柴油機(jī)進(jìn)排氣閥門(mén)的配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)含8張CAD圖,柴油機(jī),排氣,閥門(mén),機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),cad 柴油機(jī)進(jìn)排氣閥門(mén)的配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 摘 要 配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。隨著內(nèi)燃機(jī)高功率、高速化，人們對(duì)其性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因而對(duì)其配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。配氣凸輪型線是配氣機(jī)構(gòu)的核心部分，配氣凸輪型線設(shè)計(jì)是配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要途徑之一。模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究是內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)研究?jī)煞N重要手段。本文對(duì)配氣機(jī)構(gòu)給零件形狀、尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且應(yīng)用pro-engineer進(jìn)行了實(shí)體建模，得到了配氣機(jī)構(gòu)的三維裝配圖。再將配氣機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行約束的建立以及驅(qū)動(dòng)的添加，使得配氣機(jī)構(gòu)能夠在ADAMS軟件中進(jìn)行仿真，從而得到各種數(shù)據(jù)曲線對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行分析，根據(jù)各種數(shù)據(jù)分析得到配氣機(jī)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；配氣機(jī)構(gòu)；虛擬樣機(jī)技術(shù)；建模；仿真 ABSTRACT The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine. This thesis devise the parts shape and dimension for the valve train, obtain the 3D assembly diagram base on model entities by pro-engineer. Importing the valve train to ADAMS software, then creating the constraints and adding drives. Sequentially, analyze the whole organization performance, after get the various data curve from valve train be capable simulation in ADAMS software. Finally, obtain the optimum design of valve train according to various data analysis. Key words: Internal combustion engine; Valve train VPT; Virtual prototyping technology; Modeling; Simulation II 目 錄 摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ 第1章 緒論………………………………………………………………………………1 1.1 課題研究的目的和意義…………………………………………………………1 1.1.1 設(shè)計(jì)的目的……………………………………………………………… 1 1.1.2 設(shè)計(jì)的意義……………………………………………………………… 1 1.2 柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀……………………………………………………………1 1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容…………………………………………………………………………2 1.4 用計(jì)算機(jī)輔助配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析………………………………………………3 1.5本文研究?jī)?nèi)容………………………………………………………………………3 第2章 配氣機(jī)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)…………………………………………………5 2.1氣門(mén)………………………………………………………………………………5 2.1.1 氣門(mén)設(shè)計(jì)的基本要求…………………………………………………… 5 2.1.2氣門(mén)的工作條件分析及材料的選擇…………………………………… 5 2.1.3 氣門(mén)頭的設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 6 2.1.4氣門(mén)桿的設(shè)計(jì)…………………………………………………………… 7 2.1.5 氣門(mén)的主要損壞形式和預(yù)防措施……………………………………… 8 2.2氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………9 2.2.1 氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)要求…………………………………………………… 9 2.2.2彈簧介紹………………………………………………………………… 9 2.2.3 氣門(mén)彈簧的有關(guān)計(jì)算……………………………………………………11 2.3搖臂的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………13 2.3.1 搖臂的工作原理…………………………………………………………13 2.3.2搖臂與氣門(mén)桿頂面間接觸應(yīng)力的計(jì)算………………………………14 2.4推桿的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………14 2.4.1 推桿的功能結(jié)構(gòu)形式……………………………………………………14 2.4.2尺寸設(shè)計(jì)…………………………………………………………………14 2.5 挺柱的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………16 2.5.1 挺柱的結(jié)構(gòu)………………………………………………………………16 2.5.2平面挺柱導(dǎo)向面與導(dǎo)向孔之間的擠壓應(yīng)力的計(jì)算……………………16 2.5.3 平面挺柱的最大速度……………………………………………………16 2.5.4凸輪與挺柱間接觸應(yīng)力的計(jì)算…………………………………………17 2.6凸輪的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………18 2.7 凸輪軸的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………19 2.7.1 凸輪軸基本要求…………………………………………………………19 2.7.2凸輪軸計(jì)算………………………………………………………………20 2.8本章小結(jié)………………………………………………………………………21 第3章Pro-engineer和Adams軟件理論基礎(chǔ)……………………………………23 3.1虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹……………………………………………………………23 