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本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 題 目 基于本田可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書 系 別 機械工程系 　 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化技術(shù) 學(xué)生姓名 　 學(xué) 號 100920508 　 年級 2011級 指導(dǎo)教師 　 二0一四 年 四 月 三十 日 29 基于本田可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書 專業(yè)； 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生： 指導(dǎo)老師： 摘 要 汽油機可變氣門技術(shù)作為一種性價比相當(dāng)高的技術(shù)方案，得到了廣泛的應(yīng)用。特別是近幾年由于油價的攀升和日趨嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，可變配氣機構(gòu)對節(jié)省燃油、降低廢氣污染、提高發(fā)動機功率都有顯著作用。 本論文針對廣泛用于現(xiàn)代轎車用汽油機最新技術(shù)完全可變氣門驅(qū)動機構(gòu)本田發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、原理方面的技術(shù)分析，以及對本人的新設(shè)計思路進行淺析。主要研究內(nèi)容包括： 1.對以本田為代表的日系轎車完全可變氣門技術(shù)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析，從而進一步的了解可變氣門技術(shù)； 2.對以本田VTEC為代表的日系轎車可變氣門技術(shù)的結(jié)構(gòu)和工作原理進行分析； 3.對本人設(shè)計的凸輪軸設(shè)計圖、工作原理進行淺析，比較和現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點。 本文通過對本田VTEC可變氣門技術(shù)進行分析，以及新式凸輪軸的思維方向，進而對未來發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展趨勢進行一定的探索。 關(guān)鍵詞：發(fā)動機，可變氣門技術(shù)，凸輪軸，新技術(shù) Honda VTEC camshaft valve structure design specifications based on Major: Studuent: Supervisor absraote Thegasolineenginevariablevalvetechnologyasacost-effectivequitehightechnicalscheme,beenwidelyused.Especiallyinrecentyearsbecauseofrisingoilpricesandincreasinglystrictenvironmentalprotectionlawsandregulations,variableofvalve-trainsavingfuelandreduceexhaustpollutionandincreaseenginepoweraresignificantly.Widelyusedinthispaperwiththelatesttechnologyofmoderncarengine-totallyvariablevalvedrivingmechanismVVABMWnewseriesengine,ToyotaVTEC-Iengineofthestructure,principleandtechnicalanalysis,thenewdesignideaofmybai.Themainresearchcontentsinclude: 1.ToBMWcompletelyvariablevalvetechnicalstructureandworkingprincipleofcarryontheanalysis,thusfurtherunderstandingofvariablevalvetechnology; 2.TheHondaVTECvariablevalvestructureandworkingprincipleoftechnologyanalysis; 3.Tomydesigncamshafts,comparisonandtheguide-subjectadvantagesanddisadvantagesofexistingtechnology. ThisarticlethroughtoHonda newenginecompletelyvariablevalvetechnology,HondaVTECvariablevalvetechnologieswereanalyzed,andthenewcamshaftthinkingdirection,andthentothedevelopmenttrendoffutureenginetechnologyforcertainexploration. Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat food consisting mainly of minced required. Keyword:Eengine,Variablevalvetechnology,TheCamshaft,NewTechnology 目錄 摘要..........................................................................................................2 Abstract................................................................................................2 第一章 引言...........................................................................................3 1.1 課題的研究背景和意義.......................................................................4 1.2可變氣門配氣機構(gòu)的國內(nèi)外研究概況.....................................................4 1.3可變氣門配氣機構(gòu)簡介.........................................................................4 1.3.1可變氣門配氣機構(gòu)的分類...............................................................5 1.3.2可變氣門配氣機構(gòu)的特點...............................................................5 1.3.3可變氣門配氣機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖.........................................................6 1.4可變氣門配氣系統(tǒng)的工作原理.............................................................6 第二章可變配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計..............................................7 2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖.................................................................................9 2.2 可變配氣凸輪軸的設(shè)計......................................................................10 2.2.1 可變配氣凸輪軸的作用...............................................................11 2.2.2 可變配氣凸輪軸的工作原理.......................................................12 2.2.3傳統(tǒng)凸輪軸與新式凸輪軸的比較.................................................13 第三章排氣凸輪軸的設(shè)計................................................................18 3.1 排氣凸輪軸簡介...............................................................................20 3.2 凸輪軸在汽車發(fā)動機中的作用和用途..................................................25 3.3 