汽車發(fā)動(dòng)機(jī)新型配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),汽車發(fā)動(dòng)機(jī),新型,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第 45 頁 共 45 頁
目 次
1 引言……………………………………………………………………………3
1.1發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基本原理………………………………………………………………3
1.2VEL的簡介………………………………………………………………………………4
1.3氣門可變機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)況……………………………………………………………6
1.4畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容…………………………………………………………………6
2可變氣門配氣機(jī)構(gòu)VEL………………………………………………………………8
2.1常規(guī)配氣機(jī)構(gòu)的基本工作原理 …………………………………………………8
2.2可變氣門配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的子系統(tǒng) …………………………………………… 10
2.3VEL的控制系統(tǒng)………………………………………………………………………12
2.4簡介汽車氣門系統(tǒng)中的凸輪機(jī)構(gòu)………………………………………13
2.5簡介伺服直流電機(jī)、滾珠絲杠與圓錐齒輪的特性和選擇………………………14
3伺服直流電動(dòng)機(jī)的選擇……………………………………………………………… 16
3.1伺服直流電動(dòng)機(jī)用途特點(diǎn)及其技術(shù)參數(shù)…………………………………………16
3.2伺服直流電動(dòng)機(jī)使用條件…………………………………………………………17
3.3伺服直流電機(jī)的外型和安裝尺寸…………………………………………………17
4 圓錐齒輪的選擇與設(shè)計(jì)………………………………………………………………19
4.1圓錐齒一般設(shè)計(jì)步驟與特點(diǎn)…………………………………………………………19
4.2圓錐齒輪的初步設(shè)計(jì)…………………………………………………………………19
4.3 齒輪的強(qiáng)度校核……………………………………………………………………23
4.4 圓錐齒輪減速器箱體及其零件的設(shè)計(jì)…………………………………………28
5 滾珠絲杠的選擇與設(shè)計(jì)…………………………………………………………30
5.1對(duì)滾珠絲杠的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)說明………………………………………………30
5.2滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與選擇……………………………………………………31
5.3滾珠絲杠副的精度與型號(hào)的選擇……………………………………………33
5.4滾珠絲杠的校核…………………………………………………………………36
6控制杠桿和控制軸的設(shè)計(jì)………………………………………………………39
6.1控制杠桿的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………39
6.2控制軸的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………40
結(jié)論 ……………………………………………………………………………………42
致謝 ……………………………………………………………………………………43
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………44
圖1 小錐齒輪 …………………………………………………………45
圖2錐齒輪減速器箱體………………………………………………………46
圖3控制杠桿…………………………………………………………47
圖4控制軸……………………………………………………48
圖5箱體簡圖……………………………………………………49
1 引言
隨著轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的高速化和廢氣排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，老式發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)變得越來越突出。降低燃油消耗一直是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所追求的最重要而且是很必要的目標(biāo)之一。它可以根據(jù)開車的工況不同，自動(dòng)改變氣門正時(shí)和升程，從而更好的適應(yīng)路況，節(jié)約能源，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 因此，可變配氣相位機(jī)構(gòu)的研究和生產(chǎn)在世界范圍內(nèi)引起科研部門和生產(chǎn)廠家的高度重視。燃料直接注入汽缸內(nèi)和可變氣門運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)正在研究和發(fā)展中，除了保護(hù)環(huán)境，可變氣門運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)另外的一個(gè)特征是動(dòng)力性能的改良，這使它可能兼顧駕駛樂趣和環(huán)境保護(hù)。為了達(dá)到駕駛樂趣與環(huán)境的最大和諧, 工程師把重心集中在發(fā)展一種新的簡單和可靠的氣門開啟運(yùn)動(dòng)機(jī)制，這種VEL機(jī)制的基本控制原則是由擺動(dòng)凸輪代替常見的轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪而得。
就四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，現(xiàn)有的產(chǎn)品全都采用氣門控制進(jìn)氣和排氣。它有很多優(yōu)點(diǎn)，也有很多缺點(diǎn)，為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、節(jié)省原料， 我們設(shè)計(jì)一種應(yīng)用電控技術(shù)和機(jī)械技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣閥開啟持續(xù)時(shí)間及升程連續(xù)可調(diào)節(jié)的配氣機(jī)構(gòu)（VEL）。就是以改變發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)可變氣門升程及開啟時(shí)間從而可以根據(jù)開車的路況不同，改變氣門正時(shí)與升程，從而更好的適應(yīng)路況，節(jié)約能源，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。
過去我國基本上以生產(chǎn)中型載重汽車為主，其發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都不高。從80年代末期以來，我國開始發(fā)展轎車事業(yè)，其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般都很高，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5000～6000 r／min，采用兼顧低、高速的固定配氣相位，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降，廢氣排放惡化。因此，研制用于轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的可變配氣相位機(jī)構(gòu)很有必要。
1.1發(fā)動(dòng)機(jī)工作的基本原理
在談氣門機(jī)構(gòu)的工作特性之前，我們必須再確認(rèn)一次四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)行程：進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣周而復(fù)始。 進(jìn)氣時(shí)進(jìn)氣門打開，活塞由上往下，有如針筒作用一般將空氣吸入氣缸。壓縮時(shí)進(jìn)氣門關(guān)閉，此時(shí)氣缸形成一密閉的空間，活塞由下往上壓縮油氣，而壓縮比就是活塞在下死點(diǎn)和上死點(diǎn)時(shí)氣缸容積比例。 油氣壓縮后，火星塞點(diǎn)火引燃油氣產(chǎn)生爆發(fā)，由爆發(fā)后產(chǎn)生的大量氣體將活塞往下推到下死點(diǎn)。爆發(fā)也是發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)行程中唯一的動(dòng)力產(chǎn)生行程，其他三個(gè)行程都是需要消耗動(dòng)力的，這也就是為什么四行程發(fā)動(dòng)機(jī)比二行程發(fā)動(dòng)機(jī)"反應(yīng)慢"的原因，因?yàn)槎谐贪l(fā)動(dòng)機(jī)每兩個(gè)行程就有一次是動(dòng)力產(chǎn)生行程，而四行程則四次才有一次。爆發(fā)過后，排氣門打開，活塞由下往上推將氣缸內(nèi)燃燒后的廢氣排出，活塞到上死點(diǎn)后關(guān)閉排氣門，并打開進(jìn)氣門，準(zhǔn)備下一次的進(jìn)氣。
