【導讀】以FSAE大學生方程式賽車中最常用的HONDACBR600-F4i發(fā)動機為例，方程式，并校核氣門彈簧力。氣缸蓋是提高整機性能的重要結構件之一，是發(fā)動。機技術競爭的焦點。氣缸蓋的氣門排列方式與氣道結構形式影響進氣充量和氣流。面積以及擠氣間隙，所以燃燒室對整機動力性、經(jīng)濟性、排放等都有重要的影響；在實際中要特別防止發(fā)動機的局部過熱，因而對缸蓋必須要

　　

【正文】 VA)。通過這套機構對配氣過程的調(diào)節(jié)和控制，低、中轉(zhuǎn)速時，活塞運動速度低，氣流動力學特性差，因而要求“縮小”相位重疊角，以減少工作混合氣倒流，保證低、中轉(zhuǎn)速時扭矩曲線形狀較好，可顯著地降低燃油消耗率。在中高轉(zhuǎn)速時，活塞運動速度快，氣流動力學特性好，因而要求“放大”相位重疊角，廢氣排放徹底，進氣量充分可相應增加內(nèi)燃機扭矩。顯然，采用這一機構，可以提高內(nèi)燃機性能、降低污染、改善怠速性能。目前，可 變氣門正時配氣系統(tǒng)，大致可分成兩種形式，一種稱為可變凸輪相位的配氣機構 (WT)，另一種稱為可變配氣正時及氣門升程的配氣機構 (WTamp。WL)。 當今內(nèi)燃機配氣機構的發(fā)展趨向是，在排量不變的前提下，提高內(nèi)燃機性能指標。不論是多氣門配氣機構還是在此基礎上演化而來的可變氣門運動配氣機構，其基本出發(fā)點都是，在更大范圍內(nèi)使內(nèi)燃機動力指標、經(jīng)濟指標和生態(tài)指標等達到最優(yōu)，這是傳統(tǒng)配氣機構無法完成的。 總布置設計 氣門的布置形式 氣門頂置式配氣機構 氣門頂置式配氣機構應用廣泛，其進氣門 和排氣門都倒掛在氣缸頂上。發(fā)動機工作時，曲軸通過定時齒輪驅(qū)動凸輪軸旋轉(zhuǎn)。當凸輪軸轉(zhuǎn)到凸輪的凸起部分頂起挺柱時，通過推桿和調(diào)整螺釘使搖臂繞搖臂軸擺動，壓縮氣門彈簧，使氣門離座，當凸輪凸起部分離開挺柱后，氣門便在氣門彈簧的作用下落座，即氣門關閉。 四沖程發(fā)動機每完成一個工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，各缸的進、排氣門各開啟一次，此時凸輪軸只旋轉(zhuǎn)一周。曲軸與凸輪軸轉(zhuǎn)速比為 2： 1。在此，選用氣門頂置式配氣機構。 凸輪軸的布置形式 凸輪軸位于曲軸箱內(nèi)的配氣機構稱為凸輪軸下置式配氣機構。凸輪軸下置式配氣機構的 主要優(yōu)點是凸輪軸離曲軸近，可以簡單地用一對齒輪傳動，缺點是零件多，傳動鏈長，整機機構的剛度差。在發(fā)動機高速時，可能破壞氣門的運動規(guī)律和氣門的定時啟閉。在此，選用凸輪軸下置式配氣機構。 16 凸輪軸的傳動方式 凸輪軸下置、中置的配氣機構大多采用圓柱形定時齒輪傳動。一般曲軸與凸輪軸之間的傳動只需一對定時齒輪，必要時加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)，減小噪聲，定時齒輪多采用斜齒輪。在中小功率發(fā)動機上，曲軸定時齒輪用鋼來制造，而凸輪定時齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制造，以減小噪聲。在此，選用齒輪傳動。 每缸氣門數(shù)及其排列方式 一般發(fā)動機都采用每缸量氣門，即一進一排的結構。為了進一步改善氣缸的換氣，在可能的情況下，應盡量加大氣門的直徑，特別是進氣門的直徑。