3.2虛擬樣機(jī)強(qiáng)有力的工具…………………………………………………………24 3.3 用Proe和Adams開(kāi)發(fā)虛擬樣機(jī)的主要流程…………………………………24 3.4 多體動(dòng)力學(xué)………………………………………………………………………25 3.5本章小結(jié)…………………………………………………………………………28 第4章 建模與仿真…………………………………………………………………29 4.1 Proe實(shí)體建?！?9 4.2建立Proe裝配圖…………………………………………………………………32 4.3將裝配圖導(dǎo)入Adams……………………………………………………………34 4.4配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果及分析…………………………………………35 4.5本章小結(jié)…………………………………………………………………………42 結(jié)論………………………………………………………………………………………43 參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………44 致謝………………………………………………………………………………………46 第1章 緒 論 1.1 課題研究的目的和意義 1.1.1設(shè)計(jì)的目的 建立在計(jì)算機(jī)實(shí)體建模及可視化基礎(chǔ)上的虛擬樣機(jī)技術(shù)是應(yīng)用于現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的數(shù)字化設(shè)計(jì)及分析工具。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)在供作時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)中個(gè)零件的參數(shù)。為配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供便利。 1.1.2設(shè)計(jì)的意義 氣門(mén)機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)/排氣系統(tǒng)的重要組成部分。同時(shí)，進(jìn)排氣閥門(mén)噪聲也是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要來(lái)源之一。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高以及廣泛采用的多氣門(mén)方案都可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣閥門(mén)噪聲的增加。在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲法規(guī)的日益嚴(yán)格的今天，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣閥門(mén)的運(yùn)動(dòng)分析是很有意義的。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也是意義重大?，F(xiàn)代社會(huì)分工中，設(shè)計(jì)工作是一項(xiàng)各行業(yè)都需要的重要工作，其對(duì)行業(yè)的發(fā)展、各項(xiàng)工作的開(kāi)展都有著重要的積極。服裝設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)、圖形圖像設(shè)計(jì)等已經(jīng)成為了行業(yè)工作所必須的工作。計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)人員的工作帶來(lái)了巨大的變化，其極大的緩解了傳統(tǒng)手工制圖設(shè)計(jì)存在的勞動(dòng)量大、不易修改等缺點(diǎn)，促進(jìn)了設(shè)計(jì)工作的改革以及工作效率的提高?？茖W(xué)的分析計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工作的重要意義有助于相關(guān)軟件企業(yè)針對(duì)行業(yè)應(yīng)用細(xì)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)工作提供更加便捷、穩(wěn)定的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。 1.2柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀 過(guò)去的配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，只單一研究凸輪，而沒(méi)有考慮其他零部件產(chǎn)生的影響。由于配氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，它由許許多多的零部件所組成，往往一個(gè)成功柴油機(jī)所采用的凸輪應(yīng)用于其他類型的柴油機(jī)上不一定效果會(huì)好，凸輪必須和整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)合在一起進(jìn)行考慮，良好的凸輪設(shè)計(jì)也必須與系統(tǒng)的其他零部件正確匹配，才能達(dá)到希望的效果圖[1~4]。 為了準(zhǔn)確研究配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，了解氣門(mén)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析方面，目前已采用了多種 分析模型。其中比較基礎(chǔ)的是單自由度質(zhì)量模型。它是將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成由一個(gè)質(zhì)點(diǎn)、彈簧及阻尼器組成的系統(tǒng)，它把機(jī)構(gòu)的質(zhì)量簡(jiǎn)化到一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，把機(jī)構(gòu)的彈性等加到一個(gè)等剛度無(wú)質(zhì)量的彈簧上，阻尼等效到阻尼器上，該模型具有簡(jiǎn)單、方便等特點(diǎn)，可以滿足一般的低、中速柴油機(jī)的要求，但由于把質(zhì)量和剛度都等效到一個(gè)點(diǎn)上，不能求出機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)和受力情況，不能判斷機(jī)構(gòu)零件之間是否發(fā)生飛脫，也無(wú)法得知彈簧的振動(dòng)情況。為了克服單自由度模型存在的不足，發(fā)展了多自由度質(zhì)量模型。多自由度質(zhì)量模型具有比單自由度質(zhì)量模型更為真實(shí)反映實(shí)際機(jī)構(gòu)狀況的優(yōu)點(diǎn)，利用多自由度質(zhì)量模型能精確地研究各傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況，也能分析氣門(mén)彈簧的振動(dòng)情況[5~10]。對(duì)于多自由度質(zhì)量模型，最主要的問(wèn)題是計(jì)算的復(fù)雜性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種商業(yè)配氣機(jī)構(gòu)軟件的推廣，多自由度質(zhì)量模型已逐漸成為配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模的主要方式。 20世紀(jì)初仿真技術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面的研究。1940～1950年航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。1960年計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。采用仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配并進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，由仿真運(yùn)行可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中部件干涉隱患；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正。