凸輪軸的分類..................................................................................25 3.4 凸輪軸的傳動原理............................................................................25 3.5 凸輪軸常見的故障............................................................................26 3.6 凸輪軸的生產(chǎn)技術(shù)............................................................................26 結(jié)論........................................................................................................27 致謝........................................................................................................28 參考文獻................................................................................................29 第一章 引言 1.1課題的研究背景和意義 能源與環(huán)境問題是目前汽車工業(yè)所面臨的兩個問題?，F(xiàn)代高科技的發(fā)展已 將汽車發(fā)動機的節(jié)能、減排、低排放作為“節(jié)能-高效-環(huán)?！币惑w化課題進行綜合研究和技術(shù)開發(fā)。為了同時提高汽油機的燃油經(jīng)濟性和動力性,滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,世界各大公司竟相采用新技術(shù)裝備其生產(chǎn)的轎車。另一方面，隨著生活水平的提高和產(chǎn)品的升級以及技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車的動力性、舒適性的要求卻在不斷的提高。要求在滿足公益目標(biāo)的前提下，以低的成本獲 得快捷的交通便利，享受到駕駛樂趣。因此，二十一世紀(jì)符合市場需求的應(yīng)當(dāng) 是節(jié)能、環(huán)保、高性能的汽車。 針對這種現(xiàn)狀，發(fā)動機可變氣門技術(shù)作為一種性價比相當(dāng)高的技術(shù)方案， 近年來在對發(fā)動機的高效率化、降低油耗、提高性能和降低尾氣排放的要求越 來越高的情況下，作為手段之一的可變配氣機構(gòu)正逐步商業(yè)化。眾所周知，傳 統(tǒng)發(fā)動機配氣機構(gòu)的氣門運行參數(shù)（氣門開啟相位、氣門開啟持續(xù)角度和氣門 升程）是固定不變的，參數(shù)的確定取決于設(shè)計的工況點。因此，傳統(tǒng)發(fā)動機, 往往將氣門正時設(shè)計成高速全負(fù)荷工況最為有利,以便求得最大的標(biāo)定功率。近年來由于更注重油耗和排放，就必須考慮小負(fù)荷的工況，因為小負(fù)荷的工況對排放的影響最大。這樣，這兩個工況范圍對氣門運行參數(shù)的要求甚至是矛盾的， 因此需要綜合發(fā)動機的全部工況，采取一種折衷的處理方式來確定這些參數(shù)， 長期以來，這些這衷可能被認(rèn)為是可靠的，可行的，但是，隨著“高效、低能 耗、低排放”的要求不但提高，這種折衷明顯不是長久之計，進而要求氣門運 行參數(shù)隨發(fā)動機工況的改變而變化，從而在全工況范圍內(nèi)優(yōu)化充量的更換。 為了滿足發(fā)動機全工況的要求，就需要設(shè)計可變的配氣相位?？勺儦忾T技 術(shù)就改變了傳統(tǒng)發(fā)動機中配氣相位固定不變的狀態(tài)，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi) 提供最佳的配氣正時，較好地解決了高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速、大負(fù)荷和小負(fù)荷下動力 性與經(jīng)濟性的矛盾，同時在一定程度上改善了廢氣排放。更一步的說，可變氣 門技術(shù)可以用來減小發(fā)動機泵氣損失、加快進氣速度、改善混合氣質(zhì)量、提高 進氣效率、最終改善發(fā)動機的燃燒過程，使動力性、經(jīng)濟性、排放性以及響應(yīng) 性能得到綜合提高。對于汽油機而言，應(yīng)用可變氣門技術(shù)有以下幾個優(yōu)點： 1)提高發(fā)動機的動力性：低速時,提前關(guān)閉進氣門減少進氣回流;高速時,推遲關(guān)閉進氣門,充分利用氣流的慣性過后充氣,提高充氣效率. 