【正文】 .............................................................................................. 33 結(jié)論 .................................................................................................................................................... 34 致謝 .................................................................................................................................................... 35 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................................... 36 附錄 三維建模過(guò)程及部分渲染圖片 ............................................................................................ 37 1 第 1 章 緒 論 概述 配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是否優(yōu)越，動(dòng)力性是否足夠大，工作是否可靠，噪音與振動(dòng)能否控制在較低的限度，常常與其配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理有密切關(guān)系。配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)柴油機(jī)的性能指標(biāo)有著很重要的影響。新鮮充量充滿氣缸的程度用充量系數(shù) ?c來(lái)表示。壓力越高，溫度越低，則一定容積的氣體質(zhì)量越大，因此充量系數(shù)越高。就配氣機(jī)構(gòu)而言，主要是要求其結(jié)構(gòu)有利于減小進(jìn)氣和排氣的阻力，而且進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻和持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間比較適當(dāng)，使進(jìn)氣和排氣都盡可能充分。與此同時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力性能，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音較小，不發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊磨損等現(xiàn)象，這就要求配氣機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件具有良好的運(yùn)動(dòng)加速度變化規(guī)律，以及不太大的正、負(fù)加速度值。顯然，氣門(mén)開(kāi)閉迅速就能增大時(shí)面值，但這將導(dǎo)致氣門(mén)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的加速度和慣性負(fù)荷增大，沖擊、振動(dòng)加劇，機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性變差。 配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，四行程發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛地采用氣門(mén)式配氣機(jī)構(gòu)。按氣門(mén)的布置形式不同，主要有氣門(mén)頂置式和氣門(mén)側(cè)置式；頂置氣門(mén)式的配氣機(jī)構(gòu)又可根據(jù)凸輪軸的布置位置及凸輪軸數(shù)目的不同分為凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸上置式。氣門(mén)不但是氣體流動(dòng)的通道，而且是燃燒室的組成部分，這種燃燒室只適應(yīng)于早期低壓縮比內(nèi)燃機(jī)。此外，進(jìn)、排氣道由于氣門(mén)側(cè)置拐彎增多，進(jìn)、排氣阻力大，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前只用于廉價(jià)小功率汽油機(jī)。將氣門(mén)從氣缸體上移到氣缸蓋上，因而出現(xiàn)了頂置氣門(mén)式的配氣機(jī)構(gòu)，大大的改善了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力型和經(jīng)濟(jì)性而廣泛采用在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)上。國(guó)外自 20 世紀(jì)初就有許多學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行這方面的深入研究；相比而言，國(guó)內(nèi)則起步較遲， 20 世紀(jì) 70 年代起才開(kāi)始全面研究凸輪設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析，研究的重點(diǎn)放在凸輪型線設(shè)計(jì)、多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)研究方面。利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行多方案的選擇 , 并預(yù)測(cè)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的性能已經(jīng)成為有效而節(jié)省的手段。 配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的及 意義 目前，隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)、摩托車(chē)日益成為人們生活當(dāng)中重要交通工具，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求量是越來(lái)越大，產(chǎn)品質(zhì)量要求是越來(lái)越高。