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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類生活水平的提高，我們對(duì)生活質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。但是事實(shí)總是事與愿違，綜觀歷史，我們周圍的生活環(huán)境是越來(lái)越惡化——全球氣溫變暖，酸雨不斷致使植被死亡等，都在一步一步的威脅著我們?nèi)祟惖纳?。?jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的污染來(lái)自汽車的廢氣排放。所以要改善我們的生活環(huán)境，其首要的任務(wù)就是降低、限制汽車的廢氣排放，低污染、低油耗、大功率、大扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)也就是我們的追求目標(biāo)。而配氣機(jī)構(gòu)嚴(yán)重的影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性和排放特性。本文就配氣機(jī)構(gòu)的改進(jìn)發(fā)展情況加以論述和展開說(shuō)明。
1.1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的可變技術(shù)
可變技術(shù)(Variable Technology) 是指隨著使用工況及要求的變化,或者為了解決矛盾及避免內(nèi)燃機(jī)不正常工作現(xiàn)象的出現(xiàn),使相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或參數(shù)作相應(yīng)的變化,從而使內(nèi)燃機(jī)在各種工況下,綜合性能指標(biāo)能大幅度地提高,而且避免不正常燃燒及超負(fù)荷現(xiàn)象的產(chǎn)生。可變技術(shù)涉及范圍較廣,如可變壓縮比、可變進(jìn)氣系統(tǒng)、可變配氣定時(shí)、可變噴油系統(tǒng)、可變?cè)鰤合到y(tǒng)等 。在解決較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的矛盾方面,可變技術(shù)顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近代電子技術(shù)的發(fā)展,促成了可變技術(shù)的迅速推廣,使可變技術(shù)在車用內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用和影響日漸突出。
1.1.1可變進(jìn)氣系統(tǒng)
傳統(tǒng)的進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度不可變，只能在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較好的充氣效率，具有良好的性能； 在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，其動(dòng)力性在某些工況下必然要受到限制，使內(nèi)燃機(jī)在兩種極端的工況下性能下降，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性。長(zhǎng)期以來(lái)人們發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣管的長(zhǎng)度變化影響內(nèi)燃機(jī)的充氣效率。進(jìn)氣管較短時(shí)，在高速運(yùn)行有較好的充氣效果；進(jìn)氣管較長(zhǎng)時(shí)，在低速運(yùn)行有較好的充氣效果。如圖1.1。使用可變長(zhǎng)度的進(jìn)氣管，可使內(nèi)燃機(jī)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都有叫好的充氣效果。圖1.2所示的是一個(gè)進(jìn)氣管長(zhǎng)度可變的進(jìn)氣控制系統(tǒng)，在內(nèi)燃機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣控制閥關(guān)閉，管道變長(zhǎng)，提高了進(jìn)氣流速，加強(qiáng)了慣性進(jìn)氣的作用，從而提高了充氣效率。在內(nèi)燃機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)氣控制閥打開，管道變短降低了進(jìn)氣阻力，從而提高了充氣效率。圖1.3所示的為進(jìn)氣管長(zhǎng)度無(wú)級(jí)變化的進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖，這種系統(tǒng)可以利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)充氣，在內(nèi)燃機(jī)的所有轉(zhuǎn)速范 圍內(nèi)都能達(dá)到最佳的效果。這種進(jìn)氣管長(zhǎng)度可變系統(tǒng)的
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用不大、可靠性高，比較適用于汽車、拖拉機(jī)、摩托車等的發(fā)動(dòng)機(jī)上。
圖1.1 四缸汽油機(jī)進(jìn)氣管長(zhǎng)度對(duì)充氣系數(shù)的影響隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系
圖1.2 可變進(jìn)氣管長(zhǎng)度控制系統(tǒng)
圖1.3 長(zhǎng)度無(wú)級(jí)可變進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖
1.1.2 可變配氣相位
傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)配氣相位在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中是固定不變的,不能同時(shí)兼顧各種轉(zhuǎn)速的要求,也就很難達(dá)到真正的最佳配氣相位。而采用可變配氣相位則可以在內(nèi)燃機(jī)整個(gè)工作范圍內(nèi),提供合適的氣門開啟、關(guān)閉時(shí)刻或升程,從而改善內(nèi)燃機(jī)進(jìn)、排氣性能,較好地滿足高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速,大負(fù)荷和小負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及廢氣排放的要求。綜上所述,可變配氣相位改善內(nèi)燃機(jī)性能,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1) 能兼顧高速及低速不同工況,提高內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性;
2) 改善內(nèi)冉機(jī)怠速及低速時(shí)的性能及穩(wěn)定性;
3) 降低內(nèi)燃機(jī)的排放。
目前有兩類可變配氣相位機(jī)構(gòu),一類為可變配氣相位,這類方法能提高中、低速轉(zhuǎn)矩,改善低速穩(wěn)定性,但由于最大氣門升程保持不變,所以對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性改善不大,在此不作詳細(xì)論述。另一類為在低速和高速時(shí)應(yīng)用不同的凸輪來(lái)同時(shí)調(diào)節(jié)配氣正時(shí)和氣門升程,并對(duì)高速凸輪和低速凸輪及工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化,使內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得良好的性能。由于可變配氣相位技術(shù)的優(yōu)越性,在美國(guó)已有800多項(xiàng)專利產(chǎn)品?？勺兣錃庀辔?VVT) 典型代表為日本本田車用公司的VTEC系統(tǒng)。VTEC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4。其配氣凸輪軸上布置了高、低速兩種凸輪,采用特殊設(shè)計(jì)的搖臂,能夠 根據(jù)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速高低自動(dòng)切換凸輪,使搖臂分別被高速或低速凸輪驅(qū)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了配氣正時(shí)和氣門升程同時(shí)調(diào)節(jié)的目的。凸輪軸上中間為高速凸輪,與中間搖臂相對(duì)應(yīng),左右各有一個(gè)低速凸輪,分別位于第1和第2搖臂位置。3個(gè)搖臂內(nèi)裝有液壓活塞A、B和限制活塞。其工作過(guò)程為: 轉(zhuǎn)速低于6000r/ min 時(shí),液壓活塞不移動(dòng),中間搖臂在高速凸輪驅(qū)動(dòng)下,壓下空動(dòng)彈簧,而第1和第2搖臂則在2個(gè)低速凸輪作用下驅(qū)動(dòng)2個(gè)氣門;轉(zhuǎn)速高于6000 r/ min時(shí),在壓力油作用下,液壓活塞A和B移動(dòng),中間搖臂與左右搖臂鎖在一起在高速凸輪的作用下驅(qū)動(dòng)氣門,低速凸輪隨凸輪軸空轉(zhuǎn)。
