【導(dǎo)讀】本次設(shè)計的485柴油機主要用于輕型載貨車。啟和關(guān)閉進排氣門，以保證氣缸排出廢氣和吸進新鮮空氣。構(gòu)的設(shè)計在發(fā)動機整體設(shè)計上占有相當重要的作用。然吸氣式柴油機可以提高新鮮空氣的進氣量，降低氣缸的熱負荷，增加氣缸的耐久性和使用壽命。氣門的驅(qū)動采用凸輪軸一挺柱一推。桿一搖臂一氣門機構(gòu)。凸輪軸布置形式是下置式，采用的是整體式。凸輪軸，這樣的凸輪軸結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高，能有良好的互換性。的設(shè)計，以及凸輪軸的設(shè)計。編寫Matlab程序，計算得到挺柱升。程表，繪出挺柱升程、速度、加速度曲線。

　　

【正文】 C/min nD22e 5x 262 式中七 彈簧鋼絲直徑 （ mm)。 Dle 彈簧中徑 （ mm)。 一般認為彈簧自振 頻率與發(fā)動機凸輪軸最高工作轉(zhuǎn)速之比應(yīng)大于 10,這 樣設(shè)計的彈簧則是安全的。即 / 、? ^= = 10 n 1300 e max 因此設(shè)計的外彈簧是安全的。第七章凸輪軸與氣門傳動件的設(shè)計 167。 167。 1. 正確配置各缸進、排氣凸輪的位置以實現(xiàn)配氣正時，保證發(fā)動機的正 常運轉(zhuǎn)。 2. 根據(jù)發(fā)動機 總體布置的要求以及允許的彎曲變形 ， 合理地確定其支承 的軸頸數(shù)、軸頸大小和凸輪軸的最小直徑尺寸。 35 3. 確定恰當?shù)牟牧虾蜔崽幚矸椒?，使其具有足夠的韌性和剛度又在凸輪 和支撐軸徑的表面具有合適的硬度，確保具有良好的耐磨性 [2]。 167。 一、凸輪外形設(shè)計的任務(wù)和要求： 凸輪外形設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)發(fā)動機的性能要求選擇適當?shù)耐馆嗇喞€， 編制依凸輪轉(zhuǎn)角為自變量的挺柱升程表，以作為加工凸輪的依據(jù)，同時計算 出挺柱或氣門運動的一些重要參數(shù) ， 如速度、加速度、慣性力、時間面積等， 以便對配氣機構(gòu)進行分析 和比較[16_18]。 一個良好的配氣凸輪，既應(yīng)使發(fā)動機具有良好的充氣性能，又要能保證 配氣機構(gòu)工作安全可靠。具體要求可歸結(jié)為如下幾點 ： 1. 具有合適的配氣相位。它能照顧到發(fā)動機功率、扭距、轉(zhuǎn)速、燃油消 耗率、怠速和啟動等方面性能的要求。 2. 為使發(fā)動機具有良好的充氣性能，因而時間面積值應(yīng)盡可能大一些。 3. 加速度不宜過大，并應(yīng)連續(xù)變化。 4. 具有恰當?shù)臍忾T落座速度，以免氣門和氣門座的過大磨損和損壞。 5. 應(yīng)使配氣機構(gòu)在所有工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都能平穩(wěn)工作，不產(chǎn)生脫離現(xiàn)象 和過大的振動。 6. 工作時噪 聲較小。 7. 應(yīng)使氣門彈簧產(chǎn)生共振的傾向達到最小程度。 8. 應(yīng)使配氣機構(gòu)各傳動零件受力和磨損較小 ， 工作可靠，使用期限長。 上述這些要求往往相互矛盾 ， 必須根據(jù)發(fā)動機的具體要求 ， 抓住主要矛 盾，協(xié)調(diào)各種因素，妥善解決。 在本次 485 柴油機配氣機構(gòu)的設(shè)計中釆用的是多項式高次方凸輪的設(shè)計 方案。 二、凸輪軸的傳動設(shè)計主要遵循以下原則： 36 1. 正確配置各進排氣凸輪的位置以實現(xiàn)配氣正時，保證發(fā)動機的正常運 轉(zhuǎn)。 2. 根據(jù)發(fā)動機的總體布置的要求以及允許的彎曲變形，合理的確定其支 承的軸頸數(shù)、軸頸大小和凸輪軸的最小直 徑尺寸。 3. 