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)其工作性能的要求也越來(lái)越高，為使產(chǎn)品能夠安全可靠地工作，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性。因此必須對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性與低振動(dòng)、低噪聲的要求。為了在工程應(yīng)用中節(jié)約成本、提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，很多廠家已經(jīng)把前期的軟件模擬作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)關(guān)鍵步驟。發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展向著大功率輕重量的方向發(fā)展，使得其剛度不斷減少，從而加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲，這類(lèi)振動(dòng)將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。 配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng) 機(jī)的重要組成部分，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)常處在高溫、高壓下工作，因此氣門(mén)機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)最容易發(fā)生故障的零部件之一。 配氣機(jī)構(gòu)采用的新技術(shù) 配氣機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況的需要適時(shí)適度地開(kāi)閉進(jìn)排氣門(mén)，對(duì)氣缸進(jìn)行換氣。氣門(mén) — 凸輪式配氣機(jī)構(gòu)按氣門(mén)布置分側(cè)置氣門(mén)和頂置氣門(mén)機(jī)構(gòu)。 頂置凸輪軸技術(shù) 頂置氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內(nèi)燃機(jī)有較好的性能指標(biāo)，是側(cè)置氣門(mén)機(jī)構(gòu)所不能達(dá)到的，故側(cè)置氣門(mén)機(jī)構(gòu)已被淘汰。絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)采用凸輪軸下置型，但這種機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生 4 較大的慣性力和振動(dòng)及噪聲，消耗較大的動(dòng)力。 頂置凸輪軸型 (OHC)又可分成 SHOC 型和 DHOC 型。這種結(jié)構(gòu)適用于進(jìn)、排氣門(mén)呈 V形排列的內(nèi)燃機(jī)。其中，正時(shí)齒輪傳動(dòng)主要用于要求長(zhǎng)壽命和大載荷的內(nèi)燃機(jī)，如船用、商用車(chē)和賽車(chē)內(nèi)燃機(jī)；正時(shí)鏈輪傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于轎車(chē)內(nèi)燃機(jī)，一般來(lái)說(shuō)，它比正時(shí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪音?。或?qū)動(dòng)帶傳動(dòng)或齒形帶傳動(dòng)是最新出現(xiàn)的傳動(dòng)方式，主要用于頂置凸輪軸內(nèi)燃機(jī)上。意大利布加奇公司首先創(chuàng)出具有四個(gè)排氣門(mén)和一個(gè)進(jìn)氣門(mén)的內(nèi)燃機(jī)。 多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，如用兩個(gè)進(jìn)氣門(mén)取代一個(gè)進(jìn)氣門(mén) ，流通截面加大 30%左右，可大大改進(jìn)充氣系數(shù)。四氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)曲軸在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩一般比二氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)大 10%— 15%，高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大 10%— 20%。據(jù)分析，四氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)燃油消耗比二氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)燃油消耗低 %6— 8%。因而，世界各國(guó)的內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)都將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)的制造。由于新的設(shè)計(jì)技術(shù)和加工技術(shù)的應(yīng)用，不 僅研制新內(nèi)燃機(jī)時(shí)間短、投產(chǎn)快，而且生產(chǎn)周期也短。美國(guó)幾大公司于 1990— .1991 年已開(kāi)始并正在大量生產(chǎn)多氣門(mén)內(nèi)燃機(jī)。 可變氣門(mén)正時(shí)配氣機(jī)構(gòu) 常規(guī)內(nèi)燃機(jī)配氣相位都是按內(nèi)燃機(jī)性能要求，通過(guò)試驗(yàn)確定某一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下較為適合的配氣相位，自然只達(dá)到一種轉(zhuǎn)速最為有利。通過(guò)這套機(jī)構(gòu)對(duì)配氣過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制，低、中轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度低，氣流動(dòng)力學(xué)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(shí)扭矩曲線形狀較好，可顯著地降低燃油消耗率。