通過(guò)幾個(gè)五年計(jì)劃的努力，我國(guó)仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展，并取得了突破性成果。在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，建成了不同類型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。在軍事領(lǐng)域建立了指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)室。我國(guó)的多媒體仿真技術(shù)正處于起步和發(fā)展時(shí)期，清華大學(xué)、北京大學(xué)、華中理工大學(xué)和一些部隊(duì)院校已開(kāi)始了有關(guān)這方面的研究。目前，國(guó)內(nèi)大學(xué)和企業(yè)己進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)。 1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容 氣門(mén)-凸輪式配氣是目前內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用最廣泛的配氣形式 ,本文采用的柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為下置凸輪軸式、滾輪隨動(dòng)件、叉型搖臂雙氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)，主要由凸輪軸、滾輪、推桿、挺柱、搖臂、氣門(mén)墊塊、氣門(mén)、氣門(mén)座等部件組成。 用Pro/E軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)各零部件進(jìn)行立體建模，根據(jù)各零部件之間的位置和約束關(guān)系建立起配氣機(jī)構(gòu)的裝配模型?？紤]到該模型進(jìn)行仿真分析時(shí)的可視化效果，各機(jī)構(gòu)模型均按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建立。各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)均由三維CAD軟件Pro/E精確計(jì)算得到[11~14]。 再將模型導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，MSC.ADAMS采用世界上廣泛流行的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。對(duì)于剛體i,采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角或廣義歐拉角作為廣義坐標(biāo)，接著建立約束方程和作用力方程 ,并將它們都寫(xiě)成廣義坐標(biāo)的表達(dá)式，最后用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程[15~18]。 1.4用計(jì)算機(jī)輔助配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將配氣機(jī)構(gòu)看作絕對(duì)剛體，不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形，用該方法設(shè)計(jì)凸輪型線，主要用以下三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)判別其好壞：（1）靜態(tài)充氣性能。通常用挺柱升程、豐滿系數(shù)和時(shí)面值來(lái)表示，希望此值越大越好。（2）靜態(tài)加速度峰值。即挺柱的最大正負(fù)加速度值。其絕對(duì)值越小，凸輪軸的高速動(dòng)態(tài)性能越好。（3）輪廓面最小曲率半徑或凸輪與挺柱表面的接觸應(yīng)力。設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，應(yīng)避免凸輪曲率半徑過(guò)小，否則會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力過(guò)大，使凸輪出現(xiàn)過(guò)早磨損。用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的凸輪，雖然加速度曲線不連續(xù)，配氣機(jī)構(gòu)慣性力可能會(huì)產(chǎn)生突變，時(shí)面值較大。但當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形會(huì)引起氣門(mén)的劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞氣門(mén)的正常工作，產(chǎn)生飛脫和反跳，這不僅加劇了柴油機(jī)的振動(dòng)、噪聲和零件間的磨損，還會(huì)使充氣效率下降，為了解決靜態(tài)設(shè)計(jì)的不足，人們提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的方法[19~25]。 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的彈性變形，氣門(mén)在工作中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能和平穩(wěn)性，因此必須對(duì)配氣機(jī)構(gòu)在工作中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)估。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，考慮彈性變形，把配氣機(jī)構(gòu)看成彈性系統(tǒng)，主要由下列指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)凸輪型線：（1）氣門(mén)的動(dòng)態(tài)加速度峰值：根據(jù)單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型或多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型計(jì)算出最大加速度峰值和第一個(gè)負(fù)加速度峰谷，以及落座后的氣門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（2）動(dòng)態(tài)充氣性能：考慮進(jìn)排氣管壓力波動(dòng)、多缸機(jī)各缸的進(jìn)氣不均現(xiàn)象及配氣相位對(duì)充氣性能的影響。隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)充氣性能的差別越來(lái)越大，這主要是由兩部分因素引起的，一是當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，吸氣沖程時(shí)間縮短，進(jìn)排氣管壓力波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大；另外一方面氣門(mén)發(fā)生脫離和反跳，破壞了正常的靜態(tài)充氣性能。（3）挺柱與凸輪表面的動(dòng)力潤(rùn)滑磨損情況以及氣門(mén)頭部的磨損情況[26~30]。 1.5 本文研究?jī)?nèi)容 本文主要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的個(gè)零件的形狀和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到個(gè)零件圖的詳細(xì)尺寸，再通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件即Pro-engineer進(jìn)行三維的實(shí)體建模，得到個(gè)零件的三維圖，將各個(gè)零件裝配到一起，得到配氣機(jī)構(gòu)的裝配圖。通過(guò)三維轉(zhuǎn)配模型導(dǎo)入ADAMS軟件，通過(guò)ADAMS軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。