大眾EA888 1.8L發(fā)動機配氣機構設計與分析（含CAD圖紙、說明書）,大眾EA888,1.8L發(fā)動機配氣機構設計與分析（含CAD圖紙、說明書）,大眾,群眾,ea888,發(fā)動機,機構,設計,分析,cad,圖紙,說明書,仿單 畢業(yè)設計（開題報告） 上汽大眾EA888 1.8L 配氣機構設計與分析 《上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動機配氣機構設計與分析》 開題報告 一 選題背景及意義 1.1 配氣機構迅速發(fā)展的原因： 目前，隨著人們生活水平的提高，汽車、摩托車日益成為人們生活當中重要交通工具，對機械產品的需求量是越來越大，產品質量要求是越來越高。同時，隨著科學技術的發(fā)展，機械產品與設備也日益向高速、高效、精密、輕量化和自動化方向發(fā)展。產品的結構也日趨復雜，對其工作性能的要求也越來越高，為使產品能夠安全可靠地工作，其結構系統(tǒng)必須具有良好的靜動態(tài)特性。同時，設備在工作時產生的振動和噪聲，會損害操作者的身心健康，污染環(huán)境。因此必須對機械產品進行動態(tài)分析和動態(tài)設計，以滿足機械結構靜、動態(tài)特性與低振動、低噪聲的要求。這一切都要求工程師在設計階段就能精確的預測出產品或工程的技術性能，需要對結構的靜、動力強度以及溫度場等技術參數(shù)進行分析計算。為了在工程應用中節(jié)約成本、提高設計效率、縮短設計周期，很多廠家已經把前期的軟件模擬作為檢驗設計成敗的一個關鍵步驟。 發(fā)動機在車輛中是動力部件，其性能直接影響車輛在使用中的工作狀況和可靠性。發(fā)動機的發(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)動機的振動和結構噪聲，這類振動將直接影響發(fā)動機的壽命。因此對發(fā)動機必須進行動態(tài)設計與分析，把動態(tài)特性作為設計的重要目標。配氣機構是發(fā)動機的重要組成部分，發(fā)動機配氣機構，經常處在高溫、高壓下工作，因此氣門機構是發(fā)動機最容易發(fā)生故障的零部件之一。而配氣機構性能的好壞, 直接影響到發(fā)動機的經濟性、可靠性, 并對發(fā)動機噪聲與振動產生直接影響。而配氣機構的主要零件氣門既是燃燒室的組成部分，又是氣體進、出燃燒室的通道，工作時需承受很高的機械負荷和熱負荷，尤其是排氣門，由于經常受到高溫燃氣的沖刷，從而更加容易產生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象，工作條件也就更為嚴酷。其后果將影響氣缸內的換氣質量，嚴重時會導致燃燒惡化，從而降低了發(fā)動機的經濟性、動力性和可靠性。因此，對發(fā)動機的配氣機構，特別是氣門進行深入研究是非常有必要的。 隨著發(fā)動機強化程度的不斷提高, 配氣機構已經成為發(fā)動機發(fā)展過程中的一個重要而且困難的環(huán)節(jié)。這不只是由于發(fā)動機轉速的急劇增長, 使機構零件慣性力和振動迅速提高,而且還由于發(fā)動機平均有效壓力的增加。因此配氣機構動力學的研究已經成為研究小型高速發(fā)動機的重要課題。此外隨著發(fā)動機低排放、高速化的發(fā)展趨勢，對其性能指標要求越來越高，要求其在高速運行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠地工作，因此對配氣機構設計的要求也越來越高。 1.2 配氣機構的結構設計： 配氣機構零部件的設計要基于結構設計的，所以結構設計是配氣機構設計的前提。