顯然，采用這一機(jī)構(gòu)，可以提高內(nèi)燃機(jī)性能、降低污染、改善怠速性能。WL)。不論是多氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)還是在此基礎(chǔ)上演化而來(lái)的可變氣門(mén)運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，其基本出發(fā)點(diǎn)都是，在更大范圍內(nèi)使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)等達(dá)到最優(yōu)，這是傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)無(wú)法完成的。同時(shí)為以后的設(shè)計(jì)及論文的研究打下了基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸通過(guò)定時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)。 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，各缸的進(jìn)、排氣門(mén)各開(kāi)啟一次，此時(shí)凸輪軸只旋轉(zhuǎn)一周。在此，選用氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)。凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是凸輪軸離曲軸近，可以簡(jiǎn)單地用一對(duì)齒輪傳動(dòng)，缺點(diǎn)是零件多，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，整機(jī)機(jī)構(gòu)的剛度差。在此，選用凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)。一般曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)只需一對(duì)定時(shí)齒輪，必要時(shí)加裝中間齒輪。在中小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上，曲軸定時(shí)齒輪用鋼來(lái)制造，而凸輪定時(shí)齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制造，以減小噪聲。 每缸氣門(mén)數(shù)及其排列方式 一般發(fā)動(dòng)機(jī)都采用每缸量氣門(mén)，即一進(jìn)一排的結(jié)構(gòu)。但是，由于燃燒室尺寸的限制，氣門(mén)直徑最大一般不能超過(guò)氣缸直徑的一半。因此，可采用 4 氣門(mén)，甚至 5 氣門(mén)的機(jī)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)后，進(jìn)氣門(mén)總的通過(guò)面積較大，充量系數(shù)較高，排氣門(mén) 7 的直徑可適當(dāng)減小，使其工作溫度相應(yīng)降低，提高了工作可靠性。 當(dāng)每缸用兩個(gè)氣門(mén)時(shí)，為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，大多數(shù)采用氣門(mén)沿機(jī)體縱向軸線排成一列的方式。柴油機(jī)的進(jìn)、排氣道一般分置于機(jī)體的兩側(cè)，以免排氣對(duì)進(jìn)氣加熱。 氣門(mén)間隙 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門(mén)將因溫度的升高而膨脹。氣門(mén)間隙的大小一般由發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠根據(jù)試驗(yàn)確定。如果間隙過(guò)小，發(fā)動(dòng)機(jī)在熱態(tài)下可能發(fā)生漏氣，導(dǎo)致功率下降甚至氣門(mén)燒壞。在此，進(jìn)氣門(mén)間隙選 。 本章小結(jié) 本章通過(guò)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的一般基礎(chǔ)知識(shí)的介紹，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)有了初步的認(rèn)識(shí)，了解 其分類(lèi)，功能，設(shè)計(jì)要求。 8 第 3 章 配氣正時(shí)的工作原理 配氣正時(shí)的介紹 配氣正時(shí)就是按活塞的工作行程去配置進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間。 工作原理 配氣正時(shí)就是進(jìn)、排氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)閉時(shí)刻，通常用相對(duì)于上、下止點(diǎn)曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)矩的環(huán)形圖來(lái)表 示。這樣，整個(gè)進(jìn)氣行程持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角 180176。 ? 一般 9 為 10176。 ? 角一般為 40176。 同樣，做功行程接近終了，活塞到達(dá)下止點(diǎn)前，排氣門(mén)便開(kāi)始開(kāi)啟，提前開(kāi)啟的角度 ? 一般為 40176。經(jīng)過(guò)整個(gè)排氣行程，在活塞越過(guò)上止點(diǎn)后，排氣門(mén)才關(guān)閉，排氣門(mén)關(guān)閉的延遲角 ? 一般為 10176。整個(gè)排氣過(guò)程的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角 180176。 本章小結(jié) 通過(guò)對(duì)配氣正時(shí)以及其工作原理的介紹，對(duì)配氣正時(shí)有了進(jìn)一步的了解，熟悉本章內(nèi)容后，對(duì)后文的分析和設(shè)計(jì)起基礎(chǔ)作用。