確定恰當?shù)牟牧虾蜔崽幚矸椒?，使其既有足夠的韌性和剛性，又在凸 輪和支承軸頸的表面具有合適的硬度，保證具有良好的耐磨性 [1]。 三、凸輪軸尺寸參數(shù)的確定 ％ 。 = 七 +(1? 2) (mm) 最小直徑八： dh =( ? )D (mm) 其中， D 為缸徑 ， D=85mm =( ? )x85= ? 本次設(shè)計中取 db=23mm 廠。=23+(1 ?2)=+=13mm 理論基圓半徑： 式中氣門冷間隙 J = (」 ____ ___ u mm,取 s = 6mm r039。 = /*0 + — =13+^^=13+= i 2. 凸輪寬度 b b =( ? ) r。 =^~13 (mm) 取 b =12mm 3. 挺住最大有效升程 hTmiX 決定于 氣 門 最大 升 程和 氣 門驅(qū) 動 機構(gòu) 傳 動比 /，由于 ,=? ， 37 本 次設(shè)計取 f= 因此A=9/= 4. 支承軸頸 本次設(shè)計選擇的是整體式凸輪軸，在裝配時是將凸輪軸從機體的一端插 入的，因為軸承又往往是整體式薄壁軸瓦 ， 所以為了使凸輪軸能通過軸瓦內(nèi) 孔而將支承軸頸的半徑制成比凸輪軸中心至凸輪頂端距離大 ? (mm)。 在本次 485 柴油機的設(shè)計中，根據(jù)柴油機設(shè)計手冊 ， 取凸輪軸支承軸頸 為 2x(13++)=40mm。 凸輪軸支承軸數(shù)的選擇與其彎曲剛度和加工工藝 性有很大關(guān)系。全支承凸輪軸有很好的彎曲剛度，因而有可能減小軸的直徑 , 但 因凸輪的基圓半徑常不能隨之減小，所以減小軸直徑的好處不大，另外支 承軸頸加多，使加工工藝復(fù)雜，成本提高。目前絕大多數(shù)凸 輪軸都是每兩缸 設(shè)置一個支承。因此，本設(shè)計凸輪軸的支承軸頸數(shù)確定為 3個。 5. 凸輪作用角彡的選取決定于發(fā)動機的性能要求，并應(yīng)與發(fā)動機氣流通 道的形狀和斷面尺寸相適應(yīng)。但選擇最佳配氣相位和凸輪作用角目前尚無公 式可循 ， 一般根據(jù)實際經(jīng)驗或者統(tǒng)計資料選取。實際上選定了配氣相位角后 即可算出凸輪作用角： 進氣凸輪： 其中 V】一一進氣提前開啟角，本設(shè)計取、=21176。 。 v2一一進氣滯后關(guān)閉角，本設(shè)計取 ％=53176。 。 排氣凸輪： 彡 = (180 176。 + /、 + //2) 其中一一排氣提前開啟角，本設(shè)計取//,=53176。 。 //2一一排氣滯后關(guān)閉角，本設(shè)計取 39。=21176。 。 因此，進排氣凸輪作用角一樣，即： = (180o+53176。 +21o)=127176。 同名夾角為 ： /y = ^~=90。 2x4 本次設(shè)計的 485 柴油機的發(fā)火順序為 1 一 3— 4一 2。因此，第三缸的進氣 凸輪在第一缸進氣凸輪后 90176。 凸輪轉(zhuǎn)角處，第四缸的38 進氣凸輪在第三缸進氣 凸輪后 90176。 凸輪轉(zhuǎn)角處，第二缸的進氣凸輪在第四缸進氣凸輪后 90176。凸輪轉(zhuǎn) 角 處。 異名夾角為：39 y/ = 90 176。 +(//1//2i/|+i/2) = 90o+(5 3o21o21o+53o)=106176。 4 4 所以同一氣缸的進、排氣凸輪之間的夾角為： ^=106。 四、凸輪的設(shè)計 本次凸輪的設(shè)計按高次多項式型凸輪設(shè)計，所設(shè)計凸輪為對稱凸輪 。 多項高次方凸輪系由多項式高次方曲線組成，它的升程曲線二階導(dǎo)函數(shù) 為連續(xù)函數(shù)，即保證正負加速度連續(xù)圓滑過渡。以基本工作段起點作為計算 起點，對應(yīng) 0=0,挺柱升程 amp。 =0。為了計算方便，以無因次量 ^=11作為 自變量 ( 為工作段半包角 ）， 挺柱工作段始點挺柱最大升程處 =0；工作段終點處 0 = 2^。，對應(yīng) =一 1。 