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是非常追求動(dòng)能的大小的 。然而，在這個(gè)除了能量外還注意環(huán)境的年代 ，燃料的經(jīng)濟(jì)性和低排放的程度已經(jīng)變?yōu)楹苤匾恼n題。隨著仿真技術(shù)的逐漸成熟，以上技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都是很有可能的，可變氣門作用的發(fā)揮正變?yōu)橐粋€(gè)非常重要的課題。
目前為止，已經(jīng)有很多關(guān)于可變氣門建議的提出。在這些建議中，可變部分的類型被迅速的傳開，并且成為某種標(biāo)準(zhǔn)。在這一領(lǐng)域中它將變成一個(gè)關(guān)鍵的裝置。而且，對(duì)有關(guān)氣門活動(dòng)角度的提高和改變?nèi)匀辉谶M(jìn)步。然而，可變氣門部分也是有限制原則的，像不能改變氣門的持續(xù)時(shí)間長短或者升程量的大小。另外，為了把裝置發(fā)揮的更好就必須對(duì)新裝置有更高的要求。
在這個(gè)區(qū)域里，所研究是一個(gè)能連續(xù)增加控制氣門開啟持續(xù)時(shí)間的裝置。例如，電磁類型，除了能夠連續(xù)改變持續(xù)時(shí)間，并且很明顯。結(jié)果，在這一領(lǐng)域的研究在加快進(jìn)行。也有以純機(jī)械可變氣門持續(xù)時(shí)間裝置為研究方向的例子。實(shí)際上這個(gè)正在國外被研究。然而此裝置不能改變氣門升程，很明顯是有局限性的。例如，結(jié)果很難相應(yīng)的使高輸出發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)減小。另外，很難在相應(yīng)的載荷下自由的控制氣流的循環(huán)。在一個(gè)非常低載荷的情況下，吸氣門的節(jié)制變得很困難，這就是一個(gè)限制因素。
1.2VEL簡介
我國的汽油機(jī)已經(jīng)實(shí)施汽油電控噴射技術(shù)，進(jìn)一步采用電控可變配氣相位技術(shù)，在轉(zhuǎn)速、負(fù)荷傳感器等方面可以實(shí)現(xiàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件（ECU）共用。另外發(fā)動(dòng)機(jī)已向多氣門發(fā)展，對(duì)實(shí)施可變配氣相位技術(shù)提供了一定的便利條件。根據(jù)我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的實(shí)際情況，本文以頂置雙凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了VEL可變氣門配氣相位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下提供最佳的氣門關(guān)閉角，達(dá)到了改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的目的。
在研究氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們應(yīng)該先了解最基本的氣門機(jī)構(gòu)，它是由凸輪軸、氣門搖臂、氣門彈簧、門導(dǎo)管、氣門本體及氣門座這些基本組成構(gòu)件。氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源自發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，由連接于氣缸曲軸上的時(shí)規(guī)齒盤以時(shí)規(guī)鏈條來帶動(dòng)連接于凸輪軸末端的另一個(gè)時(shí)規(guī)齒盤，兩個(gè)齒盤的齒數(shù)比是1:2，也就是說經(jīng)過一個(gè)周期既四個(gè)行程后曲軸轉(zhuǎn)了720°，而凸輪軸只轉(zhuǎn)了360°。有了這些驅(qū)動(dòng)裝置，凸輪軸便能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，一般情況下，氣門因?yàn)闅忾T彈簧的彈力作用而處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)凸輪軸上的凸輪轉(zhuǎn)到凸面時(shí)，由凸輪推動(dòng)氣門搖臂，氣門便被打開，之后再隨著凸面的離開及氣門彈簧的作用而關(guān)閉。凸輪軸轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1/2，進(jìn)排氣門因凸輪角度是固定的從而只有機(jī)械的開閉運(yùn)動(dòng)。
VEL由兩部分構(gòu)成的，一個(gè)是氣門系統(tǒng)，它把曲軸的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成輸出凸輪的擺動(dòng)，這個(gè)轉(zhuǎn)變是由一個(gè)包含有搖桿的傳動(dòng)裝置完成的；另一個(gè)是電子動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，它是根據(jù)開車的情況，通過控制控制軸的角度位置來改變氣門的持續(xù)時(shí)間和升程的。這個(gè)控制軸有個(gè)偏心的控制凸輪，它插入有搖臂的支軸氣缸中，來改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和輸出凸輪的狀態(tài)。如下圖所示。是一個(gè)氣門組系統(tǒng)。它就包括三個(gè)部分，一個(gè)傳動(dòng)部分；一個(gè)氣門凸輪控制部分；還有一個(gè)電子控制部分。它的各個(gè)部件在下圖。
圖1.1氣門組系統(tǒng)
氣門開啟特性的三個(gè)主要的因素是開啟持續(xù)時(shí)間，持續(xù)相位角和升程的量。氣門開啟特性由擺動(dòng)凸輪及其相關(guān)部件所定型和定義的。 類似于普通的全旋轉(zhuǎn)凸輪, 擺動(dòng)凸輪外型包括一條開啟控制的平滑操作的斜坡面。主動(dòng)軸的軸線和的凸輪軸的軸線是同心的。主動(dòng)軸在同步旋轉(zhuǎn)中是由一條鏈驅(qū)動(dòng)的。驅(qū)動(dòng)凸輪的主動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)由連桿A, 搖桿臂和連桿B轉(zhuǎn)化為輸出凸輪的擺動(dòng)。擺動(dòng)凸輪和主動(dòng)軸同軸。
VEL系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.由于沒有節(jié)流損失，使部分復(fù)合的熱效率有所提高。如果不用節(jié)流，而以進(jìn)氣門開啟持續(xù)期來計(jì)量氣缸充量，節(jié)流損失即可避免。
2.由于低速時(shí)全負(fù)荷轉(zhuǎn)矩增加，提高了全負(fù)荷時(shí)的有效效率。如果能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制進(jìn)氣門的關(guān)閉點(diǎn)，即可有效地控制氣缸充氣，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的全負(fù)荷轉(zhuǎn)矩。
3.將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況點(diǎn)移到功率較高之處。這可以通過改變變速器傳動(dòng)比來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線。用這種方法，可降低變速器傳動(dòng)比而保持同樣的加速特性，使發(fā)動(dòng)機(jī)能更經(jīng)常地在較低轉(zhuǎn)速和效率較高的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)。
VEL系統(tǒng)是一種控制進(jìn)氣凸輪軸的氣門正時(shí)的裝置，它通過調(diào)整凸輪軸轉(zhuǎn)角對(duì)配氣正時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，并且可以有效地降低尾氣的排放。除了發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)增強(qiáng)之外， VEL 系統(tǒng)的杰出點(diǎn)之一是它的輕巧和簡單構(gòu)造，并可降低發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的造價(jià)。
1.3氣門可變機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)況
本田汽車公司80年代推出的VTEC（Variable Valve Timing & Valve Lift Electronic Control）可變氣門正時(shí)和升程電子控制系統(tǒng)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速時(shí)，改變氣門正時(shí)和升程，并由ECM電控組件控制，同時(shí)也可改變高速時(shí)進(jìn)排氣門開啟的“重疊時(shí)間”，使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速范圍時(shí)輸出更大的功率。寶馬汽車公司新開發(fā)的1.8L直列4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，采用無級(jí)可變氣門行程和工作角的氣門控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可明顯改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，最大功率由77kW提高到85W，最大扭矩由165N.m提高到175N.m，最高車速可達(dá)210km/h。與同級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)比較，油耗下降10%~15%。同時(shí)，該系統(tǒng)屬柔性技術(shù)，除能適應(yīng)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外，還可達(dá)到歐洲IV號(hào)排放限值標(biāo)準(zhǔn)。