主要內(nèi)容如下： （1）通過(guò)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的分析與計(jì)算、配氣機(jī)構(gòu)桿構(gòu)受力的分析與計(jì)算，建立S195型柴油機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。 （2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求運(yùn)用Pro/e三維繪圖軟件在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立準(zhǔn)確的軸系各構(gòu)件的實(shí)體模型，主要包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門(mén)等。 （3）對(duì)S195型柴油機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)模型運(yùn)用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。 （4）根據(jù)仿真導(dǎo)出數(shù)據(jù)曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析。 第2章 配氣機(jī)構(gòu)零部件設(shè)計(jì) 2.1氣門(mén) 2.1.1氣門(mén)設(shè)計(jì)的基本要求 （1）材料方面 氣門(mén)的工作溫度是確定氣門(mén)材料的主要因素。在氣門(mén)工作溫度范圍內(nèi)材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。韌性和表面硬度。由于排氣呢錐面磨損常為腐蝕磨損，因此在選擇材料時(shí)候必須考慮化學(xué)腐蝕（主要是硫和磷）的性能。進(jìn)氣門(mén)錐面多屬磨損摩擦，因此進(jìn)氣門(mén)側(cè)重耐磨。 （2）結(jié)構(gòu)方面 要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，且頸部形狀也要恰當(dāng)，以便減少氣體的流動(dòng)阻力，增加其進(jìn)氣沖量。在保證足夠的強(qiáng)度、剛度和耐磨性的前提下的重量選擇。 2.1.2氣門(mén)的工作條件分析及材料的選擇 氣門(mén)室發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一。工作時(shí)需要承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，尤其是排氣門(mén)，由于經(jīng)常高溫燃?xì)獾臎_刷，因而易于產(chǎn)生漏氣。腐蝕與燒損等現(xiàn)象，工作條件也更為嚴(yán)酷。氣門(mén)工作時(shí)承受落座沖擊負(fù)荷及燃?xì)鈮毫o以的靜負(fù)荷，這種靜負(fù)荷一般在4左右，而沖擊負(fù)荷一般為11.6左右；氣門(mén)的工作溫度：進(jìn)氣門(mén)約為200o~450o，而排氣門(mén)則可達(dá)650o~850o，甚至更高，下面是195 柴油機(jī)的排氣門(mén)的溫度場(chǎng)。 氣門(mén)材料的選擇必須考利到它的工作溫度、腐蝕、沖擊載荷以及氣門(mén)桿部與端面的耐磨等因素。而且進(jìn)、排氣門(mén)的對(duì)材料的要求也是不同。就S195發(fā)動(dòng)機(jī)的選材：進(jìn)氣門(mén)的材料用40Cr；排氣門(mén)的材料用40Cr9Si2。氣門(mén)選擇材料的方法： （1）馬氏體鋼 一般氣門(mén)中采用鐵素體合金鋼，含碳量在0.35~0.80%之間，經(jīng)淬火后可得到馬氏體組織以上耐磨的要求，這種材料的機(jī)械性能加工性好，滑動(dòng)性好，在工作溫度超過(guò)650℃的排氣門(mén)上廣泛應(yīng)用，如4crsi2、4Cr、10Si2Mn等。但在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷高，因而對(duì)氣門(mén)錐面的耐磨、耐腐蝕性能提出更高的要求，這時(shí)，可采用堆焊氣門(mén)，這是一種頭部采用奧氏體鋼，桿部采用馬氏體鋼的氣門(mén)?？捎媚Σ梁富蜷W光焊來(lái)堆焊。堆焊氣門(mén)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是正確地焊接部位。應(yīng)從以下兩個(gè)方面來(lái)考慮：首先界面處應(yīng)在氣門(mén)頭部應(yīng)力區(qū)之外并離頸部頂圓弧中點(diǎn)附近的熱點(diǎn)較遠(yuǎn)；其次耐熱性較差的桿部材料不要受到高溫燃?xì)獾那治g；焊接的部位以選在氣門(mén)全開(kāi)時(shí)界面與導(dǎo)管下端相齊或略高為宜。 （2）奧氏體鋼 這類鋼在常溫和工作溫度下基本上全是奧氏體組織，不能淬硬。它的高溫強(qiáng)度好，耐腐蝕性好、奧氏體鋼用做高功率柴油機(jī)的排氣門(mén)，其最高工作溫度允許達(dá)870℃。國(guó)產(chǎn)奧氏體鋼4Cr14NiW2Mo廣泛用作機(jī)車和大型載重汽車的柴油機(jī)排氣門(mén)。 2.1.3氣門(mén)頭的設(shè)計(jì) （1）氣門(mén)頭部的形狀 氣門(mén)頭部的形狀除了影響氣體的流通特性之外，還會(huì)影響到氣門(mén)的剛度、重量、導(dǎo)熱性能以及制造成本等，同時(shí)也關(guān)系到氣門(mén)的使用期限。因此根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的不同情況進(jìn)行具體的分析，然后確定合理的方法。根據(jù)195柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)采用平底型氣門(mén)。因?yàn)檫@種氣門(mén)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、受熱面小，具有一定的剛度， 圖2.1平底型氣門(mén) 基本上式滿足進(jìn)排去的要求。這種型號(hào)在各類柴油機(jī)得到了廣泛的運(yùn)用。圖2.1是平底型氣門(mén)的示意圖。 （2）氣門(mén)頭部的直徑 增大進(jìn)、排氣流通截面是減少進(jìn)、排氣阻力，提高進(jìn)氣量的途徑，同時(shí)氣門(mén)頭部直徑的選擇還要考慮到燃燒室的形狀，氣缸蓋進(jìn)、排氣門(mén)的布置，氣道之間冷卻水套的設(shè)計(jì)以及氣門(mén)受熱和冷卻的均勻性等因素。綜上的條件195柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣門(mén)的直徑都取36mm。 （2）氣門(mén)錐面斜角 在氣門(mén)開(kāi)啟初期及接近關(guān)閉時(shí)，氣門(mén)錐面斜角的大小對(duì)于氣體的流通斷面有較大的影響。這時(shí)的流通斷面大致與斜角的余弦成正比。此外，氣門(mén)與氣門(mén)座之間的單位壓力隨斜角的增加而增大，而氣門(mén)與氣門(mén)座之間的相對(duì)滑移則隨斜角的減小人減小，因此氣門(mén)的確定必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合情況而定，對(duì)于195柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)斜角都是45°。 （4）氣門(mén)頭部厚度及錐面寬度 　 氣門(mén)頭部厚度Ｔ的設(shè)計(jì)，主要是從氣門(mén)的剛度來(lái)考慮，氣門(mén)在燃燒壓力的作用下會(huì)引起變形，變形過(guò)大會(huì)使氣門(mén)的密封性下降，錐面磨損加劇。由于頭部厚度Ｔ對(duì)氣門(mén)的剛度影響比頸部圓?。乙蟮枚啵虼水?dāng)需要增加氣門(mén)剛度時(shí)首先考慮增加頭部的厚度。如果還受到氣門(mén)質(zhì)量的限制，則常用適當(dāng)減小頸部圓弧半徑來(lái)得到彌補(bǔ)。厚度Ｔ與氣門(mén)頭部的外徑有一定的比例，一般 （2.1） 式中，為氣門(mén)頭部錐面厚度，為氣門(mén)頭部外圓直徑。 S195柴油機(jī)氣門(mén)的頭部厚度： 取4.0mm。 氣門(mén)錐面的寬度與厚度有關(guān)，一般當(dāng)時(shí)： （2.2） 式中，為氣門(mén)錐面的寬度。 對(duì)于S195柴油機(jī)的氣門(mén)錐面寬度 mm。 