本設(shè)計凸輪升程曲線的表達式為： W) = C0 + cpPP + cqpq + cjir + csps 式中 c。、 c, aq cr 待定系數(shù)； p、 q、 r、 s 待冪指數(shù)。 C0=。 Cp=(Htmaxxsxrxq+Qx(sxr+sxp+rxqsrq+l))/((sp)x(qp)x(rp))。 Cq=(Htmaxxsxrxp+Qx(sxr+sxp+rxpSrp+l))/((Sq)x(rq)x(pq))。 Cr=(Htmaxxsxqxp+Qx(sxq+sxp+qxpsqp+l))/((sr)x(qr)x(pr))。 Cs=(_Htmaxxrxpxq+Qx(rxp+rxq+qxpqrp+l))/((qs)x(ps)x(rs))。 由于凸輪 的對稱性， p、 q、 r, s 均為偶數(shù)，并且 pqrs， 為了使負加 速度極值點出現(xiàn)在最大升程處，幕指數(shù) p必為 2, — 般取 q=2n, r=2n+m, s=2n+2m, m, n 為正整數(shù)，常取 n=3, 4, 5, 6,? ， m=2, 4, 6, 8。 本設(shè)計中選取 n=5, m=6,則 q=10， r=16， s=22。 將上述數(shù)據(jù)代入得： 升程曲線關(guān)系式 ： Hl=Co+CpX(()/())2+Cqx(()/( 40 xpi/180))10+Crx(()/())16+Csx((l)/( Pi/180))22。 速度曲線關(guān)系式 ： Vl=l/()x(2xCpx(()/())+10xCqx((8 )/())9+16xCrx(()/(80))15+22x Csx(()/())21)。 加速度曲線關(guān)系式 ： Al=l/()2x(2xCp+90xCqx(()/(0))8+16 xl5xCrx(()/())14+22x21xCsx((l)/( xpi/180))20)； 利用上述曲線關(guān)系式，編寫 Matlab 程序進行運算 ， 得出凸輪升程、速度、 加速度的相關(guān)數(shù)據(jù)和曲線， 挺柱升程、速度、加速度曲線如圖 71, 程序和 凸輪升程、速度、加速度的數(shù)據(jù)附后。 Camshaft angle (rad) 圖 71 挺柱升程、速度、加速度曲線 41 167。 一、挺柱的結(jié)構(gòu)型式 挺柱的任務(wù)是按凸輪的運動規(guī)律推動傳動機件，同時承受凸輪的側(cè)向壓 力。挺柱主要有兩大類：平面挺柱與滾子挺柱。 在本次 485 柴油機的設(shè)計 中采用平面挺柱，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，重量輕， 適合高速發(fā)動機，但要保證其接觸表面的耐磨性。 二、導(dǎo)向面直徑 、長度 \的確定： =(? )D=(? )X85=? 17 (nun) 本設(shè)計取 d r =16mm Lr =(? ) = (? )X 16=48? 56 (mm) 本設(shè)計取 Lr =50mm 167。 一、推桿 推桿的作用是把凸輪的運動從凸輪軸傳至頂置氣門。它是一個細長桿， 是整個配氣機構(gòu)中剛度 較薄弱的環(huán)節(jié)。本次設(shè)計中采用冷撥無縫鋼管制造。 根據(jù)柴油機設(shè)計手冊，本設(shè)計中取推桿外徑為9mm。 二、搖臂 1. 搖臂的設(shè)計要求 (1) 搖臂與氣門桿頂具有較大的接觸面積； (2) 搖臂圓弧接觸面與氣門桿頂面之間具有較小的相對滑動速度。 (3) 搖臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求在最輕的重量下具有最好的強度和剛度，一般 釆用 T字型 [1]。 2. 搖臂的結(jié)構(gòu)確定 根據(jù)設(shè)計原則 ， 首先，搖臂的結(jié)構(gòu)我們采用 T 字型。