自1990年，歐洲開始采用可變氣門正時(shí)技術(shù)(VVT)以來，主要被阿爾法·羅密歐、寶馬、美洲豹、沃爾沃、保時(shí)捷、戴-克、奧迪、雷諾等高級(jí)轎車生產(chǎn)廠商采用，取得了良好效果。近幾年，國外不少知名汽車生產(chǎn)商也開始采用進(jìn)氣門連續(xù)可變正時(shí)控制、排氣門可變正時(shí)控制、氣門行程和工作角調(diào)整等型式，來提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能。2001年推出的奧迪新A43L、V6型發(fā)動(dòng)機(jī)，采用無級(jí)可變凸輪軸控制(氣門工作角無級(jí)可變)和排氣門可變正時(shí)機(jī)構(gòu)。目前，以機(jī)械式氣門控制機(jī)構(gòu)為主流，但未來的技術(shù)發(fā)展趨勢將轉(zhuǎn)向開發(fā)電磁氣門控制系統(tǒng)。
由此可以看到氣門可變技術(shù)的發(fā)展前途是非常好的。將來的汽車行業(yè)必然會(huì)全部使用到氣門可變技術(shù)。
1.4畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容
我們所研究的這個(gè)裝置是能夠連續(xù)改變氣門正時(shí)及升程的一個(gè)控制系統(tǒng)。這個(gè)裝置和常規(guī)的可變相位氣門裝置是不一樣的，是為了自由實(shí)現(xiàn)調(diào)整氣門升程和氣門開啟持續(xù)時(shí)間，這兩條應(yīng)該是相互作用的。
我主要任務(wù)是要選用氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為動(dòng)力源的伺服直流電機(jī)，設(shè)計(jì)一單級(jí)圓錐齒輪減速器及其箱體，滾珠絲杠的螺旋傳動(dòng)，控制杠桿和控制軸，以完成調(diào)節(jié)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)有，配氣機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍：60～80kw;
最高轉(zhuǎn)速：5000r/min;
頂置氣門，凸輪軸的位置是上置；
凸輪的最大升程：12mm；
凸輪實(shí)際基圓半徑:18mm。
這個(gè)設(shè)計(jì)還是很有難度的，工作量也很大，國內(nèi)外的資料也很有限，國外也是技術(shù)保密，根本不會(huì)把主要技術(shù)參數(shù)提供出來。所以它對(duì)我們來說很有挑戰(zhàn)性。我們應(yīng)該認(rèn)真地將它完成。
2 氣門可變機(jī)構(gòu)VEL
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是非常追求速度的大小的 。然而，在這個(gè)除了速度外還注意環(huán)境的年代 ，燃料的經(jīng)濟(jì)性和低排放的程度已經(jīng)變?yōu)楹苤匾恼n題。隨著仿真技術(shù)的逐漸成熟以上技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都是很有可能的，可變氣門作用的發(fā)揮正變?yōu)橐粋€(gè)非常重要的課題。
在這時(shí)，看看先前這個(gè)連續(xù)可變氣門正時(shí)和升程裝置，它就是純機(jī)械類型，另外還有無凸輪電動(dòng)類型及液壓類型。隨著可靠性越來越多的被考慮，純機(jī)械類型被采用。另外，研究可變氣門正時(shí)和升程相似方法已經(jīng)被人們注視。隨著這個(gè)叫VEL單獨(dú)裝置研究計(jì)劃的出現(xiàn)，它能夠有很大的調(diào)整范圍、不費(fèi)力調(diào)整底座、以及更好的滿足質(zhì)量要求，具體的研究正在進(jìn)行。另外，VEL響應(yīng)改變被更多的考慮，并且電動(dòng)傳動(dòng)控制裝置也正在被使用。
2.1常規(guī)配氣機(jī)構(gòu)的基本原理
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)活塞與氣門運(yùn)動(dòng)之間相對(duì)關(guān)系的基礎(chǔ)典型在現(xiàn)實(shí)的引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)卻會(huì)遇到幾個(gè)問題：首先進(jìn)氣門從打開到進(jìn)氣之前會(huì)有延遲，因?yàn)檫M(jìn)氣是由于活塞向下先形成真空，進(jìn)而由于氣缸內(nèi)外壓力不同才使油氣被吸入氣缸內(nèi)。此氣門從開始動(dòng)作到完全打開也需要時(shí)間，而基于上述原因，若能讓進(jìn)氣門在活塞向下運(yùn)動(dòng)之前先打開，則將可充分利用這整個(gè)的進(jìn)氣行程。 如果排氣門在排氣行程尚未開始時(shí)先打開，可以減少活塞上升時(shí)的阻力，此外活塞由下而上到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，氣缸內(nèi)的廢氣并未能完全的排出，這時(shí)若將排氣門關(guān)閉的時(shí)間延后，便可利用由進(jìn)氣門引入的新鮮油氣，將殘余的廢氣"擠"出去，盡量減少廢氣的殘留影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。以上氣門與活塞間的相對(duì)關(guān)系若以具體的圖形來表示，就稱為‘氣門正時(shí)圖’，見圖2-1。而早開的進(jìn)氣門和晚關(guān)的排氣門會(huì)造成有進(jìn)排氣門同時(shí)打開的重疊情況，稱為‘氣門重疊’（Valve overlap）。發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)若能增加氣門重疊角度，將可抵消因高速運(yùn)轉(zhuǎn)而凸顯的進(jìn)氣延遲現(xiàn)象。但氣門重疊角度大的‘高轉(zhuǎn)速型凸輪’，雖然具有較佳的高轉(zhuǎn)速動(dòng)力表現(xiàn)，但在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將因?yàn)闅飧渍婵斩炔蛔慵拔胗蜌獾牧魇Ф斐扇莘e效率降低，導(dǎo)致低轉(zhuǎn)速動(dòng)力不足、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)的后遺癥。
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原理可知發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率Ne，升轉(zhuǎn)矩及比油耗ge分別由下列公式?jīng)Q定：
Ne=K1ηiηvηmn/a
Me=K2ηiηvηm/a
ge=K3/ηiηm
式中：K1,K2,K3,-常數(shù) ηm-機(jī)械效率
ηi-指示效率 n-發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
ηv-充氣效率 a-過量空氣系數(shù)
從上式可知：提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性的措施就是提高ηi、ηv、ηm、及n，減小a。過量空氣系數(shù)a同時(shí)影響排放及比油耗，根據(jù)不同目標(biāo)，要求a應(yīng)達(dá)到一定數(shù)值。提高n的同時(shí)，必須要注意提高充氣效率,后者隨著轉(zhuǎn)速的提高而下降。機(jī)械效率ηm受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及最大爆發(fā)壓力的影響,當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí),ηm基本不變. ηi受混合氣的影響,而混合質(zhì)量又受缸內(nèi)空氣渦流及紊流強(qiáng)度的影響,降低低速低負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)比油耗的措施之一,就是提高空氣流動(dòng)的渦流比,改善其混合質(zhì)量.但是如果設(shè)計(jì)比較高的進(jìn)氣道,則高速時(shí)渦流比過高又會(huì)影響充氣效率.因此必須采用可變氣門技術(shù),以滿足不同轉(zhuǎn)速需要。
圖2.1配氣相位圖
從配氣相位圖上可以看出活塞從上止點(diǎn)移到下正點(diǎn)的進(jìn)氣過程中（淺色），進(jìn)氣門會(huì)提前開啟（α）和延遲關(guān)閉（β）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功完畢，活塞從下止點(diǎn)移到上止點(diǎn)的排氣過程中（深色），排氣門會(huì)提前開啟（γ）和延遲關(guān)閉（δ）。