結構設計要綜合考慮發(fā)動機的使用環(huán)境，工作特點，燃油經濟性對配氣機構的性能的要求，設計成本等多方面因素，配氣機構結構圖如圖1.1。 圖1.1 配氣機構結構圖 1.3 配氣機構的種類： 配氣機構是進、排氣門的控制機構，它按照氣缸的工作順序和工作過程的要求，準時地開閉進、排氣門，向氣缸供給可燃混合氣并及時排出廢氣。另外，當進、排氣門關閉時，保證氣缸密封，進飽排凈。新鮮空氣或可燃混合氣被吸入氣缸愈多，則發(fā)動機可能發(fā)出的功率愈大。新鮮空氣或可燃混合氣充滿氣缸的程度。充氣效率越高，表明進入氣缸的新氣越多，可燃混合氣燃燒時可能放出的熱量也就越大，發(fā)動機的功率越大。 配氣機構可從不同角度來分類。按氣門的布置分為氣門頂置和氣門側置式；按凸輪軸的布置位置分為下置式、中置式和上置式；按曲軸和凸輪軸的傳動方式分為齒輪傳動式、鏈條傳動式和齒帶傳動式；按每氣缸氣門數(shù)目分，有二氣門式和四氣門式等。 各式配氣機構中，按其功用都可分為氣門組和氣門傳動組兩大部分。氣門組包括氣門及與之相關聯(lián)的零件，其組成與配氣機構的型式基本無關。氣門傳動組、是從正時齒輪開始至推動氣門動作的所有零件，其組成視配氣機構的形式而有所不同，它的功用是定時驅動氣門使其開閉。 進氣門和排氣門都倒掛在氣缸蓋上。氣門組包括氣門、氣門導管、氣門座、彈簧座、氣門彈簧、鎖片等零件；氣門傳動組一般由搖臂、搖臂軸、推桿、挺柱、凸輪軸和正時齒輪組成。 氣門頂置式配氣機構的工作情況是：當氣缸的工作循環(huán)需要將氣門打開進行換氣時，由曲軸通過傳動機構驅動凸輪軸旋轉，使凸輪軸上的凸輪凸起部分通過挺柱、推桿、調整螺釘推動搖臂擺轉，搖臂的另一端便向下推開氣門，同時使彈簧進一步壓縮。當凸輪的凸起部分的頂點轉過挺柱以后，便逐漸減小了對挺柱的推力，氣門在彈簧張力的作用下開度逐漸減小，直至最后關閉。壓縮和做功行程中，氣門在彈簧張力的作用下嚴密關閉。 氣門頂置式配氣機構根據(jù)凸輪軸的位置有以下三種型式： (1)凸輪軸下置式配氣機構：凸輪軸裝在曲軸箱內，直接由凸輪軸正時齒輪與曲軸正時齒輪相嚙合，由曲軸帶動。氣門傳動組包括上述全部零件，其應用最為廣泛。 (2)凸輪軸中置式配氣機構：凸輪軸位于氣缸體的上部。為了減小氣門傳動機構的往復運動的質量，對于高轉速的發(fā)動機，可將凸輪軸的位置移到氣缸體的上部，由凸輪軸經過挺柱直接驅動搖臂而省去推桿。該形式的配氣機構因曲軸與凸輪軸的中心線距離較遠，一般要在中間加入一個中間齒輪(惰輪)。 (3)凸輪軸上置式配氣機構：凸輪軸布置在氣缸蓋上。凸輪軸直接通過搖臂來驅動氣門，沒有挺柱和推桿，使往復運動的質量大為減小，對凸輪軸和氣門彈簧的要求也最低，因此它適用于高速強化發(fā)動機。 凸輪軸下置式 凸輪軸中置式 凸輪軸頂置式 圖1.2 配氣結構的結構形式 1.4 配氣機構工作原理 圖1.3凸輪驅動氣門開閉 凸輪軸轉動時，當凸輪的基圓部分與挺柱接觸時，挺柱不升高，挺柱以上的傳動件不動作，氣門是關閉的。當凸輪的凸起部分與挺柱接觸時，便開始將挺柱頂起，于是氣門被打開。當凸輪的最大凸起處與挺柱接觸時，氣門達到最大開度。隨后，凸輪與挺柱接觸表面的凸起開始逐漸變小，氣門在氣門彈簧的作用下開始上升關閉，并反向推動搖臂等傳動桿件，使挺柱下移保持與凸輪接觸。當凸輪凸起部分離開挺柱時，氣門完全關閉。 二 國內外配氣機構技術研究現(xiàn)狀 2.1 現(xiàn)代發(fā)動機配氣機構技術及技術特征： 2.1.1頂置凸輪軸技術 氣門－凸輪式配氣機構具有保證氣缸密封性的優(yōu)點，尤其是進排氣門能夠持久地保證燃燒室的密封性，四沖程內燃機大多采用氣門—凸輪式配氣機構。氣門—凸輪式配氣機構按氣門布置分為側置氣門和頂置氣門機構。