圖1.4 日本本田公司可變配氣相位、升程（VETC）機(jī)構(gòu)工作原理圖
1-液壓活塞B；2-液壓活塞A；3-凸輪軸；4-高速凸輪；5-低速凸輪；
6-限制活塞；7-第2搖臂；8-中間搖臂；9-第1搖臂
1.1.3可變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度
傳統(tǒng)的柴油機(jī)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度取決于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于一個(gè)恒定的柴油機(jī)進(jìn)氣道而言,隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的升高進(jìn)氣渦流增強(qiáng),反之渦流強(qiáng)度減弱。進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)一般只能保證在某一轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的渦流強(qiáng)度使柴油機(jī)性能最佳,而轉(zhuǎn)速改變時(shí),進(jìn)氣渦流就會(huì)過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱,不利于柴油機(jī)正常工作。圖5 為副氣道控制進(jìn)氣渦流強(qiáng)度結(jié)構(gòu)示意圖。副氣道以一定角度與主氣道相連,形成與主氣道反向的進(jìn)氣渦流,通過(guò)改變副氣道的進(jìn)氣量可以很好地改變整個(gè)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度。該種控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,渦流強(qiáng)度的改變不會(huì)惡化流量系數(shù),因而得到了廣泛的應(yīng)用。
圖1.5 副氣道控制進(jìn)氣渦流強(qiáng)度結(jié)構(gòu)圖
1-主氣道；2-汽缸蓋；4-控制閥；5-控制閥行程傳感器；6-電磁閥；7-副氣道
總之，可變技術(shù)的應(yīng)用可使內(nèi)燃機(jī)的各項(xiàng)性能在整個(gè)使用工況變化范圍內(nèi)得到優(yōu)化。如果說(shuō),活塞式內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過(guò)百余年的研究與發(fā)展,在技術(shù)上已達(dá)到相當(dāng)高的水平,那么,可變技術(shù)就是使其性能進(jìn)一步取得重大突破的途徑之一。因而,可變技術(shù)的發(fā)展前景十分誘人?？勺兗夹g(shù)的廣泛應(yīng)用需解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:其一是研制出可改變參數(shù)的結(jié)構(gòu);其二是確保這種結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中的可靠性。近代電子技術(shù)的發(fā)展,使改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控過(guò)程更易實(shí)施,有些可變技術(shù)已在轎車上使用并取得了較好的效果,我國(guó)應(yīng)加大在此方面的投入,優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì),使可變技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)上獲得普遍應(yīng)用,進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)的綜合性能。
1.2發(fā)動(dòng)機(jī)氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展
1.2.1凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
絕大多數(shù)活塞式內(nèi)燃機(jī)是采用傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)凸輪結(jié)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣門的，其氣
門的升程、配氣定時(shí)一般是基于某一狹小工況范圍發(fā)動(dòng)機(jī)性能的局部?jī)?yōu)化而確定，在工作過(guò)程中是固定不變的，是一種折中選擇，氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全由凸輪的型線確定的。這種氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)難于滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能不斷提高的要求，尤其是車用發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其工作范圍非常寬，要求配氣相位可變、氣門升程可調(diào)。但由于它簡(jiǎn)單、可靠、相對(duì)來(lái)說(shuō)不昂貴，至今仍廣泛的使用。
1.2.2凸輪軸可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
凸輪軸可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是在傳統(tǒng)氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，有兩種實(shí)現(xiàn)形式：一種是凸輪軸和凸輪可變系統(tǒng)；另一種是氣門-挺桿可變系統(tǒng)，工作時(shí)凸輪軸和凸輪不變動(dòng)，氣門、挺桿、搖臂或拉桿靠機(jī)械力或液力作用而改變，從而改變配氣相位和氣門升程。
凸輪軸調(diào)相機(jī)構(gòu)是通過(guò)正時(shí)帶輪與凸輪軸內(nèi)軸之間設(shè)置一環(huán)型柱塞，柱塞和凸輪軸內(nèi)軸以直鍵或花鍵傳動(dòng)，電控單元通過(guò)液壓或電子控制柱塞，使柱塞帶動(dòng)凸輪軸相對(duì)于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，從而改變配氣定時(shí)。如圖1.6所示為帶有Valvetronic的可變氣門系統(tǒng)，它保留了傳統(tǒng)的凸輪軸，增加了一根偏心軸、滾軸和頂桿機(jī)構(gòu)，電控單元根據(jù)油門信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)改變偏心凸輪的偏移量，經(jīng)中間搖臂間接地改變進(jìn)氣門動(dòng)作。Valvetronic可任意控制進(jìn)氣門升程，取代了節(jié)氣門的功能，從而將泵氣損失減至最低。Valvetronic有利于提高冷車時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能、降低排放，并使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。
圖1.6 傳統(tǒng)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)與Valvetronic機(jī)構(gòu)的比較
1.2.3無(wú)凸輪軸驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)
無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)在所有工況下都能連續(xù)、獨(dú)立地控制氣門運(yùn)動(dòng),使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得低排放、低能耗、高扭矩和高功率輸出等優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)凸輪配氣機(jī)構(gòu)就是取消發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的凸輪軸以及從動(dòng)件,而以電液、電磁、電氣或者其他方式驅(qū)動(dòng)氣門。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式配氣機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō),電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)
構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)可以概括為:降低了能耗、增加了扭矩、提高了輸出功率和怠速穩(wěn)定性、減少了磨損和沖擊噪聲、可以簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的加工成本和重量、實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)性能等等。