十分明顯，這種延長氣門開啟時(shí)間的做法，必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)進(jìn)氣門和排氣門同時(shí)開啟的時(shí)刻 “重疊階段”，可能會(huì)造成廢氣倒流。這種現(xiàn)象在發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速僅1000轉(zhuǎn)以下的怠速時(shí)候最明顯。這容易造成怠速工作不暢順，振動(dòng)過大，功率下降等現(xiàn)象。尤其是采用四氣門的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于“簾區(qū)”值大，“重疊階段”更容易造成怠速運(yùn)轉(zhuǎn)不暢順的現(xiàn)象。為了消除這一缺陷，就以“變”對(duì)“變”，采用了“可變式”的氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
發(fā)動(dòng)機(jī)上的氣門可變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以通過兩種形式實(shí)現(xiàn)，一種是凸輪軸和凸輪可變系統(tǒng)，就是通過凸輪軸或者凸輪的變換來改變配氣相位和氣門升程；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)械力或者液壓力的作用而改變，從而改變配氣門相位和氣門升程。我們選用第一種方式，它的可靠性比較高。
2.2可變氣門配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)子系統(tǒng)
圖2.2氣門升程工作圖
如圖2.2所示，主動(dòng)軸帶動(dòng)輸入凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入凸輪通過轉(zhuǎn)動(dòng)副帶動(dòng)連桿A做平面運(yùn)動(dòng)，連桿A與搖臂組成轉(zhuǎn)動(dòng)副，與控制凸輪（偏心輪）形成高副。搖臂與控制凸輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，且與連桿B形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿B與輸出凸輪形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，輸出凸輪與輸入軸（主動(dòng)軸）形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。輸入凸輪也與輸入軸形成轉(zhuǎn)動(dòng)副?？刂仆馆喰D(zhuǎn)中心與機(jī)架形成轉(zhuǎn)動(dòng)副。
此機(jī)構(gòu)實(shí)際上是個(gè)異構(gòu)體機(jī)構(gòu)，當(dāng)控制軸完成控制運(yùn)動(dòng)后它就相當(dāng)于一個(gè)固定的轉(zhuǎn)動(dòng)副，而其它部件正常工作，這就是它與其它機(jī)構(gòu)不同得一個(gè)地方，因此當(dāng)該異構(gòu)體工作時(shí)實(shí)際上就相當(dāng)于5個(gè)構(gòu)件和7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。
所以此機(jī)構(gòu)的自由度F=3×5-2×7=1
當(dāng)它起控制作用的時(shí)候它就相當(dāng)于有6個(gè)構(gòu)件，8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)高副。
它的自由度F=3×6-2×8－1=1
經(jīng)過研究它的自由度是不變的，總是1。這對(duì)控制部分來說就很方便了。
從運(yùn)動(dòng)分析可知中，可知該傳動(dòng)子系統(tǒng)有四個(gè)特殊的位置：
a.輸出凸輪在最高處 b.氣門持續(xù)開啟的開始
c.輸出凸輪在最底處（升程頂端） d.氣門持續(xù)開的啟結(jié)束
圖2.3 機(jī)構(gòu)簡圖
VEL機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)傳遞可以概括為下：
VEL系統(tǒng)傳動(dòng)裝置使控制軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，用它的轉(zhuǎn)動(dòng)角度去改變氣門升程和開啟時(shí)間。
傳動(dòng)裝置安裝于汽缸蓋尾部，控制軸桿固定于控制杠桿上由一個(gè)減速器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。減速器包括一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠。滾珠絲杠使螺母移動(dòng)，螺母上控制杠桿，帶動(dòng)控制軸旋轉(zhuǎn)。
另外使用一對(duì)錐齒輪來改變控制軸的旋轉(zhuǎn)方向，伺服直流發(fā)動(dòng)機(jī)平行作用于驅(qū)動(dòng)軸。由此避免電動(dòng)機(jī)伸出寬度超過氣缸蓋的寬度。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，一對(duì)錐齒輪帶動(dòng)滾珠絲杠軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)滾珠絲杠螺母沿絲杠做橫向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，控制軸通在控制杠桿的帶動(dòng)下，朝順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，變成降低升程/縮短氣門正時(shí)方向。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸沿反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，控制軸通在控制杠桿的帶動(dòng)下，朝逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，變成增加升程/提高氣門正時(shí)方向。
在這時(shí)候，控制軸沿著滾珠絲杠軸正向和反向運(yùn)動(dòng)。然而，控制杠桿來回的擺動(dòng)使這種運(yùn)動(dòng)被緩沖，減少了在滾珠絲杠軸上的側(cè)壓力，使?jié)L珠絲杠被壓緊。
2.3 VEL的控制系統(tǒng)
伺服直流電動(dòng)機(jī)的工作由電控系統(tǒng)是根據(jù)預(yù)先測取的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性進(jìn)行控制的。發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性是由大量臺(tái)架試驗(yàn)測出的不同工況下的配氣相位調(diào)整特性經(jīng)過優(yōu)化方法得出的不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷下的最佳配氣相位值所構(gòu)成的數(shù)據(jù)表。圖2.4是電控系統(tǒng)工作原理圖。電控系統(tǒng)主要包括控制單元、信號(hào)采集系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、外圍故障顯示和數(shù)字顯示電路?？刂茊卧?098單片機(jī)為主機(jī)，由8155接口芯片、外部存貯器、鎖存器和片選邏輯芯片等構(gòu)成；信號(hào)采集系統(tǒng)由兩個(gè)霍爾傳感器和一個(gè)節(jié)氣門開度傳感器及其信號(hào)處理電路構(gòu)成；伺服直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是以三極管為主的功率放大電路；數(shù)字顯示電路顯示控制部分的瞬時(shí)值，可顯示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、相位目標(biāo)值及當(dāng)前配氣相位值；故障顯示電路主要檢查信號(hào)采集系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)導(dǎo)電裝置是否工作正常。電控系統(tǒng)在接通電源后立即開始工作。由信號(hào)采集系統(tǒng)監(jiān)測到不同的工作參數(shù)(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等)，通過輸入接口電路送往控制單元?？刂茊卧獙?duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，再從預(yù)先測取的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性中讀取該工況下的最佳配氣相位值，并根據(jù)該值做出控制決策，發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。控制信號(hào)通過輸出接口電路和驅(qū)動(dòng)電路引導(dǎo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做出響應(yīng)。
圖2.4電控系統(tǒng)原理圖