2)改善部分負(fù)荷的燃油經(jīng)濟性：眾所周知,部分負(fù)荷時汽油機燃油經(jīng)濟性低于柴油機的一個重要原因是節(jié)氣門帶來的泵吸損失.通過可變氣門技術(shù),在部分負(fù)荷時利用進氣門早關(guān),減少壓縮始點缸內(nèi)混合氣的量,即可實現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式,減少泵吸損失,提高了燃油經(jīng)濟性.另外,也可以通過氣門的升程來控制負(fù)荷.在小負(fù)荷時,利用較小的氣門升程,控制進入缸內(nèi)的混合氣的量,同樣可實現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式.而且,由于氣門升程較小,流過氣門的氣流速度較快,改善了燃油與空氣的混合,進而可以改善燃燒過程. 3)改善怠速的穩(wěn)定性和低速時的平穩(wěn)性：怠速時,通過可變氣門定時,減小氣門重疊角,進而減小充量更換過程中進排氣的相互影響,提高怠速和低速的穩(wěn)定性,并可以降低怠速轉(zhuǎn)速. 4)降低排放：利用可變氣門技術(shù),控制缸內(nèi)EGR量,可以有效降低排放特別是NOX的排放。 1.2 可變氣門配氣機構(gòu)的國內(nèi)外研究概況 配氣控制技術(shù)早期的研究進展比較緩慢，主要成果是在1985年以后取得的，其發(fā)展先后順序大致如下：優(yōu)化凸輪型線一可變凸輪相位一可變凸輪型線一機械式全可變氣門機構(gòu)一無凸輪軸電磁(電液、電氣及其他)驅(qū)動配齊機構(gòu)一無凸輪軸全可變配氣機構(gòu)。迄今為止，具有代表性的可變配氣機構(gòu)主要有Toyota公司的VVT—i、BMW公司的Vanos、Honda公司的VTEC、Mitsubishi公司的MIVEC、Porsche 公司的Vario—Cam、BMW的Valvotronics等。 下面將分類介紹國外可變配氣機構(gòu)的研究及發(fā)展現(xiàn)狀。 1)基于凸輪軸的可變配氣機構(gòu) 此類可變配氣機構(gòu)能同時改變氣門正時、持續(xù)期及升程．改變方式目前主要有階段式與連續(xù)式兩種。 a)階段式改變凸輪型線的可變配氣機構(gòu) Honda公司的VrEC、Mitsubishi公司的MIVEC以及Porsche公司的Vario—Cam等均屬于階段式改變凸輪 型線的可變配氣機構(gòu)。下面以Honda公司的VTEC為例，介紹階段式改變凸輪型線的可變配氣機構(gòu)。 VTEC在2個進氣門上采用了3個凸輪及3個搖臂，如圖1所示，其中3個搖臂可獨立運動也可連成一體運動。轉(zhuǎn)速較低時，通過液壓機構(gòu)使主、次搖臂分別由主凸輪和次凸輪驅(qū)動，中間搖臂隨中間凸輪運動。但是對氣門不起作用，這樣主、次進氣門的升程曲線不同，可以形成渦流。轉(zhuǎn)速較高時，通過液壓機構(gòu)使3個搖臂連成一體，并受中間凸輪驅(qū)動．以滿足發(fā)動機高速的要求。這類機構(gòu)優(yōu)點是可以提供兩種以上凸輪型線，在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，采用不同的凸輪型線驅(qū)動氣門11；缺點是只能優(yōu)化某些工況，不能實現(xiàn)全工況性能的優(yōu)化。 b)連續(xù)式改變凸輪型線的可變配氣機構(gòu) Fiat公司早期開發(fā)了凸輪型線在軸向可連續(xù)變化的3D凸輪機構(gòu)。如圖2所示，一個帶有錐度外廓的凸輪和裝有可傾斜式墊塊的挺柱相接觸，凸輪軸的軸向移動使得凸輪的不同部分和挺柱相接觸， 導(dǎo)致氣門升程和配氣相位發(fā)生變化?；鶊A半徑沿凸輪軸的軸向是不變的，但凸輪升程沿軸向改變，故墊塊必須隨凸輪軸旋轉(zhuǎn)變化它的傾斜角。凸輪軸端部安裝一機械式調(diào)速器，當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變 化時，調(diào)速器拖動凸輪軸產(chǎn)生軸向移動，使得氣門升程和配氣相位同時發(fā)生變。該機構(gòu)優(yōu)點是可以在氣門升起、回落特性上進行控制；缺點是凸輪與從動件之問會產(chǎn)生點接觸。磨損較嚴(yán)重，所以日前應(yīng)用并不廣泛。 2)改變凸輪軸相位角的可變配氣機構(gòu) 可變凸輪軸相位配氣機構(gòu)利用凸輪軸調(diào)相原理，凸輪型線是固定的，而凸輪軸相對曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。該類機構(gòu)發(fā)展到現(xiàn)在，先后出現(xiàn)了螺旋齒式和葉片式兩種結(jié)構(gòu)，目前葉片式結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐步取代了螺旋式結(jié)構(gòu)。