取為4.0mm注意提醒的是，并不是所有的b都參與了密封，真正起到密封的是一條位于寬度b中間附近的密封帶，密封帶的寬度b小得多，氣門(mén)的大部分熱量是通過(guò)這條密封帶傳出去的，密封帶較寬則傳熱的效果就較好，氣門(mén)的工作溫度就較低，但氣門(mén)的密封性就較差。反之，密封帶太窄，雖然密封性較好，但散熱不良，且接觸壓力較大，會(huì)加速氣門(mén)的磨損，因此需綜合這兩個(gè)方面的因素來(lái)選取氣門(mén)密封帶的寬度，其寬度一般取1.5~3.0, S195柴油機(jī)的密封帶寬度，經(jīng)過(guò)查表是2.3mm。 2.1.4氣門(mén)桿的設(shè)計(jì) （1）氣門(mén)桿的結(jié)構(gòu) 氣門(mén)桿通常是做成實(shí)心的，但是為了減輕質(zhì)量，對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)，它的溫度很高，將氣門(mén)桿做成空心，并在排氣門(mén)的桿內(nèi)充油金屬鈉進(jìn)行冷卻以降低熱負(fù)荷，對(duì)也S195柴油機(jī)為了考慮到它的成本問(wèn)題，就直接將它設(shè)計(jì)成實(shí)心氣門(mén)桿。 （2）氣門(mén)桿頸 氣門(mén)桿的頸部選擇決定也排氣所需的耐久性，增加桿的頸部有利于氣門(mén)的熱量逸散。桿的頸部選擇還決定于它在導(dǎo)管中運(yùn)動(dòng)時(shí)側(cè)向力的大小。氣門(mén)通過(guò)凸輪挺柱和搖臂來(lái)驅(qū)動(dòng)時(shí)，桿部受到的側(cè)向力就比較小。氣門(mén)桿的頸部增大也會(huì)引起質(zhì)量的增加，工作時(shí)的慣性力增加，落座時(shí)沖擊負(fù)荷增加的一系列問(wèn)題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，氣門(mén)桿的頸部可取頭部外徑的（16~25）%?？紤]到加工和維修的方便，一般進(jìn)排氣門(mén)桿的頸部取相等。195柴油機(jī)的氣門(mén)桿的直徑： mm。 （2.3） 根據(jù)195型柴油機(jī)選取氣門(mén)桿直徑 mm。 （3）氣門(mén)桿長(zhǎng)度 氣門(mén)桿長(zhǎng)度決定于氣缸蓋和氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)，一般總希望短些，以便降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度，減小氣門(mén)的質(zhì)量，通常 （2.4） S195柴油機(jī)的 mm。 （4）氣門(mén)桿表面的熱處理工藝 要經(jīng)過(guò)淬火處理，要求的硬度不小于HRC50。才能滿足其工作條件。 （5）氣門(mén)桿與彈簧的鎖緊 為了防止氣門(mén)彈簧和氣門(mén)鎖夾斷裂時(shí)氣門(mén)落入氣缸而引起嚴(yán)重的事故，可以在氣門(mén)鎖夾槽的下部增加一段凹槽，然后嵌入彈簧圈，凹槽的位置應(yīng)能保證氣門(mén)的下落量只比氣門(mén)最大升程大1~2mm就可以。如圖2.2柴油機(jī)的鎖緊的組合圖。 1- 氣門(mén) 2— 氣門(mén)鎖夾 3—彈簧座 4—?dú)忾T(mén)彈簧 圖2.2氣門(mén)彈簧鎖緊圖 2.1.5氣門(mén)的主要損壞形式和預(yù)防措施 （1）排氣門(mén)的燒損原因 a. 材料的高溫耐蝕性不夠。 b. 燃燒殘?jiān)练e在錐面，不能自行排出，使氣門(mén)與氣門(mén)座之間的導(dǎo)熱性變壞，造成錐面局部溫度升高，促使氣門(mén)材料燒損。 c. 氣門(mén)座由于熱應(yīng)力或裝配不當(dāng)產(chǎn)生扭曲，在高溫和氣體壓力作用下氣門(mén)頭部變形，因而造成氣門(mén)漏氣。 2.預(yù)防的措施： a. 選擇在高溫下耐腐蝕性好的材料。應(yīng)考慮柴油中含硫、重油中含釩的影響。 b. 在氣門(mén)錐面堆焊基合金。 c. 適當(dāng)?shù)脑黾託忾T(mén)頭部厚度，借以減少氣門(mén)在工作時(shí)的變形和在頭部邊緣的熱積 蓄。 d. 改善冷卻水道的布置，適當(dāng)?shù)脑黾託忾T(mén)座圈的接觸高度，以利充分散熱，降低氣門(mén)的工作溫度。 e. 采用氣門(mén)選裝機(jī)構(gòu)。 2.2氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì) 2.2.1氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)要求 要使氣門(mén)在氣門(mén)座上嚴(yán)密的配合和在挺柱沿著基圓運(yùn)動(dòng)的整個(gè)周期內(nèi)保持氣門(mén)關(guān)閉狀態(tài)密封；在挺柱帶有負(fù)加速度時(shí)，在氣門(mén)、挺柱和凸輪要保證不變的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系。要保證氣門(mén)嚴(yán)密配合： （2.5） 式中，是在氣門(mén)關(guān)閉時(shí)最小的彈簧力，為喉口的面積，及是排氣管的壓力和在進(jìn)氣時(shí)氣缸內(nèi)的壓力，柴油機(jī)的壓差為0.02~0.03MPa。 在氣門(mén)機(jī)構(gòu)零件之間運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)系保證在： （2.6） 式中，K為儲(chǔ)備系數(shù)（對(duì)柴油機(jī)機(jī)械離心式調(diào)速器時(shí)，取K=1.28~1.5,對(duì)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)取K=1.33~1.66；是在挺柱有負(fù)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，換算到氣門(mén)一邊的機(jī)構(gòu)慣性力。 2.2.2彈簧介紹 （1）氣門(mén)彈簧的作用 氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，確保氣門(mén)和氣門(mén)座的閉合密封,氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)，使氣門(mén)準(zhǔn)確的隨凸輪運(yùn)動(dòng)。 （2）氣門(mén)彈簧的工作條件 氣門(mén)彈簧承受高頻交變載荷，工況惡劣，故需精心設(shè)計(jì)，才能使其長(zhǎng)期可靠地工作。氣門(mén)彈簧一旦斷裂會(huì)造成嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)事故。氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)常常受到尺寸上的限制，因此氣門(mén)彈簧應(yīng)有合理的結(jié)構(gòu)與尺寸，彈簧材料應(yīng)有較高的疲勞強(qiáng)度，制造上應(yīng)保證一定的精度并盡力避免各種缺陷。 （3）氣門(mén)彈簧的結(jié)構(gòu) 氣門(mén)彈簧通常采用圓柱螺旋壓縮彈簧。目前在大多數(shù)柴油機(jī)上都是一個(gè)氣門(mén)裝兩個(gè)氣門(mén)彈簧，它既可充分利用空間，減小彈簧高度尺寸，又易保證彈簧所需要的彈簧力，并且在一個(gè)彈簧萬(wàn)一斷裂時(shí)，也有可能在一定時(shí)間內(nèi)防止氣門(mén)落入氣缸。采用雙彈簧時(shí)，內(nèi)、外彈簧的螺旋方向應(yīng)相反。此外，由于兩個(gè)彈簧的自振率不相同，可以相反阻尼作用，從而減少共振危險(xiǎn)。氣門(mén)彈簧鋼絲直徑大多在（2.5~5.55）mm范圍內(nèi)，彈簧旋繞比 一般為6~9（為彈簧的中徑）。 （4）氣門(mén)彈簧的選材 氣門(mén)彈簧在應(yīng)的工作溫度下承受交變載荷，為使彈簧能長(zhǎng)期的可靠工作，要求彈簧材料不僅具有良好的機(jī)械性能，而且應(yīng)有足夠的抗應(yīng)力溫度松弛的能力，在工作中不致產(chǎn)生過(guò)大的彈力消失現(xiàn)象。一般認(rèn)為彈簧力小于名義值的85%以下時(shí)，彈簧就已經(jīng)失效，不能繼續(xù)使用，這是決定彈簧使用期限的一個(gè)重要因素，在彈簧設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)彈簧的工作溫度和應(yīng)力大小合理的選擇彈簧材料。 氣門(mén)彈簧材料一般為碳素彈簧鋼絲（I、II、III組）、65mn和50CrVA彈簧鋼絲等。 