在制取控制發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性時(shí)，作者先通過試驗(yàn)測出不同工況下的配氣相位調(diào)整特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立數(shù)學(xué)模型。由此模型給出發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)與工況及配氣相位控制參數(shù)之間的關(guān)系。然后，根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求，確定優(yōu)化準(zhǔn)則，采用一定的優(yōu)化方法，求出各種工況下使發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的配氣相位，并得到相應(yīng)的控制發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性。配氣相位是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的函數(shù)?？刂栖浖鶕?jù)傳感器測得的模擬量和數(shù)字量，從發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性中查取相應(yīng)的配氣相位值?？刂栖浖捎媚K化結(jié)構(gòu)，將常用的程序塊獨(dú)立編成一系列子程序，以調(diào)用的形式取用，可大大提高程序運(yùn)行速度，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。主程序進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式的判斷、發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整特性查尋、控制決策和控制量輸出；轉(zhuǎn)速和相位測量模塊用于測量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和凸輪軸當(dāng)前相位；模擬量采樣模塊用于測量節(jié)氣門開度；相位調(diào)整模塊用于計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行步數(shù)，并對(duì)伺服直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行修正：伺服直流電動(dòng)機(jī)控制模塊用于正確地分配脈沖，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按要求進(jìn)行工作；故障顯示模塊用于檢查控制部分工作是否正常，并給故障顯示電路發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)；數(shù)字顯示模塊用于讀取并向數(shù)字顯示電路發(fā)送各控制參數(shù)的瞬時(shí)值。
2.4簡介汽車氣門系統(tǒng)中的凸輪機(jī)構(gòu)
人類對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的使用要追朔到18世紀(jì)，但是，直到19世紀(jì)末，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)還未曾有過詳細(xì)歷史記載的系統(tǒng)研究。隨著人類文明的進(jìn)步和工業(yè)化的逐步發(fā)展，對(duì)高效的自動(dòng)機(jī)械的需求大大增加．特別是在內(nèi)燃機(jī)誕生之后，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的機(jī)械逐漸增多，大大提高了人們對(duì)凸輪機(jī)械的重視程度。隨著內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力機(jī)械的逐漸普及和發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的特性對(duì)工作性能的影響逐步被認(rèn)識(shí)。到了20世紀(jì)初，隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，凸輪機(jī)構(gòu)的研究受到廣泛重視。在20世紀(jì)40年代以后，由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速增加，配氣凸輪乃至配氣系統(tǒng)引起的故障日益增多，人們開始了對(duì)配氣凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究．研究的方法也從經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)過渡到有理論依據(jù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的分析研究．從20世紀(jì)40年代以來，有關(guān)凸內(nèi)輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的理論研究為凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。隨著計(jì)算技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，解析化的數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)方法逐步得到了發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造技術(shù)也逐步得到了應(yīng)用。
在氣門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，凸輪的設(shè)計(jì)是核心內(nèi)容。氣門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要讓進(jìn)氣愈多，排氣愈干凈。除了氣門正時(shí)外，氣門尺寸、升程、加速曲線都會(huì)影響進(jìn)排氣效率。這些因素乃是由凸輪軸（Cam Shift）的凸輪形狀及凸輪軸與曲軸的相對(duì)位置所控制。凸輪的形狀是以一圓為基礎(chǔ)，稱為‘基圓’，并由氣門的開啟角度及關(guān)閉角度的1/2決定開啟點(diǎn)及關(guān)閉點(diǎn)（凸輪的轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的1/2），在決定升程之后，凸輪的基本雛形就已出現(xiàn)，最后還要根據(jù)氣門加速曲線的需求修正凸輪的輪廓。氣門全開時(shí)與關(guān)閉時(shí)的高度差就稱為‘升程’（Lift），也可說是凸輪的基圓的中心到凸峰（凸輪上距離回轉(zhuǎn)中心最遠(yuǎn)的點(diǎn)）的距離減掉基圓的半徑所得的值。而氣門開始動(dòng)作到完全打開或關(guān)閉所需的時(shí)間長短與凸輪軸角度的關(guān)系稱為‘氣門啟閉加速度’，以圖形表現(xiàn)就成為‘氣門啟閉加速曲線’。而發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率正可由氣門升程與凸輪角度所構(gòu)成的曲線圖形來判斷。曲線下所圍成的面積越大則容積效率越高。 當(dāng)氣門尺寸及氣門正時(shí)不變時(shí)，氣門急開急閉可得到最佳的容積效率（也就是提高氣門加速度），當(dāng)然最好是瞬間打開或關(guān)閉，但這在考慮對(duì)氣門座的沖擊力及受到傳統(tǒng)凸輪系統(tǒng)的先天限制（必須以圓弧面接觸以維持機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)之順暢），并不可能達(dá)成。此外適度的提高氣門升程也可提高容積效率。
2.5簡介直流電機(jī)、滾珠絲杠與圓錐齒輪的特性和選擇
使物體運(yùn)動(dòng)時(shí),一般來講需要將動(dòng)力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)部件直線運(yùn)動(dòng)，這就能用到滾珠絲杠。在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),由于要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的進(jìn)排氣的可變性,這能通過一個(gè)伺服直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一單級(jí)圓錐齒輪減速器,再通過ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件)和位置傳感器來控制滾珠絲杠的運(yùn)動(dòng),從而來帶動(dòng)控制軸的運(yùn)動(dòng),達(dá)到氣門正時(shí)及升程的可變性。
為了提高響應(yīng)，在這個(gè)系統(tǒng)中用了低摩擦的滾珠絲杠。另外使用一對(duì)錐齒輪來改變控制軸的旋轉(zhuǎn)方向，直流電動(dòng)機(jī)平行作用于驅(qū)動(dòng)軸。
為了使變換響應(yīng)能達(dá)到令人滿意的效果，除要利用滾珠絲杠外，另一種設(shè)備被并入這種控制方式?？紤]到減速器的傳遞速度和控制軸的轉(zhuǎn)矩,通過控制軸后會(huì)產(chǎn)生變化。根據(jù)控制軸位置的變化，一種用來控制控制軸的位置的計(jì)算機(jī)操作裝置被運(yùn)用上來.（在2.3節(jié)中有說明）由于此系統(tǒng)只起控制作用，它所需要的功率是很小的，因此，使用最大輸出率為100W的低輸出直流發(fā)動(dòng)機(jī)是可行的，它能使達(dá)到良好響應(yīng)時(shí)的動(dòng)能消耗減少。
由此，可以判斷現(xiàn)在控制軸緊隨著指定位置的變化而變化，這就要求盡量用電動(dòng)機(jī)負(fù)載來控制而不是使用節(jié)流閥。
由于曲線齒錐齒輪，又很高的傳動(dòng)速度，還由于輪齒嚙合的重疊作用，曲線齒錐齒輪比直齒錐齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)要平穩(wěn)的多。曲線齒錐齒輪在節(jié)圓錐上齒線為曲線，輪齒嚙合緩慢的開始，從一端到另一端連續(xù)平穩(wěn)的進(jìn)行。所以選用曲線齒錐作為改變方向的傳動(dòng)部件。設(shè)計(jì)圓錐齒輪首先必須知道齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件，即額定功率、啟動(dòng)扭矩、載荷作用方式、過載和沖擊條件、潤滑方式、運(yùn)轉(zhuǎn)溫度、速比、轉(zhuǎn)速及所要求的運(yùn)轉(zhuǎn)精度等一切與運(yùn)轉(zhuǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)。根據(jù)這些條件，可以得出所用齒輪的尺寸。