但是，由于燃燒室尺寸的限制，氣門直徑最大一般不能超過氣缸直徑的一半。當氣缸直徑較大，活塞平均速度較高時，每缸一進一排的氣門機構就不能保證良好的換氣質(zhì)量。因此，可采用 4 氣門，甚至 5 氣門的機構，采用這種結構后，進氣門總的通過面積較大，充量系數(shù)較高，排氣門的直徑可適當減小，使其工作溫度相應降低，提高了工作可靠性。此外，采用四氣門后，還可適當減小氣門升程，改 善配氣機構的動力性，多氣門的汽油機還有利于改善 HC 與 CO 的排放性能。 當每缸用兩個氣門時，為使結構簡化，大多數(shù)采用氣門沿機體縱向軸線排成一列的方式。這樣，相鄰兩缸的同名氣門就有可能合用一個氣道，這樣有助于氣缸蓋冷卻均勻。柴油機的進、排氣道一般分置于機體的兩側，以免排氣對進氣加熱。在此，采用兩氣門沿凸輪軸軸線成一列的方式。 氣門間隙 發(fā)動機工作時，氣門將因溫度的升高而膨脹。如果氣門及其傳動件之間在冷態(tài)時無間隙或間隙過小，則在熱態(tài)下，氣門及其傳動件的受熱膨脹勢必引起氣門關閉不嚴，從而使功率下降 ，嚴重時不易啟動。氣門間隙的大小一般由發(fā)動機制造廠根據(jù)試驗確定。在冷態(tài)時，進氣門的間隙一般為 — ，排氣門的間隙為 — 。如果間隙過小，發(fā)動機在熱態(tài)下可能發(fā)生漏氣，導致功率下降甚至氣門燒壞。如果氣門間隙過大，則使傳動零件之間以及氣門和氣門座之間產(chǎn)生撞擊聲，而且加速磨損，同時也會使得氣門開啟的持續(xù)時間減少，氣缸的充氣及排氣情況變壞。在此，進氣門間隙選 。排氣門間隙選 。 配氣定時工作原理 配氣定時就是進、排氣門的實際開閉時刻，通常用相對于上、下止點曲 拐位置的曲軸轉(zhuǎn)矩的環(huán)形圖來表示。如下圖： 17 圖 4 曲軸轉(zhuǎn)矩環(huán)形圖 在排氣行程接近終了，活塞到達上止點之前，即曲軸轉(zhuǎn)到曲拐離上止點的位置還差一個角度 α時，進氣門便開始開啟，直到活塞過了下止點重又上行，即曲軸轉(zhuǎn)到曲拐超過下止點位置以后一個角度 β時，進氣門才關閉。這樣，整個進氣行程持續(xù)時間相當于曲軸轉(zhuǎn)角 180176。 +α+β。 α一般為 10176。 — 30176。， β角一般為 40176。 — 80176。 同樣，做功行程接近終了，活塞到達下止點前，排氣門便開始開啟，提前開啟的角度γ一般為 40176。 — 80176。經(jīng)過整個排氣行程，在活塞越過上止點后，排氣門 才關閉，排氣門關閉的延遲角 δ 一般為 10176。 — 30176。整個排氣過程的持續(xù)時間相當于曲軸轉(zhuǎn)角 180176。 +γ+δ。 6 配氣機構的零件和組件 氣門 氣門由頭部和桿部兩部分組成。頭部的工作溫度很高，因此，要求氣門必須具有足夠的強度、剛度、耐熱和耐磨能力。進氣門的材料采用 40cr，排氣門則采用 4cr9si2。 氣門頭頂部的形狀選用平頂，平頂氣門頭結構簡單，制造方便，吸熱面積小，質(zhì)量也小，進、排氣門都可以采用。 氣門密封錐面的錐角，一般做成 45176。氣門頭的邊緣應保持一定的厚度，一般為 1~3mm，以防止工作中由于氣門 座之間的沖擊而損壞或被高溫氣體燒蝕。為了減少進氣阻力，提高氣缸的充量系數(shù)，多數(shù)發(fā)動機進氣門的頭部直徑比排氣門的大。在此，氣門頭的邊緣厚度選 1mm。 18 圖 5 氣門截面簡圖 任一氣門開度時的氣門開啟斷面積 f 可以認為就是氣門處氣體通道的最小斷面積。