螺旋齒式結(jié)構(gòu)主要有Nissan凸輪軸可變相位機構(gòu)：葉片式結(jié)構(gòu)主要有BMW公司的Vanos 機構(gòu)、Toyota公司的VVT—i機構(gòu)、Honda公司的i-VTEC機構(gòu)、Ford公司的 VCT機構(gòu)、Delphi公司的VCP機構(gòu)等。 下面介紹BMW公司的Vanos機構(gòu)(圖3)。轉(zhuǎn)子7通過螺栓與凸輪軸固定在一起，殼體1通過鏈條與曲軸連接。停機時，鎖止銷6以無壓力的方式嵌入凹口鎖止槽中，保證每次啟動時凸輪軸隨殼體1一一 起運動， 使凸輪軸有定的初始相位。調(diào)節(jié)相位時，潤滑油首先進入凹口鎖止槽中，將鎖止銷壓回并釋放轉(zhuǎn)子。供油油路與液壓腔11相通，向該腔中供油，回油油路與液壓腔l2 相通，向外泄油，轉(zhuǎn)子葉片9在壓力差的作用下帶動凸輪軸相對于殼體l轉(zhuǎn)動， 從而改變相位。反向調(diào)節(jié)時．供油及泄油與上述方向相反L2l。 這類機構(gòu)優(yōu)點是是可以對進氣門關(guān)閉角和進排氣重疊角進行控制，而且機構(gòu)原理簡單，可以保持原發(fā)動機氣門系不變，只用一套額外的機構(gòu)來改變凸輪軸相角，對原機改動較小。便于采用，應(yīng)用較廣泛；缺點是不能改變氣門升程和持續(xù)期口。 3)可變凸輪從動件的可變配氣機構(gòu) 這類機構(gòu)保持凸輪型線不變，通過改變凸輪軸與氣門之間從動件(如推桿，搖臂等)的運動規(guī)律，實現(xiàn)氣門運動的可變。按照從動件的類型分為液壓式和機械式兩類。a)液壓式可變凸輪從動件的可變配氣機構(gòu) 20世紀(jì)90年代中期，Siemens／Hvundai開發(fā)了EVT系統(tǒng)，并且已應(yīng)用于Hyundai2．0LDHC發(fā)動機上，該系統(tǒng)屬于液壓式可變凸輪從動件的可變配氣機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)電磁閥關(guān)閉時，潤滑油被封閉在液壓腔內(nèi)。由于液體的不可壓縮性，氣門按照凸輪型線運動；當(dāng)電磁閥打開時，凸輪雖然繼續(xù)驅(qū)動從動件，但潤滑油會通過電磁閥流出液壓腔，從而改變了氣門的運動。由ECU控制電磁閥開啟與關(guān)閉的時刻，就能實現(xiàn)對氣門正時和升程的控制。 1.3 可變氣門配氣機構(gòu)簡介 1.3.1可變氣門配氣機構(gòu)的分類 根據(jù)內(nèi)燃機理論上對配氣機構(gòu)的要求，目前成為主流的可變配氣機構(gòu)按功 能上可分為兩大類：①可變氣門正時(VariableValveTiming,VVT),即氣門開啟與關(guān)閉時刻可變。（見圖1.1）其原理是低速時,提前關(guān)閉進氣門減少進氣回流;高速時,推遲關(guān)閉進氣門,充分利用氣流的慣性過后充氣,提高充氣效率.早是 1983年由阿爾法羅密歐公司開始批量生產(chǎn)，現(xiàn)在已逐漸成為主流。②可變 氣門升程(VariableValveLift,VVL),即改變氣門開啟的最大升程。（見圖1.2 ）其原理是在小負(fù)荷時,利用較小的氣門升程,控制進入缸內(nèi)的混合氣的量,同樣可以實現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式.而且,由于氣門升程較小,流過氣門的氣流速度較快,改善了燃油與空氣的混合,進而可以改善燃燒過程。這種機構(gòu)1992年首次在本田的VTEC發(fā)動機上實現(xiàn)。另外，在這兩大類的基礎(chǔ)上，將①和②同時應(yīng)用于汽油機（見圖1.3）在一些高檔車上應(yīng)用逐漸多起來。 1.3.2可變氣門配氣機構(gòu)的特點 用曲軸轉(zhuǎn)角表示的進、排氣門開閉時刻和開啟持續(xù)時間，稱為配氣相位。進氣配氣相位為180+進氣提前角α+進氣遲后角β，排氣配氣相位為180 +排氣提前角γα+排氣遲后角δ。試驗證明：在進、排氣門早開、晚關(guān)的過程中，進氣門的晚關(guān)，對充氣效率影響最大，其次是重疊角的大小，進氣門晚關(guān)時對ηv和Ne的影響人們多在進氣門方面改善性能指標(biāo)。 通過試驗證明，兩種進氣遲后角的充氣效率（ηv）和功率（Ne）變化規(guī)律是： 1、低速時，晚關(guān)60的充氣效率ηv低、發(fā)動機功率Ne升高遲后。 2、高速時，超過2300~2500r/min后，晚關(guān)60的充氣效率ηv和功率Ne，明顯優(yōu)于40的相位角。 1.3.3可變氣門配氣機構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，基于本田可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)的總體圖如下： 1.4 可變氣門配氣系統(tǒng)的工作原理 1、發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時ECM無工作指令，油道內(nèi)無控制油壓，各搖臂中的柱塞都在各自的柱塞孔中，各搖臂獨自擺動，互不影響。