這是一個(gè)高精密的控制系統(tǒng)，所以使用高精度的滾珠絲杠來作為精確移動(dòng)控制部件。使用2、3級(jí)滾珠絲杠的特點(diǎn)：高導(dǎo)程精度，超靜音，低起動(dòng)扭矩及高順暢，高效率及可逆性，零背隙及高剛性。根據(jù)使用范圍及要求將滾珠絲杠副分為定位滾珠線杠副（P）、傳動(dòng)滾珠絲杠副（T），精度分為七個(gè)等級(jí)，即1、2、3、4、5、7、10級(jí)。1級(jí)精度最高，依次逐漸降低。根據(jù)我們的需要，根據(jù)以上條件選擇合適的滾珠絲杠。
3 伺服直流電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1伺服直流電動(dòng)機(jī)用途特點(diǎn)及其技術(shù)參數(shù)
SY、SZ系列直流伺服電動(dòng)機(jī)，分別系永磁式和電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)具有體積小、重量輕、伺服性能好、力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，亦可作驅(qū)動(dòng)元件。
SZ系列直流伺服電動(dòng)機(jī)系電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，可用作中、大功率直流伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。該系列直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度較好，調(diào)速范圍廣，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行穩(wěn)定，且體積小、重量輕，力能指標(biāo)高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較牢固。 如下圖
圖3.1 直流伺服電動(dòng)
對(duì)于VEL裝置，我們需要電動(dòng)機(jī)是能夠正反轉(zhuǎn)的并且體積小容易安裝，我所選用的是90SZ53型直流伺服電動(dòng)機(jī)它的具體參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)矩/：0.481；轉(zhuǎn)速/：3000；
功率/W：150；
電壓/V（電樞&勵(lì)磁）：110；
電流/A（不大于）電樞2.00、勵(lì)磁0.23；
容許順逆差轉(zhuǎn)速/：200
外形尺寸(mm)：?90×145
出軸尺寸(mm)：?8×16
3.2伺服直流電動(dòng)機(jī)使用條件
環(huán)境溫度：-40oC～60oC; 相對(duì)濕度：95%（20oC時(shí)）；
海 拔：不超過2500m； 振 動(dòng)：頻率10HZ，雙振幅 2.8mm±0.4mm
沖 擊：100次/min，加速度68.6m/
允許溫度：不超過75oC 工作制度：連續(xù)
電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)不大于30ms。電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)電壓4V。
3.3伺服直流電機(jī)的外型和安裝尺寸
選定電機(jī)型號(hào)之后，可以在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查到具體的外型和安裝尺寸，具體如下：顯示于圖3-2,以下參數(shù)單位都為(mm)
型號(hào)：90SZ51-54
Nh7=70h2=6 h3h12=3
M=76 P=92
SH13=6.6 D1=95
L=147 Dh6=8
E=16 l4=18
F=2 Gh11=5.2
Dh11=10 D2h6=6
E2=14 l12=16
F1=2 G2h11=4.3
D2H11=7
圖3.2 90SZ53型直流伺服電動(dòng)機(jī)的外形尺寸
4 圓錐齒輪的選擇與設(shè)計(jì)
4.1圓錐齒一般設(shè)計(jì)步驟與特點(diǎn)
4.1.1 圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)步驟
?? 1) 簡化設(shè)計(jì)：根據(jù)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)功率、輸入轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)比等條件，確定小輪大端分度圓直徑等主要參數(shù)。如果分度圓直徑已知，可跳過這一步。
?? 2) 幾何設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)和計(jì)算齒輪的基本參數(shù)，并進(jìn)行幾何尺寸計(jì)算。
?? 3) 強(qiáng)度校核：在基本參數(shù)確定后，進(jìn)行精確的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度校核。
?? 4) 如果校核不滿足強(qiáng)度要求，可以返回2)，修改參數(shù)，重新計(jì)算。
4.1.2 圓錐齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)
? 1) 圓錐齒輪用于軸線相交的兩軸間的傳動(dòng)，能靈活地改變傳動(dòng)方向。
?? 2) 當(dāng)量圓柱齒輪概念的引入，方便了圓錐齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算及對(duì)某些問題的研究。
?? 3) 采用假想平面齒輪的嚙合作為切齒原理與計(jì)算的依據(jù)。
4.2圓錐齒輪的初步設(shè)計(jì)
4.2.1圓錐齒輪初步選擇與參數(shù)
我選用弧齒錐齒輪，因?yàn)樗饕梢杂糜诟咚賯鲃?dòng),兩錐齒輪軸線交角為90o，能改變其運(yùn)動(dòng)方向。主要作用在2.5部分有詳細(xì)說明。材料為15CrNi8，要經(jīng)過滲碳淬火，磨齒后達(dá)到5級(jí)精度。它的主要特點(diǎn)有：
1） 齒線是一段圓弧。
2） 齒形較復(fù)雜，制造較難。
3） 承載能力高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲小
4） 齒面局部接觸，裝配誤差及輪齒變形對(duì)偏載的影響不顯著。
5） 軸向力大，其方向與齒輪的轉(zhuǎn)向有關(guān)。
應(yīng)用范圍：多用于大載荷，周速v>5m/s或轉(zhuǎn)速n>1000r/min，要求噪聲小的傳動(dòng)。磨齒后可用于高速傳動(dòng)。
它的一些具體參數(shù)如下：
弧
齒
齒制
變位方式
齒高種類
格里森
20o
0.85
0.188
35o
徑向+切向變位
等頂隙收縮齒
表4.1格里森弧齒錐齒輪齒廓
：齒形角；法向壓力角 ：頂隙系數(shù)
：齒頂高系數(shù) ：齒寬中點(diǎn)分度圓螺旋角。
由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為5000可知，主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)為它的一半2500，因此我們可以假設(shè)控制軸的轉(zhuǎn)速和主動(dòng)軸的一樣，（實(shí)際上控制軸只控制輸入凸輪擺動(dòng)的大小從而控制氣門升程，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周輸入凸輪擺動(dòng)一個(gè)來回，控制軸也是靠擺動(dòng)一定的角度完成控制的，它的擺角為0o到120o，它的轉(zhuǎn)速是很小的，但是滾珠絲杠的螺桿是高速轉(zhuǎn)動(dòng)以帶動(dòng)控制軸快速反應(yīng)）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000，所以可以確定傳動(dòng)比u=3000/2500=1.2。
4.2.2確定小輪的大分度圓直徑
齒輪的許用接觸應(yīng)力 取=1.1
根據(jù)所選材料和齒輪的熱處理過程，達(dá)到中等要求我們?nèi)。?
＝1.1 ＝1500N/mm2(合金滲碳剛經(jīng)淬火)
=1500/1.1=1363.6N/ mm2
de1≥
∴ K－載荷系數(shù) K＝1.2～1.8 取1.5
小輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩為：T1=0.481N·M
u為傳動(dòng)比由上文知為1.2
K為載荷系數(shù) K=1.2～1.8 取1.5
∴de1≥11.3mm
4.2.3幾何計(jì)算
確定齒數(shù)、模數(shù)、大端分度圓直徑
∵ U=1.2 齒輪齒數(shù)必須互質(zhì)。兩齒輪的傳動(dòng)是精密傳動(dòng)所以齒數(shù)應(yīng)該比較多，以利于整個(gè)VEL系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
∴ 我們可以初步確定齒輪的齒數(shù)：Z1=32 Z2=39
me=1～50 我取1.25
de1=32×1.25=40>11.3mm
de2=39×1.25=48.75mm
分錐角 δ1=arctan(32/39)= 39.4o δ2=90o-δ1=50.6o
外錐距 Re=de1/2sinδ1=20/sin40.1o=31.51mm
齒寬 （齒寬系數(shù)ΦR取0.3）