在常用的氣門升程不大的情況下，通常認為這個 f 就是以氣門頭部最小直徑（一般等于氣門喉口直徑 dh）為小底，直徑 d/ t 為大底， h/ 為斜高的截錐體的測表面積。 上圖示氣門口的基本尺寸及其通道 斷面積： 2/)( // tdhf dh ?? ? ?cos/ hh ?? ??? c o ss in2s in2 // hdhdht hd ???? )2sin2(cos)2cossincos( ??????? hdhhhdhhf ?????? ?16? 式中 ? 為氣門密封錐面的錐角，取 ? =45176。由上式可知，在氣門尺寸一定時，氣門口通道斷面積與氣門升程有直接關系。由于它們都是時間的函數(shù) ，因此，氣門開啟“時間值”可以用積分式 ?tt fdt21 （毫米 / ? 秒）表示。 可用豐滿系數(shù)來評價氣門機構的時間斷面，豐滿系數(shù)定義為氣門通路的平均斷面面積與最大通過斷面積之比。 fttfftt dttfmm a x12m a x )()(21?????。 ? ?26? 時間值與豐滿系數(shù)用來表示氣門的通過能力。在同一氣流速度下 ，此參數(shù)越 19 大，進氣量就越大。 通常有：進氣門喉口直徑 dhi=（ —— ） D=—— ,取為26mm 排氣門喉口直徑 dhe= (—— )D=—— ,取為 21mm 進氣門頭部直徑 dvi=(—— )D=—— ,取為 27mm 排氣門頭部直徑 dve=(—— )D=—— ,取為 23mm 進、排氣門工作條件不同，對材料的要求也不同。進氣門使用溫度較低，排氣門工作溫度高，由于氣門工作條件苛刻，因 此對氣門材料要求較高。在此選用的進氣門材料為 40Cr。為提高桿部和密封錐面的耐磨性，采用了高頻淬火工藝，桿部表面采用工藝鍍鉻工藝。因鎖夾處是氣門的薄弱環(huán)節(jié)，為了提高該鎖夾處的疲勞強度，采用滾壓強化處理。 排氣門采用了國內(nèi)較成熟的兩種材料對焊工藝。即頭部材料為奧氏體鋼硅鉻鋼 4Cr9Si2，桿部材料為馬氏體鋼 4Cr10Si4Mo 頭部和桿部采用摩擦焊接，排氣門桿部采用厚鍍鉻，可改善桿部和導管的耐磨性。桿端部采用了高頻淬火，排氣門密封錐面采用堆焊鉆基合金，用以增加耐磨性。氣門桿端面與搖鈴摩擦，應有很高的耐磨性。 凸輪型線設計 簡介 凸輪型線設計，主要是設計其輪廓。一般采用的表示法為：給出凸輪基圓半徑及對應的挺柱升程曲線。如果能給出當凸輪轉(zhuǎn)過角度時挺柱從靜止位置上升的位移 h，即給出函數(shù) h=h(φ )，并且同時給出凸輪基圓半徑，則凸輪廓形也就唯一地確定了。配氣凸輪所對應的挺柱升程函數(shù)一般由兩部分組成，一部分是緩沖段，另一部分是工作段，如果設計符合理想那么氣門應在上升緩沖段終點開啟，并在工作段終點關閉。實際上由于機構存在變形等原因，一般不可能這樣準確，氣門啟閉的時刻與理想狀態(tài)總會有些誤差，只要誤差不大 就可以了。 緩沖段設計 配氣凸輪所對應的升程曲線在上升段及下降段各有一段緩沖段。上升緩沖段與下降緩沖段的設計可以是相同的，也可以不同。 進氣凸輪緩沖段高度為 ，凸輪緩沖段作用角 20 度。 設上升緩沖段： ???????? ?? 0000 2cos1 ctt H ??? 00000 2sin2 ctt Hh ??????? ? ?36? 002000 2cos2 ctt H ????? ??????????? 20 則上升緩沖段為 ? ?? ?00 cth ??? ? ?00 ct ??? ? ? ? ?020 cth ???? 下降緩沖段：對稱。 工作段設計 進氣凸輪型線采用對稱的凸輪型線。