其次，為了改善搖 臂與氣門桿頂端及推桿及接觸面間的潤滑，在搖臂圓弧接觸面的上部脊背上 設(shè)計一條小溝 ， 使?jié)櫥捅阌诹飨蛲?桿的球面支座。 42 3. 搖臂比的確定 根據(jù)設(shè)計原則氣門的搖臂比不能過大，一般在 ? 之間。 綜合考慮氣缸蓋的結(jié)構(gòu)和氣缸蓋和配氣機構(gòu)的裝配問題 ， 我們在設(shè)計中 取搖臂比為 。 4. 搖臂的材料的選擇 由于搖臂為兩個運動件的連接部件 ， 承受較大的沖擊所以需要較大的硬 度和較高的沖擊韌性。 所以，在設(shè)計中我們采用沖擊韌性較高的球墨鑄鐵。 另外，與氣門桿頂端接觸的搖臂頭部一般為圓柱形表面 ， 工作時該表面 在氣門桿頂端面上既有滾動又有滑動，故表面必須淬硬，以求耐磨。 結(jié)論 此次設(shè)計的 485 柴油機屬于中小功率高速柴油機，主要用于農(nóng)用、輕型 載重汽車用、工程機械用等，設(shè)計力求：體積小、重量輕、使用維修方便等。 從本次設(shè)計的 485 柴油機設(shè)計計算的性能參數(shù)來看，其總體性能良好、 工作可靠，動力性、經(jīng)濟性好，通過綜合考慮，所選總體參數(shù)能夠滿足柴油 機總體性能的要求。 配氣機構(gòu)的設(shè)計中，采用兩氣門完成配氣，即每缸進、排氣門各一個。 氣門彈簧采用雙氣門彈簧。氣門驅(qū)動機構(gòu)是凸輪軸一挺柱一推桿一搖臂一氣 門機構(gòu)。這很好的保證了氣門在規(guī)定的時刻開啟和關(guān)閉，并且開啟時氣流流 暢，關(guān)閉時能封住缸內(nèi)的高壓氣體。凸輪形線的設(shè)計使用 MATLAB 編程計 算高次多項式函數(shù)凸輪，獲得了比較理想的凸輪型線及挺柱升程、速度和加 速度運動曲線 ，其運動規(guī)律連續(xù)，不會引起慣性的突變 ， 可以減少配氣機構(gòu) 產(chǎn)生跳動或振動的傾向，改善了工作質(zhì)量，也增加了配氣機構(gòu)及整機的使用 壽命，具有較好的綜合性能 ， 是一個比較成功的設(shè)計。參考文獻 [1] 柴油機設(shè)計手冊編輯委員會 .柴油機設(shè)計手冊（中冊 ） .北京：中43 國農(nóng)業(yè) 機械出版社 ， 1984: 9, 63, 124 [2] 楊連生 .內(nèi)燃機設(shè)計 .北京：中國農(nóng)業(yè)出版社， 1981: 259 [3] 陳家瑞，張建文 .汽車構(gòu)造（上冊 ） .第二版 .北京：機械工業(yè)出版社， 2021： 89,121 [4] 周龍保 ， 高宗英 .內(nèi)燃機學(xué) .第二版 .北京：機械工業(yè)出版社， 2021: 156 [5] 侯洪生 ，董國耀 .機械工程圖學(xué) .北京：科學(xué)出版社， 2021: 39 [6] 機械零件設(shè)計手冊編輯委員會 .機械零件設(shè)計手冊 .北京 ： 農(nóng)業(yè)機械出 版社， 2021: 125 [7] 徐清富 .中外汽車構(gòu)造圖冊發(fā)動機分冊 .長春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社 ， 2021： 78 [8] 朱仙鼎 .中國內(nèi)燃機工程師手冊 .上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 ，2021: 232,288 [9] 符錫候 ， 楊杰民 .車輛用柴油機總體設(shè)計 .上海：上海交通大學(xué)出版社 ， 1992:95 [10] 魏春源 .當今世界汽車發(fā)展的幾大趨勢 [J].北京：汽車專家，2021(1):3336 [11] 蔣德明 .內(nèi)燃機原理 .北京：機械工業(yè)出版社， 1988:89 [12] 伯納德查 .柴油機參考書 [13] 里卡多公司柴油機的設(shè)計與研制 [14] BOSCH 汽車工程手冊 [15] 王蘭美 .機械制圖 .北京 ： 高等教育出版社， 2021:76 [16] 濮良貴，紀明剛 .