齒寬 b=ΦR·Re=0.3×31.51=9.453≈9.5（取整）
中點(diǎn)模數(shù) mm=me（1-0.5ΦR）=1.25×0.85=1.0625mm
切向變位系數(shù) xt=0
徑向變位系數(shù) x1= -x2=0.14 （查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得出）
中點(diǎn)法向模數(shù) mnm= mmcos=1.0625×cos35o=0.87mm
齒形角 =20o
齒頂高 ha=（+x）me ＝0.85
∴ ha1=1.2375mm ha2=0.8875mm
齒根高 hf=（+-x）me =0.188
∴ hf1=1.1225mm hf2=1.4725mm
頂隙 c=c*me=0.188×1.25=0.235mm
齒頂角 θɑ ∵ 是等頂隙收縮齒
∴ θɑ1=θf2 θɑ2=θf1
齒根角 θf1=arctan(hf1/Re)=arctan(1.1225/31.51)=2.04o
θf2= arctan(hf2/Re)= arctan(1.425/31.51)=2.676o
頂錐角 δɑ ∵是等頂隙收縮齒
∴δɑ1=δ1+θf2=39.4o+2.676 o=42.076 o
δɑ2=δ2+θf1=50.6 o+2.04 o=52.64 o
根錐角 δf1=δ1-θf1=39.4 o-2.04 o=37.36
δf2=δ2-θf2=50.6 o-2.676 o=47.924o
大端齒頂圓直徑
dae1=de1+2ha1cosδ1=40+2×1.2375cos39.4o=41.93mm
dae2=de2+2ha2cosδ2=48.75+2×0.8875cos50.6o=49.877mm
中點(diǎn)法向齒厚 βm＝35o
smn1=（0.5Лcosβm+2x1tanɑn + xt1）mm=1.475mm
smn2=Лmmcosβm- smn1=5.46856-2.92=1.26mm
中點(diǎn)法向齒厚半角
Ψmn1=0.0225 Ψmn2=0.0131
中點(diǎn)齒厚角系數(shù) kΨmn=1-Ψ2mn/6
∴ kΨmn1=0.9999 kΨmn2≈1
中點(diǎn)分度圓弦齒厚
1.4748mm mm
中點(diǎn)分度圓弦齒高
1=ha1-0.5btanθf2+0.25=1.0175mm
2=ha2-0.5btanθf1+0.25=0.722mm
切齒刀盤直徑 Dd=50.8mm
當(dāng)量齒數(shù)
∴Zv1=75.33 Zv2=111.78
對(duì)曲線齒來說他的重合度有軸向重合度εβ和端面重合度εα ：
εβ≈btanβm/(Лmm) ≈1.993
當(dāng)βm=35o;αn=20o端面重合度εα可以查表得 ：
εα1=1.075; εα2=1.175; k=0.709
εα=k(εα1+εα2) ≈1.6
總重合度 εγ=
任意點(diǎn)螺旋角 βx sinβx =
Rx—任意點(diǎn)的錐距，大端為Re，中點(diǎn)為Rm
4.3 齒輪的強(qiáng)度校核
4.3.1 齒輪的接觸強(qiáng)度校核
由于圓錐齒輪的強(qiáng)度計(jì)算是按（機(jī)械原理中當(dāng)量齒輪是按大端背錐展開的，但強(qiáng)度計(jì)算時(shí)考慮載荷作用于中點(diǎn)）,所以是安齒寬中點(diǎn)背錐展開的當(dāng)量直齒圓柱齒輪進(jìn)行的，所以要了解的參數(shù)包括當(dāng)量齒輪的參數(shù)，齒數(shù)比μ，錐頂距R，大端分度圓直徑d1，d2（平均分度圓直徑dm1，dm2），齒數(shù)Z1、Z2，大端模數(shù)m，b—齒寬等。
計(jì)算接觸應(yīng)力σH必須小于等于許用接觸應(yīng)力σHP才能達(dá)到要求。
σH=σHP
分度圓的切向力 Ft=2000T1/dm1
dm1=de1(1-0.5ΦR)=40×0.85=34mm
Ft =2000×0.481/34=28.29N
使用系數(shù) KA=1.25 （查表得）
動(dòng)載荷系數(shù) Kv=
因?yàn)辇X輪是5級(jí)精度，所以K1查表后得K1=5.48
Vm為齒寬中點(diǎn)的圓周速度m/s
Vm=Лdmn/60=5.34m/s
∴ Kv =3.305
載荷分布系數(shù) 1.5×1.25=1.9
載荷分配系數(shù) KHα=1.2 （查表得）以下相同
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) =2.125
彈性系數(shù) =189.8N/mm2
重合度系數(shù)（）螺旋角系數(shù)（）
∵ ＝0.767 ＝≈0.905
∴ ＝≈0.7
錐齒輪系數(shù) ZK ＝1
計(jì)算結(jié)果 σH ＝317.34
許用接觸應(yīng)力 σHP＝
最小安全系數(shù) SHlim=1.1
壽命系數(shù) ∵是長期工作
∴＝1
潤滑油膜影響系數(shù) ZLVR＝0.985
尺寸系數(shù) Zx＝1
工作硬化系數(shù) Zw＝1
∴許用應(yīng)力 σHP＝1343N/mm2
結(jié)論 σH<σHP 通過
4.3.2 抗彎強(qiáng)度校核
彎曲強(qiáng)度校核公式： Mpa
復(fù)合齒形系數(shù)按當(dāng)量齒數(shù)ZV=Z/cosδ查設(shè)計(jì)手冊得：
YFs1= 4.19 ,YFS2=4.15
重合度和螺旋角系數(shù) ≈0.52
載荷系數(shù)：K＝ 、、、
——工作情況系數(shù) ——初載荷系數(shù)
——齒向載荷分布系數(shù) ——齒間載荷分配系數(shù)
1、工作情況系數(shù)KA
考慮了齒輪嚙合時(shí)，外部因素引起的附加動(dòng)載荷對(duì)傳動(dòng)的影響，它與原動(dòng)機(jī)與工作機(jī)的類型與特性，聯(lián)軸器類型等有關(guān)
2、動(dòng)載荷系數(shù)KV——考慮齒輪制造誤差和裝配誤差及彈性變形等內(nèi)部因素引起的附加動(dòng)載荷的影響
主要影響因素：
1）齒輪的制造精度Pb1≠Pb2；
a）當(dāng)Pb2>Pb1時(shí),后一對(duì)齒輪未進(jìn)入嚙合區(qū)就開始接觸，產(chǎn)生動(dòng)載荷（∵此時(shí)過接觸點(diǎn)作齒廓的公法線與連心線交點(diǎn)P’(節(jié)點(diǎn))與P不重合，這樣使實(shí)際的）→措施：從動(dòng)輪2齒頂修緣，使齒輪2在齒頂處P'b2
Pb2時(shí)；如圖9-8，則前一對(duì)齒將脫開嚙合時(shí)，后一對(duì)齒雖已進(jìn)入嚙合區(qū)，但尚未接觸，而要待前一對(duì)齒離開正確嚙合區(qū)一段距離后，后一對(duì)齒才開始嚙合→產(chǎn)生齒腰（中間）沖擊→措施：主動(dòng)輪1齒頂修緣（虛線齒廓），延長一對(duì)齒的嚙合時(shí)間
2）圓周速度V。
降低KV措施：1）提高齒輪制造安裝精度；2）減小V（減小齒輪直徑d）；3）齒頂修緣。
注意：修緣要適當(dāng)，過大則重合度下降過大。
一般高速齒輪和硬齒面齒輪應(yīng)進(jìn)行修緣，但修緣量與修緣的曲線確定則比較復(fù)雜。
3、齒向載荷分布系數(shù)——考慮軸的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形、軸承、支座彈性變形及制造和裝配誤差而引起的沿齒寬方向載荷分布不均勻的影響。影響因素：
1）支承情況：對(duì)稱布置，好；非對(duì)稱布置，↓；懸臂布置，差。
2）齒輪寬度b b↑ ， ↑。
3）齒面硬度，硬度越高，趙易偏載，齒面較軟時(shí)有變形退讓。
4）制造、安裝精度——精度越高，越小。
減小措施：1）提高制造安裝精度；2）提高支承剛度，盡量避免懸臂布置；3）采用鼓形齒；4）螺旋角修形——沿小齒輪齒寬進(jìn)行修形，以補(bǔ)償由于軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形引起的嚙合線位置的改變。
分：
1）——用于齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算，與精度等級(jí)、齒面硬度、支承布置有關(guān)，齒寬系數(shù)，=b/d
2）——用于齒根變曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算，按和b/h之比值， b—齒寬，h—齒高。
4、齒間載荷分配系數(shù)——考慮同時(shí)有多對(duì)齒嚙合時(shí)各對(duì)輪齒間載荷分配不均勻的系數(shù)。
影響因素：嚙合剛度，基圓齒距誤差（Pb），修緣量，跑合程度等。
分：
1）KHα——齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算用
2）——齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算用 可查設(shè)計(jì)手冊
其余項(xiàng)同前，并
計(jì)算結(jié)果 ＝41.32 N/mm2
=YFS2/ YFs1=40.93 N/mm2
許用抗彎應(yīng)力
壽命系數(shù) YN＝1 長期工作
相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù) YδrelT =1
相對(duì)齒根圓角表面狀況系數(shù) YRrelT =1
尺寸系數(shù) Yx =1
最小安全系數(shù) SFlim=1.4
齒根基本強(qiáng)度 σFE =450 N/mm2
所以可以求得 σFP=321.43 N/mm2
結(jié)論 σF1 <σFP ; σF2>σFP2 通過，
∴ 設(shè)計(jì)圓錐齒輪合格
齒輪的具體尺寸及說明圖見附錄圖1
4.4 圓錐齒輪減速器箱體及其零件的設(shè)計(jì)
4.4.1齒輪箱體的裝配與零部件的選擇
圓錐齒輪減速器采用一級(jí)圓錐齒輪組成，輸出軸可以雙向旋轉(zhuǎn).在齒輪軸上我們對(duì)兩軸各選用一對(duì)角接觸軸承。