碳素彈簧鋼絲有冷拉和油催化—回火兩種狀態(tài)。對(duì)于195B柴油機(jī)的氣門(mén)彈簧用的就是冷拉鋼絲。因?yàn)槔淅摻z有較高的抗拉強(qiáng)度（鋼絲的直徑越小，強(qiáng)度就越高），成本低廉，但是抗應(yīng)力—溫度松弛能力較差，使用與中等負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)使用，對(duì)于油淬火—鋼絲的強(qiáng)度與鋼絲直徑關(guān)系不大，與冷拉鋼絲相比較，直徑在3mm左右的鋼絲，它們的彈性極限大致相同，小于此直徑的，冷拉鋼絲強(qiáng)度高，反之，油催化—回火鋼絲強(qiáng)度高。油淬火—回火鋼絲的優(yōu)點(diǎn)在于熱穩(wěn)定性較好，可適應(yīng)用較高工作溫度。對(duì)于各種彈簧材料適用的最高工作溫度見(jiàn)表2.2.1。 表 2.1 各彈簧材料最高工作溫度表 材料 最高工作溫度（℃） 碳素彈簧鋼絲和65Mn彈簧鋼絲 120 油淬火—回火碳素彈簧鋼絲 150 50CrVA彈簧鋼絲 210 （5）氣門(mén)彈簧特性曲線與氣門(mén)慣性力曲線的配合 在設(shè)計(jì)時(shí)首先作出氣門(mén)升程曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速時(shí)的加速度曲線，將加速度的坐標(biāo)乘以配氣機(jī)構(gòu)在氣門(mén)端的總當(dāng)量質(zhì)量即得到氣門(mén)慣性力曲線（實(shí)際慣性力應(yīng)與加速度方向相反）、由氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律測(cè)試表明，實(shí)際的氣門(mén)慣性力變化如下圖虛線所示的情況，在從正慣性力過(guò)渡到負(fù)慣性力的波動(dòng)最大，最易發(fā)生系統(tǒng)的脫落，彈簧力應(yīng)超過(guò)氣門(mén)系數(shù)振動(dòng)時(shí)的慣性力，并且有一定的余量。在初步選定了和后，在氣門(mén)升程曲線右方作出彈簧曲線方程，并在方程曲線上的C1、C2、C3 、C0等點(diǎn)處引水平線和垂直線，將水平線上截得的彈簧長(zhǎng)度量到對(duì)應(yīng)的垂直線上，在慣性力圖上（圖2.3） 得到彈簧力曲線，彈簧力至少要比慣性力大30%，在慣性力從正變負(fù)區(qū)域彈簧力的儲(chǔ)備量還應(yīng)更大一些，此時(shí)可對(duì)、作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以來(lái)滿足要求。 圖2.3彈簧慣性力 2.2.3氣門(mén)彈簧的有關(guān)計(jì)算 已知：凸輪軸的轉(zhuǎn)速，和凸輪軸的角速，進(jìn)氣門(mén)的最大升程，進(jìn)氣門(mén)喉口直徑，圓弧凸輪線的尺寸： ，搖臂的尺寸：， 挺柱的升程、速度和加速度曲線圖。彈簧的材料采用彈簧鋼，=35，。 彈簧的最大彈力 （2.7） 式中 ，為單面氣門(mén)機(jī)構(gòu)總重量，為挺柱升程,為搖臂比,為凸輪軸角速度。 彈簧最小的彈力： =149N （2.8） 彈簧預(yù)壓縮變形量： =17.25mm （2.9） 式中，為凸輪基圓半徑，為凸輪頂部半徑。 內(nèi)、外彈簧之間的負(fù)荷分配： 內(nèi)彈簧： （2.10） 式中，為內(nèi)彈簧最大壓力，為內(nèi)彈簧最小壓力。 外彈簧： （2.11） 式中，為外彈簧最大壓力，為外彈簧最小壓力。 彈簧的尺寸： a、彈簧鋼絲直徑 ：外彈簧鋼絲直徑，內(nèi)彈簧鋼絲直徑。 b、彈簧的平均直徑：外彈簧平均直徑，內(nèi)彈簧平均直徑。 c、彈簧的工作圈數(shù)： （2.12） 式中，G=8.3是鋼絲剪切彈性模量，為彈簧直徑，為最大變形量。 d、彈簧總?cè)?shù): （2.13） e、氣門(mén)全開(kāi)時(shí)彈簧的長(zhǎng)度: （2.14） f、 自由彈簧的長(zhǎng)度： mm mm （2.15） 2.3搖臂的設(shè)計(jì) 2.3.1搖臂的工作原理 搖臂是推桿和氣門(mén)之間的傳動(dòng)件，它是推桿傳來(lái)的力改變方向后作用于氣門(mén)尾部以推開(kāi)氣門(mén)。 搖臂的幾何尺寸決定于氣門(mén)和凸輪軸的相對(duì)位置。為了獲得較輕的質(zhì)量剛性好的結(jié)構(gòu)，往往才有T字型的或者I字型的斷面。195柴油機(jī)采用的就是T字型搖臂斷面。 搖臂比： 搖臂有長(zhǎng)、短臂之分，長(zhǎng)短之比成為搖臂比，其值在1.6左右。長(zhǎng)臂推動(dòng)氣門(mén)的桿端，短臂端的螺孔中裝有氣門(mén)間隙調(diào)節(jié)螺釘和鎖緊螺母，氣門(mén)間隙調(diào)節(jié)螺釘?shù)那蝾^與推桿上端的凹球端頭接觸，根據(jù)195柴油機(jī)的外形結(jié)構(gòu)確定其搖臂比為46/32=1.44。 搖臂潤(rùn)滑：搖臂依靠搖臂軸支撐在搖臂支座上，搖臂鉆有油孔，搖臂軸為中空型，機(jī)油由支座油道經(jīng)搖臂軸內(nèi)腔潤(rùn)滑到搖臂的襯套，然后從搖臂上油道上流出，滴落在搖臂兩端進(jìn)行潤(rùn)滑。 搖臂的定位：搖臂軸上兩搖臂間裝有搖臂彈簧，防止搖臂軸向竄動(dòng)，從而保證各搖臂相對(duì)氣門(mén)桿的確定位置。在195柴油機(jī)上，采用的是用搖臂支座將兩個(gè)搖臂分開(kāi)，并且在兩邊緣處用卡簧將其鎖緊。 搖臂的材料：所采用的材料是QT60—2搖臂在與氣門(mén)的尾部接觸時(shí)既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)，所以對(duì)材料的要求是要耐磨，為了防止磨損影響正常的配氣相位，故該表面要求淬火熱處理的工藝。 2.3.2搖臂與氣門(mén)桿頂面間接觸應(yīng)力的計(jì)算 （2.16） 式中，為氣門(mén)桿頂面上的最大作用力，為搖臂敲擊部分的球面半徑； 搖臂與氣門(mén)頂面間的許用接觸應(yīng)力：。 搖臂斷面總應(yīng)力為： =400 （2.17） 式中，為氣門(mén)上的最大作用力，為氣門(mén)側(cè)搖臂計(jì)算斷面的斷面模數(shù)，—?dú)忾T(mén)側(cè)搖臂斷面的面積。 上述應(yīng)力的許用值如下：鑄鐵，鍛造碳鋼，鍛造合金鋼：，鑄鋼：，輕合金：。對(duì)于195柴油機(jī)選擇。 2.4推桿的設(shè)計(jì) 2.4.1推桿的功能結(jié)構(gòu)形式 推桿是把凸輪的運(yùn)動(dòng)從凸輪軸傳至頂置氣門(mén)處，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣。 推桿是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)桿材料為45號(hào)鋼，在工作時(shí)容易發(fā)生縱向彎曲，它是配氣機(jī)構(gòu)中剛度薄弱的環(huán)節(jié)。在S195型柴油機(jī)上是采用冷拔無(wú)縫鋼管（或鋁制空心管）制造。采用冷拔無(wú)縫鋼管可減輕它的質(zhì)量，減小往復(fù)慣性力。此外，縮短推桿的長(zhǎng)度是減輕質(zhì)量，提高縱向彎曲應(yīng)力和整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)剛度的有效辦法。 2.4.2尺寸設(shè)計(jì) 根據(jù)195柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)，擬取它的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為291mm ，外徑9mm，球頭半徑4.5mm。 （1）推桿校核 推桿的縱向彎曲按下列計(jì)算： （2.18） 式中，為作用于推桿上的臨界力，為推桿材料的彈性模量，推桿中央橫斷面的慣性力； （2.19） 式中，為推桿的外徑，為空心推桿的孔徑。 （2.20） 式中， 為作用在推桿上的最大作用力。 對(duì)于各種用途的發(fā)動(dòng)機(jī)，在如下的范圍：高功率輕型發(fā)動(dòng)機(jī)，，汽車拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，高速船用發(fā)動(dòng)機(jī)，，固定式和船用發(fā)動(dòng)機(jī)。 （2）接觸應(yīng)力的計(jì)算 接觸應(yīng)力按下面的公式計(jì)算： = 180 （2.21） 式中 ，為作用于推桿上的最大作用力，為挺柱與推桿兩種材料的平均彈量，為推桿的球頭半徑，為挺柱球面支座的半徑。 