1.2.4電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)
無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)就是取消凸輪軸和彈簧,利用一種壓縮流體的彈性特征對(duì)氣門的開啟和閉合起加速和減速的作用,為氣門定時(shí)、氣門升程和速度提供了連續(xù)的可變控制。加速時(shí)流體的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為氣門的動(dòng)能;減速時(shí)氣門的動(dòng)能又轉(zhuǎn)化為流體的勢(shì)能,在整個(gè)過(guò)程中能量損失很少。
Daimler - Benz公司研究員Letsche研制的電液氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1.7所示。該系統(tǒng)通過(guò)加速踏板位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù),精確計(jì)算出氣門開啟時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。使用電磁閥控制液壓系統(tǒng)就可使發(fā)動(dòng)機(jī)氣門動(dòng)作。氣門在其起始(全閉) 和終了(全開) 位置之間振動(dòng),開啟力來(lái)自氣門開啟彈簧,關(guān)閉力來(lái)自氣門關(guān)閉彈簧。這項(xiàng)技術(shù)既可節(jié)省10%以上燃油,獲得更好的發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性,有效地降低排放,又可實(shí)現(xiàn)新的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)技術(shù)。
圖1.7 Benz的電液氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
Ford公司的Schechter和Levin研究的電液氣門驅(qū)動(dòng)工作原理如圖1.8所示 。液壓活塞與氣門相連,活塞上端的液壓腔與高、低壓源連通,下端的液壓腔則只能連通高壓源。通過(guò)兩個(gè)電磁閥的適時(shí)開、閉可實(shí)現(xiàn)氣門的開啟和關(guān)閉。他們?cè)谠撓到y(tǒng)上進(jìn)行的單個(gè)氣門實(shí)驗(yàn)得出:該電液氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可達(dá)到相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在8000r/ min下的響應(yīng)速度。
但是，內(nèi)燃機(jī)無(wú)凸輪電液氣門驅(qū)動(dòng)現(xiàn)仍然處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,還有許多問(wèn)題等待解決,例如響應(yīng)速度不夠高、氣門落座沖擊、能耗過(guò)大和系統(tǒng)復(fù)雜等等,有待進(jìn)一步探索。而且無(wú)凸輪電液氣門驅(qū)動(dòng)的大部分試驗(yàn)結(jié)論僅僅限制在四缸機(jī)上。
圖1.8 Ford的電液氣門機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)原理
1.2.5電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
隨著電控技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用,電磁氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已成為頗受重視的前沿課題之一。電磁氣門驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)的凸輪軸驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、性能、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放方面都具有潛在的優(yōu)勢(shì)。
如圖1.9所示是采用雙彈簧、雙線圈的電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí),兩線圈均不通電。銜鐵4及氣門1在彈簧7 的作用下,處于半開半閉的中間狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)的初始時(shí)刻對(duì)該裝置進(jìn)行初始化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角判定各氣門應(yīng)打開或關(guān)閉,使關(guān)門線圈5或開門線圈2通電,電磁力克服彈簧力將氣門1關(guān)閉或開啟。若系統(tǒng)判定氣門應(yīng)開啟,則開門線圈2通電,銜鐵4與開門鐵芯3間的電磁力克服彈簧力,使氣門1向下運(yùn)動(dòng)直至最大開啟位置。為保持氣門的開啟狀態(tài),開門線圈2必須繼續(xù)維持較小的電流使電磁力等于或大于彈簧力. 需要關(guān)閉氣門時(shí),開門線圈2斷電,銜鐵4和氣門1在彈簧7 的作用下向上運(yùn)動(dòng).在無(wú)阻尼的理想情況下,氣門可達(dá)到完全關(guān)閉的位置(即落座) ,在氣門落座的一瞬間,關(guān)門線圈5開始通電,銜鐵4與關(guān)門鐵芯6間的電磁力與彈簧力平衡或大于彈簧力,使氣門1保持在關(guān)閉狀態(tài).需要開啟時(shí),關(guān)門線圈5斷電,銜鐵4和氣門1在彈簧7作用下向下運(yùn)動(dòng). 如此循環(huán)往復(fù). 因該系統(tǒng)存在空氣阻力和摩擦力的阻尼作用. 氣門1在彈簧7作用下從最大開啟位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不可能到達(dá)關(guān)閉位置.因此在氣門1 接近關(guān)閉位置時(shí),關(guān)門線圈5就需提前開始通電,使電磁力幫助氣門1快速運(yùn)動(dòng)至關(guān)閉位置。氣門1從關(guān)閉位置向開啟位置運(yùn)動(dòng)時(shí)情況相同。
圖1.9 電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖
1-氣門 ；2-開門線圈；3-開門鐵芯；4-銜鐵；5-關(guān)門線圈；6-關(guān)門鐵芯；7-彈簧；8-氣門導(dǎo)管
1.2.6電氣氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
電氣氣門驅(qū)動(dòng)和電液氣門驅(qū)動(dòng)的工作原理相似，只不過(guò)所用的介質(zhì)為空氣。與電液相比，空氣的粘度低、運(yùn)動(dòng)慣性小，有利于提高電氣氣門的響應(yīng)速度；但空氣的可壓縮性更高，更難精確控制，會(huì)削弱采用它作為介質(zhì)帶來(lái)的好處。同電液氣門驅(qū)動(dòng)一樣，電氣氣門驅(qū)動(dòng)也有氣門落座沖擊大、能耗大、響應(yīng)速度不夠及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。因此，空氣作為傳動(dòng)介質(zhì)的優(yōu)越性并不明顯。所以尋找合適的傳動(dòng)介質(zhì)是提高此類氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵。
1.2.7其他的氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
近年來(lái)研究無(wú)凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括電機(jī)—凸輪驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器—搖臂驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等等。
如圖所示是P.Fitsos 等人提出了用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器—搖臂驅(qū)動(dòng)氣門的方法,旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器工作原理類似于計(jì)算機(jī)中驅(qū)動(dòng)讀寫磁頭的驅(qū)動(dòng)裝置,能夠快速運(yùn)動(dòng),準(zhǔn)確定位。但目前只對(duì)此驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了仿真計(jì)算。
圖1.10 電機(jī)-凸輪氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