氣門(mén)組應(yīng)保證氣門(mén)與氣門(mén)座嚴(yán)密貼合，在高溫、冷卻和潤(rùn)滑條件都較差的情況下工作時(shí)，能有足夠的強(qiáng)度并耐磨、耐腐蝕。 氣門(mén) 氣門(mén)由頭部和桿部?jī)刹糠纸M成。進(jìn)氣門(mén)的材料采用 40cr，排氣門(mén)則采用 4cr9si2。 氣門(mén)密封錐面的錐角，一般做成 45176。為了減少進(jìn)氣阻力，提高氣缸的充量系數(shù)，多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門(mén)的頭部直徑比排氣門(mén)的大。 任一氣門(mén)開(kāi)度時(shí)的氣門(mén)開(kāi)啟斷面積 f 可以認(rèn)為就是氣門(mén)處氣體通道的最小斷面積。 氣門(mén)的作用是專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī) 內(nèi)輸入燃料并排出廢氣，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)汽缸只有一個(gè)進(jìn)氣門(mén)和一個(gè)排氣門(mén)，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較 11 低，維修方便，低速性能較好，缺點(diǎn)是功率很難提高，尤其是高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣效率低、性能較弱。這種多氣門(mén)結(jié)構(gòu)容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以令油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門(mén)的重量和開(kāi) 度適當(dāng)?shù)販p小，使氣門(mén)開(kāi)啟或閉合的速度更快。39。 hh ????? c o ss in2s in2 39。 hdhhdhtd ????)2s i n2(c o s)2c o ss i nc o s( ??????? hdhhhdhhf ????? 12 式中 ? 為氣門(mén)密封錐面的錐角，取 ? =45176。由于它們都是時(shí)間的函數(shù)，因此，氣門(mén)開(kāi)啟“時(shí)間值”可以用積分式 ttt fd?12（毫米 /? 秒）表示。 fttff tt dttfmm a x12m a x )()(21????? 時(shí)間值 與豐滿系數(shù)用來(lái)表示氣門(mén)的通過(guò)能力。 通常有： 進(jìn)氣門(mén)喉口直徑 dhi=（ —— ） D=35—— ,取為 35 mm 排氣門(mén)喉口直徑 dhe= (—— )D=—— 35 mm,取為 32mm 進(jìn)氣門(mén)頭部直徑 dvi=(—— )D=—— ,取為 38mm 排氣門(mén)頭部直徑 dve=(—— )D=—— ,取為 34mm 進(jìn)氣門(mén)直徑 di=(—— )D=28—— mm,取為 40mm 排氣門(mén)直徑 de=(—— )di=—— mm,取為 36mm 圖 42 氣門(mén)相對(duì)升程與流量的關(guān)系 13 圖 43 馬赫指數(shù)與容積效率 氣門(mén)相對(duì)升程與進(jìn)氣流量間的關(guān)系如圖 3。 氣門(mén)口的時(shí)面值在氣口和氣門(mén)尺寸決定后，主要決定于氣門(mén)升程曲線的形狀，同時(shí)也與發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位有關(guān)。但是，在氣道中的氣體流動(dòng)過(guò)程中決定氣體通過(guò)氣門(mén)的阻力的大小有一系列的因素。 氣門(mén)出氣體的通過(guò)能力可以用進(jìn)氣馬赫數(shù)與流量系數(shù)的比值，即馬赫數(shù) Z 來(lái)評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)中校核發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí)的馬赫指數(shù)，保證 Z。 氣門(mén)的主要尺寸是氣門(mén)頭部直徑和氣門(mén)總長(zhǎng)度，其中氣門(mén)頭部直徑根據(jù)氣缸換氣良好的要求應(yīng)盡可能大，進(jìn)、排氣門(mén)的頭部直徑根據(jù)相關(guān)的資料已經(jīng)確定。一般希望盡量縮小氣門(mén)總長(zhǎng)度以 降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度。在此取 l=98mm。當(dāng)氣門(mén)有搖臂或擺桿驅(qū)動(dòng)時(shí)，側(cè)向力很小，一般， 這里取 。進(jìn)氣門(mén)頭部端面為平頂，氣門(mén)座合面錐角 45176。進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)頭部厚度為 ? 。進(jìn)氣門(mén)長(zhǎng)度mm0 ? ，排氣門(mén)長(zhǎng)度 mm0 ? 。 b) 材料 mmdg 8?vg dd )~(? 15 進(jìn)、排氣門(mén)工作條件不同，對(duì)材料的要求也不同。在此選用的進(jìn)氣門(mén)材料為 40Cr。因鎖夾處是氣門(mén)的薄弱環(huán)節(jié)，為了提高該鎖夾處的疲勞強(qiáng)度，采用滾壓強(qiáng)化處理。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(mén)桿部采用厚鍍鉻，可改善桿部和導(dǎo)管的耐 磨性。氣門(mén)桿端面與搖鈴摩擦，應(yīng)有很高的耐磨性。氣門(mén)座與氣缸蓋的工作溫度、材料膨脹系數(shù)不同，必須仔 細(xì)確定他們間的配合尺寸。鋁缸蓋時(shí)應(yīng)取上限。但是依靠很大的過(guò)盈來(lái)防止氣門(mén)座的松脫，可能會(huì)導(dǎo)致很大的變形，所以有所利用鋁氣缸蓋或鋼氣門(mén)座的局部塑性變形來(lái)提高防松的可靠性，這時(shí)允許取較小的配合過(guò)盈。 氣門(mén)導(dǎo)管 氣門(mén)導(dǎo)管除引導(dǎo)氣門(mén)正確地 上下運(yùn)動(dòng)外，同時(shí)還將氣門(mén)桿的熱量傳遞給蓋或缸體。氣門(mén)導(dǎo)管一般用鑄鐵制成，因?yàn)殍T鐵中的石墨有較好的耐磨