對(duì)于各種用途發(fā)動(dòng)機(jī)的許用接觸應(yīng)力如下：汽車拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的接觸許用應(yīng)力為=150~200，固定式和船用發(fā)動(dòng)機(jī)為=100~120，因?yàn)楣试O(shè)計(jì)尺寸滿足要求，即，推桿的長(zhǎng)度為291mm ，外徑9mm，球頭半徑4.5mm。 2.5挺柱的設(shè)計(jì) 2.5.1挺柱的結(jié)構(gòu) 挺柱的功能是按凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律推動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)承受凸輪的側(cè)向壓力。特別是挺柱的底面，由于和凸輪表面接觸的面積很小，接觸應(yīng)力很大，表面磨損很大，甚至可能刮傷，因此挺柱側(cè)面以及底面要求耐磨。形狀是筒型，這種結(jié)構(gòu)可以減輕它的質(zhì)量，從而達(dá)到減小它的往復(fù)慣性力。它的這種結(jié)構(gòu)同時(shí)也保證凸輪軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，挺柱底面所受的偏心切向力使挺柱產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證工作表面的磨損時(shí)很均勻的挺柱的軸線相對(duì)于凸輪的軸線的偏移量為13，而195柴油機(jī)的偏移量為2mm。 對(duì)于195柴油機(jī)采用的是平面挺柱，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕。對(duì)于高速發(fā)動(dòng)機(jī)也是比較適合的。 挺柱的材料一般用的是低碳鋼底部堆焊合金，或者鑄鐵底部采用冷激，或球墨鑄鐵制造，其摩擦表面應(yīng)經(jīng)過(guò)熱處理提高硬度后精磨。挺柱的材料和底面的硬度是和凸輪軸材質(zhì)及凸輪表面的硬度相匹配的。對(duì)與195柴油機(jī)的是20鋼制造，底部堆焊合金，熱處理的硬度≧HBC55。凸輪軸的材料為45鋼，凸輪表面淬火處后，硬度為BRC5465。 2.5.2平面挺柱導(dǎo)向面與導(dǎo)向孔之間的擠壓應(yīng)力的計(jì)算 最大擠壓應(yīng)力按下式計(jì)算： （2.22） 式中，為挺柱導(dǎo)向面直徑，是在凸輪的計(jì)算位置是，挺柱插入導(dǎo)向孔中的長(zhǎng)度是作用在凸輪上的最大力矩。 2.5.3平面挺柱的最大速度 平面挺柱的最大速度受限于挺柱端面的直徑，依據(jù)平面挺柱的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，挺柱與凸輪的接觸點(diǎn)偏移量e與挺柱的速度成正比： 因此，挺柱端面直徑， 由發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布 置決定，則確定挺柱的最大速度必須保證凸輪與平面挺柱不產(chǎn)生干涉，為此滿足 （2.23） 2.5.4凸輪與挺柱間接觸應(yīng)力的計(jì)算 （1）平面挺柱接觸應(yīng)力的計(jì)算： （2.24） 式中，作用在凸輪上的力，凸輪廓線瞬時(shí)曲率半徑，為凸輪與挺柱底面間的接觸線寬度，、分別為凸輪材料與挺柱所用材料的泊松比， 、 分別為凸輪材料與挺柱所用材料的彈性模量。 以上或當(dāng)使用的材料為鑄鐵可取做0.27，材料為鋼材是取0.30。彈性模量經(jīng)過(guò)查表可知:碳鋼：（），如使并將此值代入公式中則可以簡(jiǎn)化： （2）挺柱的導(dǎo)向面直徑 與長(zhǎng)度按照下面的公式確定 （2.25） =（14.25~19） 取 16mm 式中，氣缸直徑，=（48~59）mm。 根據(jù)S195的結(jié)構(gòu)取=58mm,挺柱的導(dǎo)向面直徑與挺柱孔間的徑向間隙一般在0.02~0.08mm的范圍內(nèi)。 （3）挺柱頭部球面支座的設(shè)計(jì) 挺柱頭部加工有凹形的球面支座，它是支撐推桿球頭的。在這種球頭與球面支座的配合副中，為了再兩者之間形成楔形油膜，球面支座半徑應(yīng)比推桿的球頭半徑略大，但與也不應(yīng)相差過(guò)大，否則將使接觸應(yīng)力劇增，一般。 2.6 凸輪的設(shè)計(jì) 雖然瞬時(shí)的打開(kāi)和關(guān)閉氣門(mén)能夠獲得最大的時(shí)間截面，但是這樣做會(huì)使零件產(chǎn)生很大的慣性力。因此在設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)時(shí)選用這樣的凸輪型線，使它保證可以有足夠的氣缸沖量的同時(shí)，同時(shí)也保證運(yùn)動(dòng)零件的慣性力數(shù)值在允許的范圍內(nèi)。 （1）凸輪的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足以下的要求 a. 具有合適的配氣相位。它能照顧到發(fā)動(dòng)機(jī)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速 b. 燃油消耗量、怠速工況和啟動(dòng)等各方面的性能要求。 c. 為使發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的充氣性能，因而時(shí)間面積值應(yīng)盡可能大些。 d. 加速度不宜過(guò)大，并應(yīng)連續(xù)變化。 e. 具有恰當(dāng)?shù)臍忾T(mén)落座速度，以免氣門(mén)和氣門(mén)座的過(guò)度磨損和損壞。 f. 應(yīng)使配氣機(jī)構(gòu)在所有工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都在平穩(wěn)工作，不產(chǎn)生脫離現(xiàn)象和過(guò)大的振動(dòng)。 g. 工作時(shí)噪聲較小。 h. 應(yīng)使氣門(mén)彈簧產(chǎn)生共振的傾向達(dá)到最小程度。 i. 應(yīng)使配氣機(jī)構(gòu)各傳動(dòng)零件受力和磨損較小，工作可靠，使用期長(zhǎng)。 上述這些要求往往相互矛盾，必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的具體情況要求，抓住主要矛盾，協(xié)調(diào)各種因素，妥善解決。 凸輪線性通常根據(jù)所選的線型形成規(guī)律做出，這樣保證制造比較簡(jiǎn)單的凸輪線形。 （2）凸輪的基圓設(shè)計(jì) 圓弧凸輪凸輪的外形輪廓由若干段圓弧構(gòu)成。為了使圓弧凸輪可靠的工作，必須使其外形圓滑，各段圓弧在交接點(diǎn)處有公切線，這就要求圓弧凸輪各幾何參數(shù)只見(jiàn)滿足一定的關(guān)系式。這種凸輪設(shè)計(jì)比較方便，被廣泛應(yīng)用于一般柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)。 凸輪型線從基圓開(kāi)始繪制，從保證配氣機(jī)構(gòu)有足夠剛性的條件出發(fā)選擇它的基圓半徑，其值是根據(jù)凸輪軸直徑來(lái)決定的，已知凸輪軸的直徑，一般取，取。 S195柴油機(jī)的配氣相位角，根據(jù)手冊(cè)可以得到： 表2.2 配氣相位角 進(jìn)氣前角 進(jìn)氣滯后角 排氣提前角 排氣滯后角 19° 49° 47° 21° 配氣相位與凸輪的作用角 （2.26） 式中，為進(jìn)排氣的提前開(kāi)啟角，進(jìn)排氣的滯后關(guān)閉角。 凸輪頂部的圓弧半徑 （2.27）取。 凸輪腹弧半徑 （2.28） 取。 2.7 凸輪軸的設(shè)計(jì) 2.7.1 凸輪軸基本要求 凸輪軸設(shè)計(jì)的要求,（1）正確的設(shè)計(jì)進(jìn)排氣凸輪的位置，實(shí)現(xiàn)配氣正時(shí)，使柴油機(jī)正確的按照一定規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）從柴油機(jī)的總體布局來(lái)設(shè)計(jì)凸輪的允許彎曲變形，合理的計(jì)算出支撐它的軸頸數(shù)目，軸頸的直徑、和凸輪軸的最小直徑尺寸。（3）選擇合理的材料和熱處理工藝，使它不僅有足夠的剛度與韌性，而且要使凸輪和支撐軸的表面有合理的硬度，具有較好的耐磨性。 凸輪軸的結(jié)構(gòu),S195柴油機(jī)是小功率柴油機(jī)，可以采用整體式凸輪軸，它的結(jié)構(gòu)較緊湊，這種結(jié)構(gòu)都是將凸輪軸從機(jī)體一端插入的，所以將它的兩個(gè)支撐軸頸加工的尺寸大小是不同，前端的支撐軸頸尺寸大，后端的小些，而且前端軸頸的尺寸必須大于凸輪軸的高度，這樣便于安裝。