R. P. Henry 等人提出了電機(jī)—凸輪驅(qū)動(dòng)氣門的方案如圖10所示。電機(jī)軸、凸輪、凸輪從動(dòng)件總成及氣門在同一軸線上。電機(jī)及凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 凸輪從動(dòng)件及氣門作往復(fù)運(yùn)動(dòng);控制電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向,即可改變氣門正時(shí)和升程。樣機(jī)試驗(yàn)表明,在相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500 r/ min以上時(shí)能量消耗很大, 并且氣門落座速度隨轉(zhuǎn)速增加而增大, 在2500r/min時(shí)達(dá)0.30m/s。
電機(jī)直接控制凸輪的可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，每一氣門都由一套永磁無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)凸輪驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)增加或減少電機(jī)的角速度、改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)改變氣門的開啟和關(guān)閉相位和升程。該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速靈活性范圍很大。
這些驅(qū)動(dòng)氣門的方式都有氣門落座沖擊、響應(yīng)速度、能量消耗和機(jī)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。對(duì)旋轉(zhuǎn)電氣氣門驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器—搖臂氣門驅(qū)動(dòng)的研究遠(yuǎn)不如對(duì)電磁、電液氣門驅(qū)動(dòng)的研究那樣深入。還有人進(jìn)行了以旋轉(zhuǎn)氣門代替往復(fù)運(yùn)動(dòng)的菌形氣門的嘗試 ,但可靠密封和潤(rùn)滑的老問(wèn)題依然沒(méi)有解決。
1.3本課題的意義和主要工作內(nèi)容
以上所有分析表明：可變配氣系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外己經(jīng)進(jìn)行過(guò)大量的研究，伴隨著微電腦技術(shù)的飛速發(fā)展及其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。可變配氣系統(tǒng)也開始由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、調(diào)節(jié)范圍有限的、機(jī)械式的可變配氣系統(tǒng)，向精確的、多自由度的、全柔性控制的、智能型電子控制可變配氣系統(tǒng)發(fā)展。在前期工作中，基于東安465發(fā)動(dòng)機(jī)，在保留氣門彈簧的基礎(chǔ)上，己設(shè)計(jì)出可變配氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，落座沖擊大，液體泄露等原因，整體結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行改進(jìn)。
本課題就是在前期工作的基礎(chǔ)上，完成做了以下一些工作：
1.電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
2.電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
3.電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的電磁閥的選型。
第2章 確定系統(tǒng)方案、擬定液壓原理圖
在不改變氣缸蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種電控液壓驅(qū)動(dòng)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將該執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在4102BG發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上，代替原來(lái)的凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)。這套機(jī)構(gòu)初步能夠?qū)崿F(xiàn)氣門正時(shí)、氣門升程連續(xù)變化的目的，同時(shí)還能在一定的程度上緩解柱塞對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的沖擊。
2.1電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的構(gòu)成
電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)原理如圖2．1所示。該系統(tǒng)主要包括液壓系統(tǒng)部分、氣門驅(qū)動(dòng)部分、電子控制部分，各部分的組成及功能簡(jiǎn)單介紹如下：
圖2．1電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)原理示意圖
1.液壓系統(tǒng)部分：由油箱、濾油器、溢流閥、液壓泵、電動(dòng)機(jī)、壓力表、壓力表開關(guān)以及蓄能器等元件組成。主要任務(wù)是為系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)的能量。
2.氣門驅(qū)動(dòng)部分：包括可變配氣系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)支撐架、兩位兩通高速開關(guān)電磁閥和氣門彈簧組件組成。其中可變配氣系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩個(gè)兩位兩通高速開關(guān)電磁閥控制液壓油路，依靠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的柱塞驅(qū)動(dòng)氣門來(lái)回運(yùn)動(dòng)。氣門回位靠氣門彈簧復(fù)位。主要任務(wù)是完成液壓能與氣門動(dòng)能及氣門彈簧勢(shì)能三者之間的能量轉(zhuǎn)換。
3.電子控制部分：電子控制部分主要是對(duì)液壓及氣門驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行控制，可選用兩種控制方法：l：PLC控制；2：DSP控制。(本文主要研究液壓系統(tǒng)，電控部分不作詳細(xì)說(shuō)明)
2.2電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的工作原理
如圖2．2所示，該系統(tǒng)的工作過(guò)程主要分以下幾階段：
1、氣門開啟過(guò)程：首先電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)網(wǎng)式濾油器過(guò)濾后，將油箱中的油液吸入液壓泵內(nèi)。油液在液壓泵內(nèi)經(jīng)增壓后，通過(guò)單向閥送入蓄能器。蓄能器穩(wěn)定油液的壓力，并將油液以恒定的壓力送到高壓電磁閥。當(dāng)高壓開關(guān)電磁閥接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)打開，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸與高壓油源連通，液壓油進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸，液壓缸內(nèi)壓力迅速升高，液壓油推動(dòng)柱塞向下運(yùn)動(dòng)。柱塞克服氣門彈簧阻力推動(dòng)氣門逐漸打開。當(dāng)氣門達(dá)到最大升程時(shí)，高壓電磁閥停止接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)，立即處于關(guān)閉狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸內(nèi)液壓油油量保持不變，油壓恒定，柱塞位置被油壓鎖定，氣門保持最大升程位置。
2、氣門定位過(guò)程：此時(shí)高壓電磁閥和低壓電磁閥都處于關(guān)閉階段。由于液壓缸內(nèi)壓力保持等于氣門彈簧阻力，氣門保持全開狀態(tài)。
3、氣門關(guān)閉過(guò)程：氣門保持全開一段時(shí)間后，此時(shí)低壓電磁閥打開，低壓電磁閥連通液壓缸與低壓油箱。液壓油回流到油箱，氣門逐漸恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。在氣門關(guān)閉過(guò)程中，由于柱塞回位過(guò)程中，柱塞頭部的回流口為可變節(jié)流式，柱塞越往上回位，回流面積較小，節(jié)流作用就越強(qiáng)，這樣降低了落座速度，減小氣門落座沖擊。
4、壓力保持過(guò)程：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，向蓄能器供油，使蓄能器壓力保持設(shè)定的壓力值。當(dāng)蓄能器內(nèi)液壓油的壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥打開，蓄能器向油箱回油，直到蓄能器內(nèi)液壓油的壓力等于設(shè)定壓力時(shí)為止。設(shè)定壓力通過(guò)溢流閥上的開關(guān)調(diào)節(jié)，其數(shù)值顯示在壓力表上。
