱内柱塞所产生的力较小，不能产生压缩气门弹簧的力量，所以当挺柱与气门间隙达到很小时，挺柱不再运动。同时又因挺柱内止回球阀的作用，挺柱柱塞腔内的油压不能迅速排出，使得柱塞保持在原位不动并维持原有长度形成刚性，从而推动气门打开。随着发动机的运转，气门间隙保持一定间隙，消除了气门异响。 （五）凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防1.表面刮伤刮伤的原因：由于凸轮和挺柱让润滑情况恶化引起的防止的方法 （1）改善润滑：保证在凸轮与挺柱面间经常供给黏度、成分、温度和数量均匀合适的润滑油；采用具有特殊添加剂的润滑油；使凸轮与挺柱的接触面光洁度尽可能的高一些； （2）降低接触应力：尽量减轻配气机构的往复运动质量；增加凸轮的刚度;采用弹性模量较小的但有较高硬度和强度的金属作为凸轮和挺柱的材料。 （3）表面磷化处理 （4）凸轮、挺柱的化学成分及其金相组织的选择适当 （5）采用热导性好的材料 2.表面蚀点 发生的主要原因：点蚀是金属的疲劳过程。 预防的措施：（1）改善润滑；（2）降低接触应力；（3）降低残余应力；（4）材料的化学成分和金相组织；（5）采用热导性好的材料（6）材料内部应尽量减少气泡。夹渣等缺陷。（7）提高材料的抗疲劳强度和抗腐蚀能力。 3.表面磨损 凸轮磨损有两种情况：（1）是一个缓慢的抛光过程，最后形成一个硬而光滑的摩擦表面。这种抛光的过程常开始于凸轮廓线零加速度的位置，而止于凸轮廓线的顶端之前，顶端不会被磨平。（2）随着时间逐渐或迅速磨损下去，直至影响发动机的性能。不正常的迅速磨损，严重者则在几个小时内即可将凸轮定磨平。 （六）液压挺柱的维修 1.检修液压挺柱时应注意：液压挺柱与承孔的配合间隙一般为0.01-0.04mm，逾期后应换挺柱。 2.发动机总成修理时，如气门出现开启高度不足时，一般应更换挺柱。有条件时，可按照原厂规定在液压实验太上，将规定的压力施加与液压挺柱上方的圆座上，检查液压挺住的柱塞向下滑移规定的距离所需的时间，此时间过短，即发动机维护时，出现气门开度不足时，可专用的工具排完液压挺柱内渗入的空气，恢复气门的最大升程。 3.使用液力挺柱的发动机应注意以下问题 （1）对润滑油的压力和滤清质量要求较严格。当润滑油压力过低时，补油能力下降，气门间隙大； （2）液力挺柱拆洗后，装机前必须人工排气，否则起动困难 （3）冷机或停放时间长时，起动后有短暂气门响声，这是正常现象 （4） 结构复杂，加工精度要求高 （5）磨损后无法调整间隙只得更换 四、推杆的设计 （一）推杆的作用 是将从凸轮轮经过挺柱传来的推力传给摇臂，它是气门机构中最易弯曲的零件。要求有很高的刚度，在动载荷大的发动机中，推杆应尽量地做得短些。对于缸体与缸盖部是铝合金制造的发动机，其推杆最好用硬铝制造。推杆可以是实心，或空心的钢制实心推杆，一般是同球形支座锻成一个整体，然后进行热处理。 （二）推杆的结构形式 它是一个细长杆，在工作时容易发生纵向弯曲，它是配气机构中刚度薄弱的环节。一般发动机采用冷拔无缝钢管（或铝制空心管）制造。采用冷拔无缝钢管可减轻它的质量，减小往复惯性力。此外，缩短推杆的长度是减轻质量，提高纵向弯曲应力和整个配气机构刚度的有效办法。 （三）推杆尺寸设计 根据发动机的结构，它的长设计为150mm ，直径8mm，球头半径3.75mm。才可以满足其要求。 （四）推杆稳定性安全系数的确定 推杆的纵向弯曲按下列计算 式中：P作用于推杆上的临界力 E推杆材料的弹性模量 J推杆中央横断面的惯性力 推杆的外径 空心推杆的孔径 L推杆的长度 五、摇臂的设计 (一）摇臂的工作原理 摇臂是推杆和气门之间的传动件，它是推杆传来的力改变方向后作用于气门尾部以推开气门。 （二）摇臂的结构 它是一个双叉形臂杠杆，两臂承受较大弯距应力，设计时应保证有一定的抗弯强度并保证在轻质量下具有好的强度和刚度。即摇臂的重量尽可能轻而刚度尽可能大。摇臂的几何尺寸决定于气门和凸轮轴的相对位置。为了获得较轻的质量刚性好的结构，往往才有T字型的或者I字型的断面。 （三）摇臂比 摇臂有长、短臂之分，长短之比成为摇臂比，其值在1.6左右。长臂推动气门的杆端，短臂端螺孔中装有气门间隙调节螺钉和锁紧螺母，气门间隙调节螺钉的球头与推杆上端凹球端头接触。 （四）摇臂润滑 摇臂依靠摇臂轴支撑在摇臂支座上，摇臂上钻有油孔，摇臂轴为中空型，机油由支座油道经摇臂轴内腔润滑到摇臂的衬套，然后从摇臂上油道上流出，滴落在摇臂两端进行润滑。 （五）摇臂的定位 摇臂轴上两摇臂间装有摇臂弹簧，一防止摇臂轴向窜动，从而保证各摇臂相对气门杆的确定位置。 (六）摇臂的材料所采用的材料是QT602（表示抗拉强度b60MPa，断后伸长率10）摇臂在与气门的尾部接触时既有滚动又有滑动，所以对材料的要求是要耐磨，为了防止磨损影响正常的配气相位，故该表面要求淬火热处理的工艺。6、 配气机构的可变技术可变技术(Variable Technology) 是指随着使用工况及要求的变化,或者为了解决矛盾及避免内燃机不正常工作现象的出现,使相关系统的结构或参数作相应的变化,从而使内燃机在各种工况下,综合性能指标能大幅度地提高,而且避免不正常燃烧及超负荷现象的产生。（1） 可变气门正时及升程电子控制系统可变气门正时及升程电子控制系统，简称VTEC，是一种采用在一根凸轮轴上设计两种不同定时和升程的凸轮（高速凸轮和低速凸轮），采用特殊设计的摇臂，根据发动机转速的高低，自动切换凸轮，使摇臂分别被高低速凸轮驱动，达到了配气正时和气门升程可变的目的。凸轮是利用油压装置进行切换的。 （二）可变配气相位传统内燃机配气相位在内燃机运转过程中是固定不变的,不能同时兼顾各种转速的要求,也就很难达到真正的最佳配气相位。而采用可变配气相位则可以在内燃机整个工作范围内,提供合适的气门开启、关闭时刻或升程,从而改善内燃机进、排气性能,较好地满足高转速和低转速,大负荷和小负荷时的动力性、经济性以及废气排放的要求。综上所述,可变配气相位改善内燃机性能,主要体现在以下几个方面：1) 能兼顾高速及低速不同工况,提高内燃机的动力性和经济性;2) 改善内冉机怠速及低速时