軸頸上安裝滑動(dòng)軸承。 凸輪軸支承軸頸的數(shù)目,由于該柴油機(jī)是單缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，不需要將支承軸頸設(shè)計(jì)的過(guò)多，只是將凸輪軸的前后端各設(shè)計(jì)一個(gè)就已經(jīng)足夠了，所以將該軸頸數(shù)目為2個(gè)。因?yàn)橥馆嗇S要承受一定的機(jī)械強(qiáng)度，必須要有足夠的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還應(yīng)具有一定的耐磨性，才能讓發(fā)動(dòng)機(jī)在正常的工況下工作，選擇碳鋼，一般選擇45鋼就可以滿足要求了。S195柴油機(jī)經(jīng)過(guò)查表得知，采用鐵基粉末冶金，它是將它直接安裝在凸輪軸軸承座孔內(nèi)，它的型號(hào)：195—01018 如表2.3。 表2.3軸承座尺寸 內(nèi)徑 外徑 寬度 前端 40 47 27 后端 28 35 26 2.7.2凸輪軸計(jì)算 （1）凸輪軸的定位方式： 定位的原因:由于汽車的上下坡或者在加速的時(shí)候，都可能使凸輪軸發(fā)生軸向竄動(dòng)。為防止由此引起的對(duì)配氣定時(shí)的不良影響，需要采用軸向定位措施。對(duì)s195型柴油機(jī)的采用的是軸向定位方式。 （2）凸輪軸的最小直徑確定： 凸輪軸的最小尺寸可以按照下面的公式：上式中的是凸輪的基圓半徑，由表可知：=14，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，支承軸頸間距離較大、凸輪上受力較大時(shí)取上限值。 凸輪軸支承軸頸與軸承孔德徑向間隙一般在0.02~0.03mm，范圍內(nèi)，軸向間隙為0.01~0.25mm。 （3）凸輪軸的熱處理工藝： a. 滲碳； b. 滲碳； c. 機(jī)械加工； d. 高頻淬火（回火）； f. 機(jī)械加工； （4）凸輪軸的損壞形式： a. 支承軸頸的磨損。 b. 凸輪表面的磨損、刮傷和點(diǎn)蝕。 （5）凸輪軸的計(jì)算： 根據(jù)氣門(mén)彈簧和配氣的計(jì)算的：配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量，，，和，搖臂的尺寸：mm, =32mm 凸輪軸的角速度ω=115rad/s彈簧的最小彈力是=239N，進(jìn)氣門(mén)的喉口直徑=36mm。 從排氣門(mén)作用到凸輪上的最大的力為： （2.29） 式中， 為排氣門(mén)的直徑，為進(jìn)氣門(mén)的直徑。 凸輪軸的彎曲量： （2.30） 式中，為鋼的彈性模量。 凸輪軸跨距長(zhǎng)度：； 根據(jù)結(jié)構(gòu)總體布置來(lái)取軸的外徑，軸的外徑，選取時(shí)要考慮利用軸的外徑向凸輪供給潤(rùn)滑油和保持軸要具有足夠的剛度。 擠壓應(yīng)力： =25 （2.31） 式中 ，=25mm為凸輪的寬度。 2.8 本章小結(jié) 通過(guò)理論的計(jì)算，結(jié)合實(shí)際。從而計(jì)算出各零部件的詳細(xì)尺寸，本章分別設(shè)計(jì)了氣門(mén)的尺寸、搖臂的詳細(xì)尺寸、推桿、挺柱以及凸輪軸的尺寸。從而的到個(gè)零件的cad圖紙，為設(shè)計(jì)中的三維建模打下基礎(chǔ)。 第3章 Pro-engineer和ADAMS軟件理論基礎(chǔ) 3.1虛擬樣機(jī)技術(shù)介紹 在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)和靜態(tài)設(shè)計(jì)已不能滿足工程需要，必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。因此現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須突破二維圖樣電子化的框架轉(zhuǎn)向以三維實(shí)體建模、動(dòng)力學(xué)模擬仿真和有限元分析為主的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)。 在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)發(fā)展的200多年的進(jìn)程中，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)活動(dòng)發(fā)生了巨大的變化。在手工業(yè)時(shí)代，設(shè)計(jì)是面向車間的。隨著大批量生產(chǎn)的出現(xiàn)，也就出現(xiàn)面向標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)。而隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)及其發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)輔助二維設(shè)計(jì)已相當(dāng)普遍，基本實(shí)現(xiàn)了二維設(shè)計(jì)的電子化。真正的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不僅是簡(jiǎn)單的二維設(shè)計(jì)的電子化，還應(yīng)當(dāng)包括零部件的結(jié)構(gòu)工藝性、可裝配性和可制造性分析，以及用FEA（有限元）技術(shù)分析零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)等。 人們發(fā)現(xiàn)，即使機(jī)械系統(tǒng)的每個(gè)零件都是優(yōu)化的，也不能保證整個(gè)系統(tǒng)的性能良好，從而出現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)就是虛擬樣機(jī)技術(shù)。所謂虛擬樣機(jī)技術(shù)就是將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)柔合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，對(duì)產(chǎn)品在投入使用中的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。由于虛擬樣機(jī)技術(shù)是建立在產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)之上，解決了設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中的弊端，必將提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)、縮短開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。 機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)主要研究的是如何利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)在任意時(shí)刻的位置、速度、加速度，同時(shí)確定系統(tǒng)及構(gòu)件所需的作用力和反作用力 。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分為多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)已形成了比較系統(tǒng)的研究方法，主要的研究方法有：牛頓一歐拉方法；拉格朗日方程法；圖論方法；凱恩方法；變分法等。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的方法有：牛頓一歐拉向量力學(xué)法；拉格朗日方程分析力學(xué)法等?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有多種多體系統(tǒng)動(dòng)力仿真商品化軟件，主要有ADAMS（automatic dynamic analy—sis of mechanical system），DAD S（dynamic analysis and design system）。 3.2虛擬樣機(jī)強(qiáng)有力的工具 Pro-engineer．ADAMS在建立虛擬樣機(jī)過(guò)程中，必須建立產(chǎn)品