2.3擬定液壓原理圖
圖2.2 液壓原理圖
1-液壓泵；2-單向閥；3-油濾器；4-壓力表；5-溢流閥；6-蓄能器；7-減壓閥；8-二位二通常閉高速電磁閥；9-二位二通常閉高速電磁閥；10-執(zhí)行機(jī)構(gòu)
2.4本章小結(jié)
本章以設(shè)計(jì)整體方案為目標(biāo)，按照在不改變氣缸蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種電控液壓驅(qū)動(dòng)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將該執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在4102BG發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋上，代替原來(lái)的凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)。這套機(jī)構(gòu)初步能夠?qū)崿F(xiàn)氣門正時(shí)、氣門升程連續(xù)變化的目的，同時(shí)還能在一定的程度上緩解柱塞對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的沖擊。
第3章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1液壓系統(tǒng)額定壓力的選取
額定壓力：是指液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，單位：MPa
(3.1)
P-----液壓系統(tǒng)的最高工作壓力，Mpa
-----液壓系統(tǒng)總的壓力損失
-----液壓系統(tǒng)的安全裕度
-----柱塞頭部直徑，mm
-----柱塞中部直徑，mm
-----氣阻尼隔板直徑，mm
L-----氣門位移 mm
K-----氣門彈簧強(qiáng)度 N/min
-----氣門彈簧力 N
-----摩擦力 N
-----氣門內(nèi)外彈簧預(yù)緊力，N
-----行機(jī)構(gòu)液壓腔最大液壓阻力，N
-----空氣阻尼力，N
進(jìn)氣門開啟時(shí)，因?yàn)闅忾T上下兩面壓差很小，缸壓力大小可以忽略。
(3.2)
(3.3)
(3.4)
3.2液壓系統(tǒng)額定流量的選取
額定流量：是指液壓系統(tǒng)的工作流量Q，單位：L／min。
（3.5）
Q-----壓系統(tǒng)額定流量，L／min
t-----門開啟動(dòng)作完成時(shí)間，ms
-----壓系統(tǒng)總的流量損失系數(shù)
精確的計(jì)算出t值是選取額定流量值的關(guān)鍵，也就是氣門開啟動(dòng)作完成時(shí)間T計(jì)算。
從式(3-5)中可以發(fā)現(xiàn)，只有氣門開啟動(dòng)作完成時(shí)間t是未知數(shù)，所以精確的計(jì)算出t值是選取額定流量值的關(guān)鍵，也就是氣門開啟動(dòng)作完成時(shí)間的計(jì)算。
t= （3.6）
如圖3.1所示的是可變配氣系統(tǒng)工作特性原理圖，高壓電磁閥打開，氣門在一段延遲時(shí)間后開始打開。氣門打開到最大升程并持續(xù)一段時(shí)間；當(dāng)?shù)蛪弘姶砰y打開，氣門在一段延遲時(shí)間后開始關(guān)閉。氣門勻速關(guān)閉直到完全關(guān)閉氣門。
圖3.1 可變配氣系統(tǒng)工作特性原理圖
氣門開啟延遲與氣門開啟動(dòng)作完成時(shí)間一起構(gòu)成開啟響應(yīng)時(shí)間：
（3.7）
氣門關(guān)閉延遲與氣門關(guān)閉動(dòng)作完成時(shí)間一起構(gòu)成關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間：
（3.8）
氣門關(guān)啟延遲與氣門開啟保持時(shí)間一起構(gòu)成氣門全開持續(xù)期：
（3.9）
可計(jì)算出其中氣門開啟持續(xù)期：
（3.10）
估計(jì)氣門開啟需要的時(shí)間：
（3.11）
3.3液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
為了方便計(jì)算，將液壓系統(tǒng)計(jì)算所需要一些參數(shù)進(jìn)行匯總。如表3．1所示：
表3-1 液壓系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)
再又上述公式可計(jì)算出：P=8.88MPa
Q=9L/min
3.4液壓元件的選擇與計(jì)算
3.4.1液壓泵的選擇
首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)工況確定泵的類型，然后根據(jù)液壓泵的最大供油量和系統(tǒng)工作壓力來(lái)選擇液壓泵的規(guī)格。
1. 液壓泵的最高供油壓力
（3.12）
式中：—執(zhí)行元件的最高工作壓力；
—進(jìn)油路上總的壓力損失。
如系統(tǒng)在執(zhí)行元件停止運(yùn)動(dòng)時(shí)才出現(xiàn)最高工作壓力，則；否則，須計(jì)算出油液流過(guò)進(jìn)油路上的控制、調(diào)節(jié)元件和管道的各項(xiàng)壓力損失，初算時(shí)可憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)，對(duì)簡(jiǎn)單系統(tǒng)取MPa，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)取MPa。
2. 確定液壓泵的最大供油量
液壓泵的最大供油量為
（3.13）
式中：k—系統(tǒng)的泄漏修正系數(shù)(The Correction Coefficient of System Leakage)，一般取k=1.1~1.3，大流量取小值，小流量取大值；—同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。
如果液壓泵的供油量是按工進(jìn)工況選取時(shí)，其供油量應(yīng)考慮溢流閥的最小流量。
3. 選擇液壓泵的規(guī)格型號(hào)
液壓泵的規(guī)格型號(hào)按計(jì)算值在產(chǎn)品樣本選取，為了使液壓泵工作安全可靠，液壓泵應(yīng)有一定的壓力儲(chǔ)備量，通常泵的額定壓力可比工作壓力高25%—60%。泵的額定流量則宜與相當(dāng)，不要超過(guò)太多，以免造成過(guò)大的功率損失。
由已知條件和上訴公式可選取高壓齒輪泵型號(hào)：CB一306。
齒輪泵各種參數(shù)：額定壓力16MPa，轉(zhuǎn)數(shù)1440r／min，供油量6．3ml／r，這種齒輪泵滿足試驗(yàn)需要前提下，價(jià)格低廉，且對(duì)液壓油的品質(zhì)要求不高。
3.4.2選擇驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)
驅(qū)動(dòng)液壓泵的電動(dòng)機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率和泵的轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。
在整個(gè)工作循環(huán)中，泵的壓力和流量在較多時(shí)間內(nèi)皆達(dá)到最大工作值時(shí)，驅(qū)動(dòng)泵的電動(dòng)機(jī)功率(Power)為
（3.14）
式中：—液壓泵的總效率，數(shù)值可見產(chǎn)品樣本。
限壓式變量葉片泵的驅(qū)動(dòng)功率，可按泵的實(shí)際壓力流量特性曲線拐點(diǎn)處的功率來(lái)計(jì)算。
在工作循環(huán)中，泵的壓力和流量變化較大時(shí)，可分別計(jì)算出工作循環(huán)中各個(gè)階段所需的驅(qū)動(dòng)功率，然后求其均方根值即可。
在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)將求得的功率值與各工作階段的最大功率值比較，若最大功率符合電動(dòng)機(jī)短時(shí)超載25%的范圍，則按平均功率選擇電動(dòng)機(jī)；否則應(yīng)按最大功率選擇電動(dòng)機(jī)。
選取電動(dòng)機(jī)型號(hào)：2．2kW普通電機(jī)。
電動(dòng)機(jī)參數(shù)：功率為2．2kW，轉(zhuǎn)速1420r／min。
3.4.3液壓閥的選擇
1、高速電磁閥的選取
高速電磁閥是可變配氣系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，它的動(dòng)作時(shí)間決定著整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)作的快慢，電磁閥的流通面積決定了其在一定壓差下的流量，從而決定了氣門的開啟速度和關(guān)閉速度。設(shè)計(jì)中選用貴州紅林機(jī)械廠與美國(guó)BKM合作開發(fā)的HSV系列高速開關(guān)式電磁閥。