頂置氣門配氣機構，內燃機的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內燃機有較好的性能指標，是側置氣門機構所不能達到的，故側置氣門機構己被淘汰。頂置氣門配氣機構又由凸輪軸的放置位置分成凸輪軸下置型和頂置凸輪軸型。絕大部分柴油機采用凸輪軸下置型，但這種機構高速運轉時產生較大的慣性力和振動及噪聲，消耗較大的動力。目前的趨向是把凸輪軸放在氣門上方，省去了推桿、挺柱，稱頂置凸輪軸型（OHC）；還有些機構將頂置凸輪軸放在氣門室罩里，凸輪直接作用于氣門上，這種機構省去了搖臂，高速時氣門工作良好，零件慣性力極小，工作平穩(wěn)。頂置凸輪軸型（OHC）又可分成SOHC 型和DOHC 型。前者只用一根凸輪軸來驅動進、排氣門；而后者采用兩根凸輪軸來分別驅動進、排氣門。這種結構適用于進、排氣門呈v 形排列的內燃機。凸輪軸的傳動類型有三種：正時齒輪傳動、正時鏈輪傳動和驅動帶傳動。其中，正時齒輪傳動主要用于要求長壽命和大載荷的內燃機，如船用、商用車和賽車內燃機；正時鏈輪傳動，廣泛應用于轎車內燃機，一般來說，它比正時齒輪傳動機構噪音小：驅動帶傳動或齒形帶傳動是最新出現(xiàn)的傳動方式，主要用于頂置凸輪軸內燃機上。 2.1.2多氣門技術 配氣機構的最新發(fā)展是改善燃料經濟性，其關鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，多氣門內燃機很早就已經出現(xiàn)了，但僅用于賽車，目的是減輕排氣門的熱負荷和機械負荷，但并未能在內燃機制造業(yè)得到推廣。意大利布加奇公司首先創(chuàng)出具有四個排氣門和一個進氣門的內燃機。促進多氣門內燃機產量迅速提高的原因在于自動控制技術的快速發(fā)展和生產的工藝水平越來越高，可以充分發(fā)揮多氣門配氣方案的優(yōu)越性，保證內燃機在整個負荷和速度范圍內形成最佳混合氣，并適時適度送入氣缸。多氣門內燃機優(yōu)點很明顯，如圖2用2個進氣門取代1個進氣門，流通截面加大30%～35%以上，可大大改進充氣系數(shù)。因此，多氣門內燃機可以提高功率。4氣門內燃機曲軸在中低轉速范圍內，扭矩一般比2氣門內燃機大10%～15%，高轉速范圍內大10%～20%。多氣門內燃機不僅可以提高內燃機功率，還可以降低燃油消耗，減少排污。據(jù)分析，4氣門內燃機燃油消耗比2氣門內燃機燃油消耗低6%～8%。 圖2.1 頂置凸輪多氣門技術 圖2.2可變氣門正時配氣機構 2.1.3可變配氣定時及氣門升程技術 常規(guī)內燃機配氣相位都是按內燃機性能要求，通過試驗確定某一轉速和負荷條件下較為適合的配氣相位，自然只達到一種轉速最為有利。然而為了在更大的曲軸轉速范圍內提高功率指標，降低燃料消耗，現(xiàn)代多氣門內燃機氣門開啟相位可以改變、升程也可以改變，稱作可變氣門運動配氣機構（VVT）。通過這套機構對配氣過程的調節(jié)和控制，低、中轉速時，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，可相應增加內燃機扭矩。顯然，采用這一機構，可提高內燃機性能、降低污染、改善怠速性能。可變配氣技術，從大類上分，包括可變氣門正時和可變氣門行程兩大類，有些發(fā)動機只匹配可變氣門正時，如豐田的VVT-i 發(fā)動機；有些發(fā)動機只匹配了可變氣門行程，如本田的VTEC；有些發(fā)動機既匹配的可變氣門正時又匹配的可變氣門行程，如豐田的VVTL-i，本田的i-VTEC，通過這套系統(tǒng)的控制，發(fā)動機能夠根據(jù)自身的運轉狀態(tài)進行適當?shù)倪M氣調整。實現(xiàn)可變氣門技術有多種途徑，按照有無凸輪軸可分為基于凸輪軸的可變氣門機構和無凸輪軸的可變氣門機構2 類。