主搖臂隨主凸輪開閉主進氣門，次凸輪推動次搖臂微開次進氣門；中間搖臂只是“空轉(zhuǎn)”。 2、發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時 當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2300~2500r/min時，車速達到10km/h以上時；節(jié)氣門開度達到25%以上時；冷卻液溫度在60℃以上時。ECM指令VTEC電磁閥開啟液壓油道，油壓推動正時柱塞、同步柱塞和限位柱塞移動，將三個搖臂栓為一體。由于中間凸輪的升程大于另外兩個凸輪，且凸輪的相位角也加大，主次進氣門都大幅度地同步開閉。此時，發(fā)動機處于雙進雙排”工作狀態(tài)，功率明顯的加大?？梢娝?lián)時有輕微噪音，是正?，F(xiàn)象。 3、汽車在靜止?fàn)顟B(tài)空轉(zhuǎn)時,VTEC機構(gòu)不投入工作。 4、VTEC機構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的好壞，除電控部件外，主要決定于滑潤系統(tǒng)的特設(shè)油道油壓值。對機油品質(zhì)、潤滑系統(tǒng)相關(guān)部件和曲軸的軸承配合間隙要求嚴(yán)格（ 0.02～0.04mm）,必須使用本田車系的專用純正機油。 5、另外本田系列的采用可調(diào)氣門間隙的配氣機構(gòu)，氣門間隙的調(diào)整必須在冷態(tài)下進行。 6、VTEC機構(gòu)的正時柱塞處，尚有慣性鎖止片，用扭簧控制，片端插入正時柱塞的鎖止槽中，該鎖止片依靠高速時的慣性力解脫。 第二章可變配氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計 2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)以上工況，我們可以得出可變配氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下： 2.2 可變配氣凸輪軸的設(shè)計 可變配氣凸輪軸主要由排氣凸輪、主凸輪、次凸輪、中間凸輪等部件組成，其具體結(jié)構(gòu)圖如下： 2.2.1 可變配氣凸輪軸的作用 連續(xù)可變凸輪軸的作用是根據(jù)發(fā)動機工況，調(diào)整節(jié)氣門升程，改善原有可變配氣相位技術(shù)節(jié)氣門只有高、低兩個升程的現(xiàn)狀，致力于實現(xiàn)節(jié)氣門升程根據(jù)發(fā)動機工況連續(xù)可變，以更好的實現(xiàn)節(jié)能、降低排放污染、提高發(fā)動機功率的效果。其作用原理圖如下： 2.2.2 可變配氣凸輪軸的工作原理 連續(xù)可變配氣凸輪軸在工作時，需要配合節(jié)氣門升程傳感器，將節(jié)氣門升程傳至發(fā)動機ECU，發(fā)動機根據(jù)實時車輛負(fù)載情況、發(fā)動機工況、氣門實際升程，計算出該工況下最佳氣門升程，發(fā)出指令令帶式制動器動作，由于帶式制動器對應(yīng)部分軸體上的螺紋的作用，凸輪軸發(fā)生軸向移動，另楔形凸輪的大端或小端頂住氣門連桿，此時，由于正時齒輪由花鍵槽與凸輪軸連接，凸輪軸發(fā)生軸向移動時，并不影響其轉(zhuǎn)動速度，因此凸輪軸正常運轉(zhuǎn)。需要注意的是，凸輪軸上兩段螺紋的方向是相反的，因此，兩個不同的帶式制動器可以控制凸輪軸的左、右移動。 2.2.3傳統(tǒng)凸輪軸與新式凸輪軸的比較 連續(xù)可變配氣凸輪軸相對于傳統(tǒng)可變配氣技術(shù)凸輪軸優(yōu)點： 1.節(jié)省燃油； 2.降低排放污染； 缺點： 1.制造工藝復(fù)雜； 2.對材料要求高； 3.對控制機構(gòu)精度要求較高。 第三章 排氣凸輪軸的設(shè)計 3.1 凸輪軸簡介 凸輪軸（英文：Camshaft）是發(fā)動機里的一個部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。雖然在四沖程發(fā)動機里凸輪軸的轉(zhuǎn)速是曲軸的一半（在二沖程發(fā)動機中凸輪軸的轉(zhuǎn)速與曲軸相同），不過通常它的轉(zhuǎn)速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此設(shè)計中對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高，其材質(zhì)一般是特種鑄鐵，偶爾也有采用鍛件的。由于氣門運動規(guī)律關(guān)系到一臺發(fā)動機的動力和運轉(zhuǎn)特性，因此凸輪軸設(shè)計在發(fā)動機的設(shè)計過程中占據(jù)著十分重要的地位。 