這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、響應(yīng)快速、可靠性高。當(dāng)線圈通電時(shí)，銜鐵5產(chǎn)生的電磁力通過(guò)閥桿2使球閥1打開，液壓油通過(guò)控制口輸出：當(dāng)線圈斷電時(shí)，球閥l在供油口和控制口壓差的作用下．使供油球閥落座，則供油口與控制口斷開。
由上述已知條件可以確定選額定流量為4-9L/min的高速電磁閥
2、溢流閥的選取
溢流閥是一種壓力控制閥，常用于節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，它和流量控制閥
配合使用，調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的流量，并保持系統(tǒng)的壓力基本恒定。用于過(guò)載保護(hù)的溢流閥一般稱為安全閥。本液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要的是保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，所以也就被稱為定壓閥，平時(shí)閥芯在彈簧力的作用下壓在閥座上，閥呈關(guān)閉狀態(tài)，因而閥芯不起作用。壓力油通過(guò)入口作用于錐形閥芯上，當(dāng)油壓對(duì)閥芯的作用力大于彈簧所調(diào)整的壓力時(shí)，錐形閥芯被打開，高壓油便經(jīng)溢流口排回油箱使得系統(tǒng)中的壓力不再升高，保持恒定壓力。擰動(dòng)調(diào)壓螺釘，可以改變控制壓力，直動(dòng)式溢流閥是靠液壓力和彈簧力直接平衡，控制溢流口啟閉及其開口大小來(lái)進(jìn)行工作的。這種閥的主要缺點(diǎn)是閥門開口量有變化時(shí)候，彈簧力變化比較大，油壓也相應(yīng)的產(chǎn)生較大的波動(dòng)，所以控制壓力的精確度就會(huì)降低。由于系統(tǒng)的工作壓力要求為4一1OMPa范圍內(nèi)，所以，溢流閥只在低壓時(shí)使用。
選取型號(hào)：YF型板式系列先導(dǎo)式溢流閥?；緟?shù)為：最大壓力1OMPa、最小壓力0．5MPa、卸荷壓力0．2MPa。
3.4.4油箱的選擇
由于電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵頻繁啟動(dòng)，工作油液溫度會(huì)升高很快。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，工作油液溫度不能超過(guò)50度，這就要求工作油液有充分的冷卻時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，油箱容積為齒輪泵每分鐘供油量的5至10倍選取油箱體積為48L：長(zhǎng)×寬×高=300×300×400mm。
3.4.5蓄能器的選取
蓄能器容積和液壓缸容積、氣門每分鐘啟閉次數(shù)有如下關(guān)系：
（3.15）
蓄能器容積和壓力脈動(dòng)、工作油液溫度有直接關(guān)系。蓄能器容積越大，壓力脈動(dòng)越小；蓄能器容積越大，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間越少，工作油液溫度越低。
選取蓄能器參數(shù)：容積為1L。
3.4.6管道尺寸的確定
1. 管道內(nèi)徑計(jì)算
（4）
????式中? Q——通過(guò)管道內(nèi)的流量（m3/s）；
???????? υ——管內(nèi)允許流速（m/s），見表。
計(jì)算出內(nèi)徑d后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取相應(yīng)的管子。
2.管道壁厚δ的計(jì)算
（5）
表4-1 允許流速推薦值
管道
推薦流速/（m/s）
液壓泵吸油管道
0.5～1.5，一般常取1以下
液壓系統(tǒng)壓油管道
3～6，壓力高，管道短，粘度小取大值
液壓系統(tǒng)回油管道
1.5～2.6
式中 p——管道內(nèi)最高工作壓力（Pa）；
??? ?????d——管道內(nèi)徑（m）；
——材料的抗拉強(qiáng)度
選取油管和管接頭：外徑6mm紫銅管和配套型號(hào)的卡套式鋼管管接頭。
3．5本章小結(jié)
本章以液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為目標(biāo)，按照液壓式可變配氣系統(tǒng)的構(gòu)成設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)部分：由油箱、濾油器、溢流閥、液壓泵、電動(dòng)機(jī)、壓力表、壓力表開關(guān)以及蓄能器等元件組成。確定了液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)，主要任務(wù)是為系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)的能量。
第4章 氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全剖設(shè)計(jì)方案如圖4.1所示：
圖4.1配氣系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的主要作用是給柱塞提供驅(qū)動(dòng)能量，使得柱塞可以克服氣門彈簧阻力，控制氣門的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也對(duì)柱塞的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用。液壓缸體積要盡量小，這樣可以降低氣門開啟延遲時(shí)間及整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體積。
可變配氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有三個(gè)腔：上面是柱塞液壓控制腔；中間是液壓緩沖腔；下面是空氣阻尼腔。柱塞液壓控制腔由可變配氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上端蓋與柱塞組成。柱塞液壓緩沖腔是可變配氣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上端蓋、底殼與柱塞組成。
柱塞與套筒研磨配合，同時(shí)其上應(yīng)開啟油道，與高、低壓電磁閥分別連接。下端與柱塞限位體相連，使得柱塞只能在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中以定升程來(lái)回運(yùn)行，控制氣門啟閉。主要難點(diǎn)在于液壓缸的密封及同軸度的保證。液壓缸通過(guò)原機(jī)缸蓋上的缸頭蓋上的螺栓固定。
液壓缸直接與柱塞大端外徑配合，為了保證大直徑活塞的開啟速度，同時(shí)為了確保液壓缸與柱塞配合面不漏油，采用研磨配合。
4.1上端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
上端蓋與底殼組成了可變配氣系統(tǒng)機(jī)構(gòu)外殼體，上端蓋的上部側(cè)面左右兩個(gè)側(cè)面各有一個(gè)口，左邊口為進(jìn)油口，右邊口為一個(gè)出油口。進(jìn)油口與進(jìn)油管路相連接，出油口與回油管路相連接。
圖4.2 上端蓋
4.2下底蓋得設(shè)計(jì)
底殼的內(nèi)腔構(gòu)成了空氣緩沖腔。同時(shí)為了連接方便，把底殼加工成外螺紋，上端蓋加工成內(nèi)螺紋，底殼和上端蓋通過(guò)螺紋連接，便于安裝與拆卸，同時(shí)也減少了零件數(shù)和省去了安裝空間。
圖4.3下底蓋
4.3柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了避免柱塞在行程兩端與殼體發(fā)生機(jī)械碰撞，產(chǎn)生沖擊，影響設(shè)備工作精度，以至于損壞零件，為此本設(shè)計(jì)中設(shè)置許多緩沖裝置。緩沖裝置的原理是利用柱塞在行程終端時(shí)，在柱塞和殼體之間封住一部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或很窄的縫隙中擠出，以產(chǎn)生很大的回油阻力使柱塞受到制動(dòng)而減慢速度，避免柱塞與殼體相碰撞，以達(dá)到緩沖的目的。
柱塞的設(shè)計(jì)既要保證柱塞的開啟速度，又要盡量減小氣門到達(dá)最大升程位置時(shí)和落座的沖擊力。在柱塞上設(shè)置節(jié)流緩沖裝置，其原理如圖4.4所示。常見的緩沖裝置一般有三種：固定節(jié)流式緩沖裝置、可調(diào)節(jié)流緩沖裝置和可變節(jié)流槽式緩沖裝置。柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合了上面三種常見的緩沖裝置其中的兩種：固定節(jié)流式緩沖裝置和可變節(jié)流槽式緩沖裝置。這樣能既能保證氣門的開啟速度和降低柱塞在落座時(shí)對(duì)殼體的沖擊。
柱塞的下端加工了一個(gè)外螺紋，可變配氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)空氣阻尼隔板通過(guò)用一個(gè)與柱塞下端的外螺紋相配合的螺帽壓緊在柱塞軸上。使的空氣阻尼隔板與柱塞形成一體。能夠保證柱塞與空氣阻尼隔板一起運(yùn)動(dòng)，空氣阻尼隔板外圈的O型圈對(duì)外殼產(chǎn)生的阻尼力能夠影響到氣門升程曲線。
圖4.4 柱塞落座圖