傳統(tǒng)氣門控制技術都是由凸輪軸機械推動的，電磁氣門控制技術采用由電磁驅動的組件推動氣門，根據(jù)ECU 需要進行動作，這也正是VTEC 等氣門控制技術追求的最高境界。 2.2 配氣機構國內外研究現(xiàn)狀： 配氣機構作為內燃機的重要組成部分，其性能好壞對內燃機的性能指標有著很重要的影響。配氣機構的作用是按照內燃機的工作循環(huán)與工作順序的要求，控制新鮮氣體及時地進入氣缸，同時排除燃燒后的廢氣。一臺內燃機的經濟性能是否優(yōu)越，工作是否可靠，噪音與振動能否控制在較低的限度，常常與其配氣機構設計是否合理有密切關系。設計合理的配氣機構應具有良好的換氣性能，進氣充分，排氣徹底，即具有較大的時面值，泵氣損失小，配氣正時恰當。與此同時，配氣機構還應具有良好的動力性能，工作時運動平穩(wěn)，振動和噪音較小，不發(fā)生強烈的沖擊磨損等現(xiàn)象，這就要求配氣機構的從動件具有良好的運動加速度變化規(guī)律，以及合適的正、負加速度值。隨著汽車及發(fā)動機技術的發(fā)展，對配氣機構也提出了更高的要求，其相關新技術也得到了發(fā)展。 隨著內燃機高功率、高速化發(fā)展，人們對其性能指標的要求更高，這給配氣機構的設計以及制造工藝增加了難度。目前廣泛采用的是氣門－凸輪式配氣機構，它具有保證氣缸密封性的優(yōu)點。配氣機構系統(tǒng)研究內容歸納起來主要有兩個方面，一方面是零部件的設計，包括凸輪型線，氣門搖臂機構的設計，氣門彈簧及氣門等零部件的設計，其中又以凸輪型線的設計尤為關鍵，這是因為凸輪作為整個機構的原動件，它直接控制整個機構的運動。另一方面是機構的動力學問題，而對于機構動力性能的研究，又主要集中在氣門的運動規(guī)律上。國外對配氣機構的振動模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時等的研究有一些報道。國內也在致力于研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱副的動力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：? （1）設計了許多性能優(yōu)良的凸輪型線；? （2）配氣機構由剛性設計發(fā)展為彈性設計；? （3）由孤立研究凸輪設計發(fā)展到配氣機構系統(tǒng)設計。? 內燃機配氣凸輪的研究已經涉及到配氣機構性能的各個方面，包括型線、挺柱的運動規(guī)律、氣門振動模型、挺柱與凸輪的接觸應力、摩擦應力等。在研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱副的動力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等方面上，國內外都有很大的發(fā)展。 2.3 配氣機構的發(fā)展趨勢 2.3.1配氣凸輪優(yōu)化設計方法 配氣凸輪是影響配氣機構工作狀況的關鍵零件，如何設計和加工出具有合理外形的凸輪軸是整個配氣機構設計中最關鍵的問題。對內燃機氣門通過能力的要求，實際上是對由凸輪外形所決定的氣門位移規(guī)律的要求，氣門開閉迅速就能增大時面值，但這將導致氣門機構運動件的加速度和慣性負荷增大，沖擊、振動加劇，機構動力特性變差。因此，對氣門通過能力的要求與機構動力特性的要求間存在一定矛盾，應視所設計發(fā)動機的特點，如發(fā)動機工作轉速、性能要求、配氣機構剛度大小等，主要在凸輪外形設計中兼顧解決。配氣凸輪型線優(yōu)化設計的任務就是在確保配氣機構能可靠工作的前提下尋求最佳的凸輪設計參數(shù)。