進氣工作曲線升程為 ，工作段半作用角為 60 度，進氣凸輪型線采用高次多項式型。 設上升工作段表達式為： ddccbbaat ccccch ???? ????? 0 ? ?56? ??? c??1 o60? ? ? ? ? 1,3,22,2,2,2 ???????? mnmndmnba radmmH t / ?? 多項式中各項系數(shù)值由緩沖段和工作段在交界點處應連續(xù)等條件求得，即 1） 工作段始點處，挺柱在工作段上的升程為零，即 00 ?????? dcbat ccccch 2） 緩沖段終點與工作段始點處，挺柱速度值相等，即緩沖段終點挺柱速度為ctH????0?則當0?c?時， 01 tctcctt Hddhdtdddddhdtdh ?????????? ?????? ???????? 所以?? ?? 00 tctt HHddh ????? ?? 即???????? 0tdcba Hdcccbcac 3） 緩沖段終點加速度為零，即0122 ???dhd t 所以 ? ? ? ? ? ? ? ? 01111 ???????? dcba cddccccbbcaa 21 4)緩沖段終點加速度變化率為零，即0133 ????dhd t 所以? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? 021212121 ???????????? dcba cdddcccccbbbcaaa 5） 當???c時，挺柱在工作段上升程達到最大值，即tt Hh? 所以解以上聯(lián)立方程，即可得各系數(shù)如下： tH0 ? ?? ?? ?? ?adacab dcbbdcdbcHdcbHc tta ??? ?????????????? 10 ? ? ?? ?? ?? ?bdbcba dcadacdacdcac ttb ??? ???????????? 10 ? ? ?? ?? ?? ?cdcbca dbaadbdabHdbHc ttc ??? ?????????????? 10 ? ? ?? ?? ?? ?dcdbda cbaacbcabHcac ttd ??? ????????????? 10 ? 根據(jù)給出的數(shù)據(jù) 求出： , ??????? dcba ccccc 則上升工作段表達式為： 10862 ???? ?????th 下降工作段：對稱。 排氣凸輪型線采用對稱的凸輪型線。進氣工作曲線升程為 ，工作段半作用角為 60 度，進氣凸輪型線采用高次多項式型。 設上升工作段表達式為： ddccbbaat ccccch ???? ????? 0 ? ?66? ??? c??1 o60? ? ? ? ? 1,3,22,2,2,2 ???????? mnmndmnba radmmH t / ?? 多項式中各項系數(shù)值由緩沖段和工作段在交界點處應連續(xù)等條件求得，即 1)工作段始點處，挺柱在工作段上的升程為零，即00 ?????? dcbat ccccch 22 2)緩沖段終點與工作段始點處，挺柱速度值相等，即緩沖段終點挺柱速度為ctH????0?則當0?c?時， 01 tctcctt Hddhdtdddddhdtdh ?????????? ?????? ???????? 所以?? ?? 00 tctt HHddh ????? ?? 即???????? 0tdcba Hdcccbcac 3)緩沖段終點加速度為零，即0122 ???dhd t 所以 ? ? ? ? ? ? ? ? 01111 ????????