4.4柱塞套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電控可變配氣系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一套研磨配合的偶件，即柱塞頭部與套筒偶件。
基于柱塞和套筒之間配合既要滿足相互運(yùn)動(dòng)摩擦小，又有滿足一定的壓力下密封的要求，參照發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器針閥偶件結(jié)構(gòu)形式，擬在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上采取類似的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能保證同心度的要求。
同時(shí)套筒設(shè)有限位線，當(dāng)柱塞下降的時(shí)候，套筒的限位線限制柱塞下降，這樣氣門就能保持最大升程不變。
圖4.3套筒
4.5本章小結(jié)
本章以氣門正時(shí)及其靈活性為目標(biāo)，按照電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)計(jì)氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓缸的主要作用是給柱塞提供驅(qū)動(dòng)能量，使得柱塞可以克服氣門彈簧阻力，控制氣門的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也對(duì)柱塞的運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用。
第5章 溢流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1溢流閥的結(jié)構(gòu)和工作原理
溢流閥的基本功用是：當(dāng)系統(tǒng)的壓力達(dá)到或超過(guò)溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，系統(tǒng)的油液通過(guò)閥口溢出一些，以維持系統(tǒng)壓力近于恒定，防止系統(tǒng)壓力過(guò)載，保障泵、閥和系統(tǒng)的安全，此時(shí)的溢流閥常稱為安全閥或限壓閥。
溢流閥的根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)型和先導(dǎo)型兩種。
5.1.1直動(dòng)型溢流閥
圖5-1 直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
（a）錐閥式 (b)球閥式 (c)滑閥式 (d)溢流閥的基本符號(hào)
1-調(diào)壓螺栓；2-彈簧；3-閥芯；4-閥體（含閥座）
錐閥式和球閥式又叫座閥式溢流閥，特點(diǎn)是動(dòng)作靈敏，密封性能好，配合沒(méi)有泄漏間隙，但導(dǎo)向性差，沖擊性較強(qiáng)，閥座閥芯易損壞?；y式由于閥口有一段密封搭合量，穩(wěn)定性較好，不易產(chǎn)生自激振動(dòng)，但動(dòng)作反應(yīng)較慢。
下面以錐閥式DBD直動(dòng)型溢流閥為例說(shuō)時(shí)其工作原理：
圖5-2 錐閥式DBD直動(dòng)型溢流閥（插裝式）
（a）結(jié)構(gòu)圖（b）局部放大圖（c）簡(jiǎn)化符號(hào)（d）詳細(xì)符號(hào)
1-偏流盤；2-錐閥；3-阻尼活塞；4-調(diào)節(jié)桿；5-調(diào)壓彈簧；6-閥套；7-閥座
（1）工作原理: 設(shè)彈簧預(yù)緊力為Ft,活塞底部面積為A則：
當(dāng)PA < Ft時(shí),閥口關(guān)閉。
當(dāng)PA = Ft時(shí),閥口即將打開,此時(shí),PA = F = K X0,
P =PK(開啟壓力)=KX0/A
當(dāng)PA > Ft時(shí),閥口打開,P→T,穩(wěn)壓溢流或安全保護(hù)。
錐閥開啟后,由[1]得錐閥的力平衡方程為：
PA＝K(+)+G F+Fs –Fj
即： P= [K(+)+G F+Fs –Fj]/A (5.1)
式中 ： K、分別為彈簧剛度和預(yù)壓縮量（m）;G為閥芯自重（水平時(shí)不考慮）:F為閥芯與閥套間的摩擦力（N）；Fs為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力（N）；Fj為射流力(N)。
此處 ∵Fs=0, Fj=KX(N)
∴P=( K+G F)/A (5.2)
（2） 調(diào)壓原理：調(diào)節(jié)調(diào)壓螺帽改變彈簧預(yù)壓縮量,便可調(diào)節(jié)溢流閥調(diào)整壓力。
（3） 特點(diǎn)：從式（5-2）可知這種閥的進(jìn)口壓力P不受流量變化的影響,被控力P變化很小,定壓精度高。但由于Ft直接與PA平衡,若 P較高,Q較大時(shí),K就相應(yīng)地較大,不但手調(diào)困難,且Ft略有變化,p變化較大,所以一般用于低壓小流量場(chǎng)合。
5.1.2先導(dǎo)式溢流閥
先導(dǎo)閥 -直動(dòng)式錐閥，硬彈簧。
（1）組成 : 帶有導(dǎo)向圓錐面的錐閥（二級(jí)同心式）和軟彈簧
主閥 滑閥和軟彈簧
帶有多節(jié)導(dǎo)向圓錐面的錐閥（三級(jí)同心式）和軟彈簧
圖5-3 YF型三節(jié)同心先導(dǎo)溢流閥（板式）
1-閥體；2-主閥座；3-主閥芯；4-閥蓋（先導(dǎo)閥體）；5-先導(dǎo)閥座 ；6-先導(dǎo)閥錐式閥芯；7-調(diào)壓彈簧；8-調(diào)節(jié)桿；9-調(diào)壓螺栓；10-手輪；11-主閥彈簧
先導(dǎo)型溢流閥的先導(dǎo)閥是一個(gè)小規(guī)格的錐閥式直動(dòng)溢流閥，其彈簧用于調(diào)定主閥部分的溢流壓力。主閥的彈簧不起調(diào)壓作用，僅是為了克服摩擦力使主閥芯及時(shí)回位而設(shè)置。
(2) 工作原理：設(shè)Ac為先導(dǎo)閥閥座孔面積（m）,Fx、Kx為先導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力、剛度,Ft、G、Ff、Ky為主閥彈簧預(yù)緊力、自重、摩擦力。
當(dāng)P2Ac < Fx時(shí),導(dǎo)閥關(guān)閉,主閥也關(guān)閉。
當(dāng)P2A c> Fx時(shí),導(dǎo)閥打開,主閥兩端產(chǎn)生壓差:△p
當(dāng) △p < Ft+G+F時(shí),主閥關(guān)閉。
△p > Ft+G+F時(shí),主閥打開穩(wěn)壓溢流或安全保護(hù)。
由[1]得主閥芯和導(dǎo)閥的力平衡方程分別為：
由上兩式可得溢流閥進(jìn)口壓力為：
（Pa） (5.3)
調(diào)壓原理：調(diào)節(jié)調(diào)壓螺帽,改變硬彈簧力,即可改變壓力。
特點(diǎn): ∵ 溢流閥穩(wěn)定工作時(shí),主閥閥芯上部壓力小于下部壓力。
∴ 即使下部壓力較大,因有上部壓力,彈簧可做得較軟,流量變化引起閥心位置變化時(shí),彈簧力的變化量較小,壓力變化小。
又∵ 調(diào)壓彈簧調(diào)好后,上部壓力為常數(shù)。
∴ 壓力隨流量變化較小,克服了直動(dòng)式溢流閥的缺點(diǎn)。
還∵ 先導(dǎo)閥的溢流量?jī)H為主閥額定流量的1%左右
∴ 先導(dǎo)閥閥座孔的面積AC、開口量x、調(diào)壓彈簧剛度KX都不必很大
∴ 先導(dǎo)型溢流閥廣泛用于高壓、大流量場(chǎng)合。
5.2溢流閥的主要性能
5.2.1靜態(tài)特性：
(1) 壓力調(diào)節(jié)范圍
定義：調(diào)壓彈簧在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)壓力平穩(wěn)（壓力無(wú)突跳及遲滯現(xiàn)象）上升或下降最大和最小調(diào)定壓力差值。
（2）啟閉特性
定義：溢流閥從開啟到閉合全過(guò)程的被控壓力p與通過(guò)溢流閥的溢流量q之間的關(guān)系。 一般用溢流閥處于額定流量、額定壓力Ps時(shí)，開始溢流的開啟壓力Pk和停止溢流的閉合壓力P分別與Ps的百分比來(lái)表示。
開啟壓力比： =(Pk/Ps)100%
閉合壓力比： =( P/Ps)100%
兩者越大及越接近,溢流閥的啟閉特性越好。一般規(guī)定：開啟壓力比應(yīng)不小于90%，閉合壓力比應(yīng)不小于85%，其靜態(tài)特性較好。
(3) 卸荷壓力：當(dāng)溢流閥作卸荷閥用時(shí)，額定流量下進(jìn)、出油口的壓力差稱為卸荷壓力。
(4) 最大允許流量和最小穩(wěn)定流量：溢流閥在最大允許流量（即額定流量）下工作時(shí)應(yīng)無(wú)噪聲。
5.2.2動(dòng)態(tài)特性
（1）壓力超調(diào)量：最大峰值壓力與調(diào)定壓力的差值。
（2）響應(yīng)時(shí)間：指從起始穩(wěn)定壓力與最終穩(wěn)態(tài)壓力之差的10%上升到90%的時(shí)間。
(即圖3-4中A、B兩點(diǎn)的間的時(shí)間間隔)
（3）過(guò)渡過(guò)程時(shí)間：指從調(diào)定壓力到最終穩(wěn)態(tài)壓力的時(shí)間。(即圖5-4中B點(diǎn)到C點(diǎn)間的時(shí)間間隔)
（4）升壓時(shí)間：指溢流閥自卸荷壓力上升至穩(wěn)定調(diào)定壓力所需時(shí)間。（即圖5-5的△t1）
（5）卸荷時(shí)間：指卸荷信號(hào)發(fā)出后由穩(wěn)態(tài)壓力狀態(tài)到卸荷壓力狀態(tài)所需的時(shí)間。(即圖5-5中的△t2)