凸輪型線的設計己從靜態(tài)設計、動態(tài)設計發(fā)展到系統(tǒng)動力學優(yōu)化設計，圖2.3、圖2.4 分別為雙質量運動學模型與多質量動力學模型。系統(tǒng)動力學設計考慮配氣機構的彈性變形，可更精確地描述配氣機構的運動和受力情況，并統(tǒng)一考慮機構動態(tài)參數(shù)與凸輪型線，從而實現(xiàn)凸輪型線優(yōu)化設計。 圖2.3 簡化閥系雙質量運動學模型 圖2.4 配氣機構多自由度動力學模型 2.3.2配氣機構的優(yōu)化前景 從現(xiàn)階段研究方向來看，配氣機構中氣門數(shù)目呈現(xiàn)多起門化，氣門及其他配氣機構零件材料向著陶瓷方向發(fā)展，氣門彈簧的設計趨向于基于各種算法的優(yōu)化設計；由于發(fā)動機緊湊性的要求，氣門傳動組的發(fā)展趨向于頂置凸輪軸式的發(fā)動機；配氣機構的運動學分析中，凸輪型線的設計正在從靜態(tài)優(yōu)化設計步入到系統(tǒng)優(yōu)化設計，而動力學分析也從最初的單質量動力學研究發(fā)展到多質量動力學。 三 課題研究內容及實驗方案 3.1研究內容 1、收集上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動機配氣機構相關文獻資料，并對其進行整理分析； 2、根據(jù)設計參數(shù)，結合文獻資料進行選型以及方案設計； 3、完成所有參數(shù)的設計計算并對作強度校核； 4、整理零件數(shù)據(jù)； 5、繪制相應的零件圖，完成畢業(yè)設計說明書的撰寫； 6、建總成三維模型，并對配氣機構做仿真分析。 3.2實驗方案 1.檢索文獻資料，市場調研，了解配氣機構的開發(fā)與使用情況； 2.進行配氣機構（凸輪、軸、氣門等）的結構方案分析，確定該汽車配氣機構的結構形式； 3.根據(jù)功能要求，進行配氣機構總體布置設計：根據(jù)性能要求，分析確定凸輪型線類型、凸輪的外形尺寸、運動規(guī)律的分析和氣門彈簧的彈簧力，并進行相關的性能分析計算； 4.根據(jù)配氣機構總體布置設計的結果以及零件的功能與性能要求，進行配氣機構零件的圖紙設計； 5.根據(jù)配氣機構零件圖，繪制配氣機構裝配圖； 6. 編寫設計計算說明書，完成畢業(yè)設計（論文）。 四 本論文（設計）的目標及工作進度? 4.1 目標 具體來說，為保證配氣機構有良好的工作性能，需要滿足下列要求：? 1. 設置節(jié)氣門、進氣管，使空氣進入配氣機構；? 2. 設置凸輪軸，按照發(fā)動機各缸的做工次序、各缸工作循環(huán)和配齊相位的要求，定時開啟和關閉各缸進、排氣門； 3. 設置排氣管，三元催化器，使發(fā)動機廢氣可以排出；? 4. 使發(fā)動機有較高的充氣系數(shù)； 5. 具有良好的可靠性和耐久性；? 6. 振動和噪聲小。 4.2 工作進度安排 11月21日~ 1月11日：收集相關上汽大眾EA888 1.8L發(fā)動機配氣機構的技術資料，并對其整理分析； 1月12日 ~ 1月31日：據(jù)設計參數(shù)完成配氣機構選型以及方案初步設計； 2月1日 ~ 2月20日：完成參數(shù)的設計計算并校核； 2月21日 ~ 3月1日：繪制總成裝配圖以及配氣機構零件圖； 3月2日 ~ 3月11日：編寫設計計算說明書； 3月12日 ~ 3月20日：完成論文初稿，并交系里老師中期檢查； 3月21日 ~ 4月15日：修改完善論文，完成二稿、終稿并交至系里檢查； 4月16日 ~ 4月21日：制作PPT，進行答辯準備。 參考文獻 [1] 徐兆坤.汽車發(fā)動機原理[M].清華大學出版社 2010. 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