選角接觸軸承也有它的特點(diǎn)，它主要承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨(dú)承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對(duì)使用。承受軸向載荷的能力由接觸角α決定。對(duì)于大齒輪軸我選用一對(duì)7003C角接觸軸承，對(duì)于小齒輪軸我選用一對(duì)7001C角接觸軸承，它的具體尺寸見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。
其中滾珠絲杠的一端是直接與兩個(gè)錐齒輪中的一個(gè)相連接，在套入齒輪的軸的端部用兩個(gè)M4六角螺栓軸固定于齒輪的一端。而另一個(gè)齒輪上的軸需要用彈性連軸器與電動(dòng)機(jī)上的軸相連接。
對(duì)于齒輪箱體內(nèi)圓錐齒輪的定位要用一個(gè)特制的八角孔螺栓,它的直徑為45mm,用它把大錐齒輪定位好后,在用一個(gè)緊定螺釘,將它卡死,這樣可以防止其在工作的時(shí)候脫落,緊定螺釘?shù)哪┒诵螤?常用的有錐端、平端和圓柱端。。因?yàn)殄F端適用于被緊定的零件的表面硬度較低或不經(jīng)常拆卸的場合；平端接觸面積大，不傷零件表面，常用與預(yù)緊硬度較大的平面或經(jīng)常拆卸的場合；圓柱端壓入軸上的凹坑中，適用于緊定空心軸上的零件位置。所以我選用圓柱端，八角孔螺栓的材料為合金鋼（35CrMo,淬火并回火，強(qiáng)度和韌性都好）。緊定螺釘?shù)闹睆綖?mm，保證轉(zhuǎn)矩為5N·M。
具體裝配齒寸見附錄圖2。
4.4.2與齒輪配合的軸的選擇與設(shè)計(jì)
連接齒輪減速器的軸是直軸，直軸按受載情況的不同又可以分為①轉(zhuǎn)軸，同時(shí)受彎矩，有時(shí)還受較大的軸向力作用；②心軸，只受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩很小；③傳動(dòng)軸，主要受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩或彎矩很小。我們選用的是轉(zhuǎn)軸，選用實(shí)心軸。軸的材料應(yīng)滿足強(qiáng)度剛度耐磨性，耐腐性等方面的要求。設(shè)計(jì)軸市時(shí)應(yīng)按照經(jīng)濟(jì)、合理、適用的原則，根據(jù)具體情況選用材料。
對(duì)于強(qiáng)度高、尺寸與質(zhì)量小或有其它特殊要求的軸，可采用合金鋼，我們選用45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼材料，它耐磨性好，可以適應(yīng)高速工。合金鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性高，而45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)我們可以通過熱處理或化學(xué)熱處理辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。它的熱處理過程為正火。
它軸頸的精度為0.8，它與齒輪鍵與鍵槽的配合代號(hào)為，用手錘打入，有不大的過盈量，同軸度好，能保證配合的緊密性，加工方法應(yīng)該精車或磨削。由于齒輪的精度為級(jí)，所以軸上安裝圓錐齒輪除處的徑向園跳動(dòng)為2IT4。
軸上鍵的確定：與小齒輪配對(duì)的軸上的鍵用C型鍵，位于軸端，普通平鍵應(yīng)用最廣，也適用于高精度、高速度、或承受變載、沖擊的場合。它靠側(cè)面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩。對(duì)中性良好，裝拆方便。不能實(shí)現(xiàn)軸向固定。
與小齒輪配對(duì)的軸上的鍵用A型鍵
它的具體尺寸見附錄圖2。
5 滾珠絲杠的選擇與設(shè)計(jì)
5.1對(duì)滾珠絲杠的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)說明
5.1.1滾珠絲杠的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)
為了提高VEL控制系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差。因此，形成不太長的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠副。它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1）摩擦阻力小傳動(dòng)效率高，其傳動(dòng)效率高達(dá)85%-98%，是普通滑動(dòng)絲杠副的2-4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不自鎖。如果滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)升降運(yùn)動(dòng)或類似運(yùn)動(dòng)，則必須有制動(dòng)裝置。
2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造較難。
3）運(yùn)行平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)無顫動(dòng)，低速時(shí)無爬行。
4）具有傳動(dòng)的可逆性，為了避免受載后逆轉(zhuǎn)，應(yīng)設(shè)置防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
5）工作壽命長，不宜發(fā)生故障。
6）耐沖擊性較差。
7）螺母和螺桿經(jīng)調(diào)整預(yù)緊可得較高的定位精度和重復(fù)定位精度，滾珠絲杠的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)際上幾乎沒有什么差別。它可以消除反向間隙并施加預(yù)載，有助于提高定位精度和剛度。
它的設(shè)計(jì)說明：
1）滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)是在螺桿和螺母的滾道之間放入滾動(dòng)體，使螺桿與螺母之間由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的螺旋傳動(dòng)。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（或螺母），滾動(dòng)體沿螺紋滾道滾動(dòng)，并促使螺母（或螺桿）作直線運(yùn)動(dòng)。
? 2）在螺母或螺桿上設(shè)有滾動(dòng)體返回裝置，使?jié)L動(dòng)體沿滾道面運(yùn)動(dòng)后能自動(dòng)返回其入口處，形成循環(huán)回路，從而不斷地參與工作。在螺母上設(shè)置滾動(dòng)體返回裝置的稱為外循環(huán)式，在螺桿上設(shè)置滾動(dòng)體返回槽的稱為內(nèi)外循環(huán)式。
? 3）設(shè)計(jì)步驟：按照設(shè)計(jì)可以直接進(jìn)入滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)幾何計(jì)算，在幾何計(jì)算中選取各個(gè)參數(shù)，在選取參數(shù)時(shí)可以進(jìn)入?yún)?shù)選擇頁面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的選擇；也可以直接進(jìn)入?yún)?shù)選擇頁面，在查詢到設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后進(jìn)入幾何計(jì)算；最后的步驟是進(jìn)入精確校核，可按照計(jì)算要求進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)校核。
5.1.2設(shè)計(jì)的滾珠絲杠的主要作用
發(fā)動(dòng)機(jī)中電機(jī)的運(yùn)動(dòng)通過傳動(dòng)裝置使控制桿產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，用它的旋轉(zhuǎn)改變升程和開啟時(shí)間。傳動(dòng)裝置安裝于汽缸蓋尾部，控制桿固定于控制軸上，由一個(gè)減速器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。減速器包括一個(gè)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠。滾珠絲杠啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩要求小，并且精度也比一般的滑動(dòng)絲杠高幾級(jí)，選用低摩擦的滾珠絲杠的目的是為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。
5.2滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與選擇
5.2.1滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)類型
各種類型的滾珠絲杠副的絲杠，除除螺紋滾道的截面形狀有所不同外，其基本結(jié)構(gòu)是相同的；滾珠絲杠的螺母，除螺紋滾道的截面形狀有所不同外，其結(jié)構(gòu)還與滾珠循環(huán)方式、預(yù)緊方式有關(guān)因此形成了不同的滾珠絲杠副。
從螺紋滾道法向截面的形狀來看，它可分為：單圓弧、雙圓弧等。
圖5.1單圓弧螺紋滾道
從滾珠的循環(huán)方式來看可分為：內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)。
從預(yù)緊方式來看可分為：雙螺母墊片式、雙螺母螺紋式、雙螺母齒差式，單螺母變位式、單螺母、大球式等。
我所選用的是單圓弧螺紋滾道、外循環(huán)的滾珠絲杠。
圖5.2滾珠絲杠
我們可