圖5-4流量階躍變化時(shí)溢流閥的進(jìn)口壓力響應(yīng)特性
圖5-5溢流閥升壓與卸荷特性
5.2.3先導(dǎo)型溢流閥的靜態(tài)特性分析：
以本次設(shè)計(jì)中繪制ＹＦ型溢流閥為例：具體尺寸見相關(guān)裝配圖及零件圖。
圖5-6先導(dǎo)型溢流閥示意圖
（1）開啟過(guò)程：
設(shè)額定排放壓力pn=16MPa，開啟壓力pk=14MPa，先導(dǎo)閥彈簧剛度為Kx=４2Ｎ／mm、預(yù)壓縮量為X0=５mm，主閥彈簧剛度Ｋy＝20N/mm、預(yù)壓縮量y0=40mm額定流量qn=120L/min，主閥芯與閥孔間的摩擦力為Ff，上、下腔的液壓力分別為p2和p1，
而其上下有效作用面積分別為A2和A1
A2==1055 mm2； A1==1016 mm2
=1.04 (符合在1.03~1.05 之間的條件)
主閥芯自重為：
G=mg=0.18×9.8=1.764N，
先導(dǎo)閥孔座面積為：
Ac==14.85 mm2
穩(wěn)態(tài)時(shí)的主閥開度y=0.4mm，則：
a.當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力p1低于先導(dǎo)閥的開啟壓力pk時(shí)，先導(dǎo)閥保持關(guān)閉。根據(jù)[1]此時(shí)主閥芯受力條件為
A1 p1< A2 p1+Kyy0+G+Ff (5.4)
式中KX、Ky分別為先導(dǎo)閥彈簧和主閥彈簧的剛度（N/m）；X0、y0分別為先導(dǎo)閥彈簧和主閥彈簧的預(yù)壓縮量（m）。
此時(shí)閥口仍關(guān)閉。
b.當(dāng)系統(tǒng)壓力上升到先導(dǎo)閥的開啟壓力時(shí)，先導(dǎo)閥處于即將開啟但未開啟的狀態(tài)，主閥芯受力關(guān)系仍為式（5-4）
c.當(dāng)系統(tǒng)壓力升高超過(guò)先導(dǎo)閥開啟壓力時(shí)，先導(dǎo)閥打開，液壓油經(jīng)由阻尼孔流向先導(dǎo)閥再流回油箱。此時(shí)主閥芯上下兩腔將產(chǎn)生壓力差，但尚未到達(dá)足以抬升主閥芯的程度，根據(jù)主閥芯的受力方程為：
A1 p1q< A2 p2q+Kyy0+G+Ff （5.5）
d.當(dāng)系統(tǒng)壓力上升到主閥開啟壓力時(shí)，通過(guò)阻尼孔的流量增大，產(chǎn)生的壓力差使主閥芯處于平衡狀態(tài)：根據(jù)有力平衡方程：
A1 p1n = A2 p2n + Kyy0+G+Ff （5.6）
e.當(dāng)系統(tǒng)壓力高于主閥開啟壓力時(shí)，主閥開啟，根據(jù)[1]其受力為
= A2 p2+Ky（y0+y）+G+Ff （5.7)
式中，y 為主閥口的開度（m）；為液體入射角，近似等于維閥半維角=38.5（0）；
D1=16為主閥座孔直徑（m）; 根據(jù)主閥口流量系數(shù)C1=0.77～０.8(取０.8)為。
f.當(dāng)系統(tǒng)壓力升到調(diào)定壓力時(shí)，閥內(nèi)通過(guò)額定流量，根據(jù)此時(shí)主閥芯受力方程為：= A2 p2n+Ky（y0+y）+G+Ff （5.8）
到此，溢流閥開啟完成。
(2)閉合過(guò)程：
其過(guò)程與開啟過(guò)程相反，但各關(guān)鍵點(diǎn)相似，不同的是由于摩擦力方向改變，造成閥口的關(guān)閉壓力比相應(yīng)的開啟壓力要小。
(3)靜態(tài)特性關(guān)系式
先導(dǎo)型溢流閥在穩(wěn)態(tài)溢流條件下，滿足下列關(guān)系式：
a. 根據(jù)[1]，主閥口出流方程式為
?。╩3/s） (5.9)
式中，p1為受控壓力（Ｐa），油液密度=900（kg/m3）,其他參數(shù)意義同前。
b.主閥芯受力平衡方程式：
A2 p2＝Ky（y0+y）＋+GFf?。ǎ危?（5.10）
式中，F(xiàn)f開啟時(shí)取正號(hào)，閉合時(shí)取負(fù)號(hào)；其余參數(shù)意義同前。
c.通過(guò)主閥芯阻尼孔的流量方程式：
阻尼孔結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)孔，根據(jù)[3]其流量
q= (m3/s) (5.11)
式中阻尼孔截面積A0==0.785（m2）; 根據(jù)[3]阻尼孔的流量系數(shù)C’=0.82。
d.先導(dǎo)閥口出流方程式根據(jù)[1]有：
q= (m3/s) (5.12)
式中，根據(jù)[3]先導(dǎo)閥流量系數(shù)C2=0.77，先導(dǎo)閥閥座孔直徑d=4 (mm);x為先導(dǎo)閥閥口的軸向開度（m）；先導(dǎo)閥芯的半錐角=20（0）。
e.先導(dǎo)閥芯受力平衡方程式根據(jù)[1]有：
Ac p2＝Kx（x0+x）＋?。ǎ危? （5.13）
式中，各參數(shù)意義同前。
(4)溢流閥內(nèi)泄漏量：
根據(jù)按偏心環(huán)狀縫隙的流量公式來(lái)計(jì)算：
q= (cm3/s) (5.14)
式中，主閥芯直徑 D=4（cm）
主閥芯直徑Ｄ與閥體間的單邊配合間隙 △r=0.005（cm）
公稱壓力 Pg=16Mpa=16/0.09807≈163.15（kgf/cm2）
油液動(dòng)力粘度
（kgf.s/cm2）
主閥芯與閥體的配合長(zhǎng)度 Ｌ=1.5（cm）
Ｌ處均壓槽數(shù) Z=7
均壓槽寬 B=0.05（cm）
則： q==1.76×10-3 (cm3/s)
5.3溢流閥的基本應(yīng)用
（1） 穩(wěn)壓溢流回路：溢流閥和定量泵、節(jié)流閥并聯(lián)，閥口常開。（如圖5-7所示）
在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，溢流閥與節(jié)流元件及負(fù)載并聯(lián)，泵的供油量大于節(jié)流閥通道的需求量，此時(shí)，溢流閥作定壓閥使用，閥口常開，使多余的油液回油箱，以保持節(jié)流閥進(jìn)口的系統(tǒng)壓力基本為恒定值。
（2） 安全限壓回路：溢流閥和變量泵組合，正常工作時(shí)閥口關(guān)閉,過(guò)載時(shí)打開壓力油經(jīng)閥口回油箱，油壓不再升高,起安全保護(hù)作用,故又稱安全閥。（如圖5-8所示）
圖5-7穩(wěn)壓溢流回路 圖5-8 安全限壓回路
（3）遠(yuǎn)程調(diào)壓回路：將先導(dǎo)式溢流閥的遠(yuǎn)程控制口K接遠(yuǎn)程調(diào)壓閥進(jìn)油口，并 p遠(yuǎn)程 < p主調(diào)（如圖5-9所示）
（4）系統(tǒng)卸荷回路：溢流閥和二位二通閥組合（先導(dǎo)式）（如圖5-10所示）將先導(dǎo)式溢流閥的遙控口K通過(guò)二位二通電磁換向閥直接與油箱連接，當(dāng)換向閥的P、O口處于聯(lián)通狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)卸荷
（5）多級(jí)調(diào)壓回路（如圖5-11所示）
（6）形成背壓
圖5-9遠(yuǎn)程調(diào)壓回路 圖5-10系統(tǒng)卸荷回路
圖5-11多級(jí)調(diào)壓回路
5.4本章小結(jié)
本章以液壓系統(tǒng)溢流閥的設(shè)計(jì)為目標(biāo)。溢流閥的基本功用是：當(dāng)系統(tǒng)的壓力達(dá)到或超過(guò)溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，系統(tǒng)的油液通過(guò)閥口溢出一些，以維持系統(tǒng)壓力近于恒定，防止系統(tǒng)壓力過(guò)載，保障泵、閥和系統(tǒng)的安全，此時(shí)的溢流閥常稱為安全閥或限壓閥。溢流閥的根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)型和先導(dǎo)型兩種。通過(guò)對(duì)溢流閥的設(shè)計(jì)從而完善整個(gè)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
結(jié) 論
本文設(shè)計(jì)了一種以液壓為驅(qū)動(dòng)力的可變配氣系統(tǒng)，
通過(guò)對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究，表明該系統(tǒng)能夠?qū)忾T正時(shí)、氣門開啟持續(xù)期進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并且系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，基本達(dá)到預(yù)期的目的。
到論文完成為止，作者認(rèn)為對(duì)電控液壓驅(qū)動(dòng)可變配氣系統(tǒng)的研究還有一些工作需要繼續(xù)進(jìn)行：
1.本文只對(duì)單個(gè)氣門進(jìn)行了分析，更進(jìn)一步的工作要進(jìn)行多氣門實(shí)機(jī)試驗(yàn)，并向發(fā)動(dòng)機(jī)全可變配氣發(fā)展；
2.可變配氣系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以進(jìn)一步完善，并且可將雙電磁閥控制改造成單電磁閥控制；
3.氣門升程控制試驗(yàn)沒(méi)有完成，希望后來(lái)者能夠完成該試驗(yàn)；
4.對(duì)電控可變配氣系統(tǒng)多氣門的控制策略進(jìn)行深入研究。
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