3.2凸輪軸的構(gòu)造 凸輪軸的主體是一根與汽缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個凸輪，用于驅(qū)動氣門。凸輪軸的一端是軸承支撐點，另一端與驅(qū)動輪相連接。凸輪的側(cè)面呈雞蛋形。其設(shè)計的目的在于保證汽缸充分的進氣和排氣，具體來說就是在盡可能短的時間內(nèi)完成氣門的開、閉動作。另外考慮到發(fā)動機的耐久性和運轉(zhuǎn)的平順性，氣門也不能因開閉動作中的加減速過程產(chǎn)生過多過大的沖擊，否則就會造成氣門的嚴(yán)重磨損、噪聲增加或是其它嚴(yán)重后果。因此，凸輪和發(fā)動機的功率、扭矩輸出以及運轉(zhuǎn)的平順性有很直接的關(guān)系。一般來說直列式發(fā)動機中，一個凸輪都對應(yīng)一個氣門，V型發(fā)動機或水平對置式發(fā)動機則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉(zhuǎn)子發(fā)動機和無閥配氣發(fā)動機由于其特殊的結(jié)構(gòu)，并不需要凸輪。 3.3凸輪軸在發(fā)動機中的位置 在以前很長的一段時間里，底置式凸輪軸在內(nèi)燃機中最為常見。通常這樣的發(fā)動機中，氣門位于發(fā)動機的頂部，即所謂的OHV（OverHeadValve，頂置氣門）式發(fā)動機。此時通常凸輪軸位于曲軸箱的側(cè)面，通過配氣機構(gòu)（如挺桿、推桿、搖臂等）對氣門進行控制。因此底置式凸輪軸一般也叫側(cè)置式凸輪軸。由于在這樣的發(fā)動機中凸輪軸距離氣門較遠，而且每個氣缸通常只有兩個氣門，因此轉(zhuǎn)速通常較慢，平順性不佳，輸出功率也比較低。不過這種結(jié)構(gòu)的引擎輸出扭矩和低速性能比較出色，結(jié)構(gòu)也比較簡單，易于維修。 現(xiàn)在大多數(shù)量產(chǎn)車的發(fā)動機配備的是頂置式凸輪軸。頂置式凸輪軸結(jié)構(gòu)使凸輪軸更加接近氣門，減少了底置式凸輪軸由于凸輪軸和氣門之間較大的距離而造成的往返動能的浪費。頂置式凸輪軸的發(fā)動機由于氣門開閉動作比較迅速，因而轉(zhuǎn)速更高，運行的平穩(wěn)度也比較好。較早出現(xiàn)的頂置式凸輪軸結(jié)構(gòu)的發(fā)動機是SOHC（SingleOverHeadCam，頂置單凸輪軸）式發(fā)動機。這種發(fā)動機在頂部只安裝了一根凸輪軸，因此一般每個汽缸只有兩到三個氣門（進氣一到兩個，排氣一個），高速性能受到了限制。而技術(shù)更新一些的則是DOHC式（DoubleOverHeadCam，頂置雙凸輪軸）發(fā)動機，這種發(fā)動機由于配備了兩根凸輪軸，每個汽缸可以安裝四到五個氣門（進氣二到三個，排氣二個），高速性能得到了顯著的提升，不過與此同時低速性能會受到一定的影響，結(jié)構(gòu)也會變得復(fù)雜，不易維修。 3.4凸輪軸的分類 按凸輪軸數(shù)目的多少，可分為單頂置凸輪軸(SOHC)和雙頂置凸輪軸(DOHC)兩種。單頂置凸輪軸就是只有一根凸輪軸，雙頂置凸輪軸就是有兩根，這是太直白的解釋。單頂置凸輪軸在氣缸蓋上用一根凸根軸，直接驅(qū)動進、排氣門，它具有結(jié)構(gòu)簡單適用于高速發(fā)動機。以往一般采用的側(cè)置凸輪軸，即凸輪軸在氣缸側(cè)面，由正時齒輪直接驅(qū)動。為了把凸輪軸的轉(zhuǎn)動變換為氣門的往復(fù)運動，必須使用氣門挺桿來傳遞動力。這樣，往復(fù)運動的零件較多，慣性質(zhì)量大，不利于發(fā)動機高速運動。而且，細長的挺桿具有一定的彈性，容易引起振動，加速零件磨損，甚至使氣門失去控制。頂置雙凸輪軸是在缸蓋上裝有兩根凸輪軸，一根用于驅(qū)動進氣門，另一根用于驅(qū)動排氣門。采用雙頂置凸輪軸對凸輪軸和氣門彈簧的設(shè)計要求不高，特別適用于氣門V形配置的半球形燃燒室，也便于和四氣門配氣機構(gòu)配合使用。凸輪軸的傳動原理 凸輪軸的傳送原理 　　底置式凸輪軸通常采用星形齒輪組（即所謂的“控制輪”），輥子鏈或齒條與曲軸相連。為了控制噪聲，直徑較大的凸輪軸端傳動輪通常由塑料或者輕金屬制造，而相對直徑較小的曲軸端傳動輪則大多采用鋼材。 鏈條連接也比較多見。這種方式在底置式和頂置式凸輪軸上都可以看到。為了減小噪聲（一般是鏈條在運動中產(chǎn)生的“振擺噪聲”），通常還會附帶一個液壓壓緊裝置和塑料材質(zhì)的導(dǎo)軌。頂置式凸輪軸結(jié)構(gòu)中比較多見的是用一個塑料齒條鏈連接。這個齒條鏈位于發(fā)動機機油腔外，附帶有鋼質(zhì)的嵌入部件，通過一個可調(diào)的輥子幫助張緊。還有一種結(jié)構(gòu)由于動力在傳輸過程中損耗過大且過于復(fù)雜，現(xiàn)在已經(jīng)比較少見。這種結(jié)構(gòu)通過一個偏心連桿、星形齒輪組或帶中間軸的錐形齒輪組來連接頂置式凸輪軸與曲軸。 凸輪軸與曲軸之間的常見傳動方式包括齒輪傳動、鏈條傳動以及齒形膠帶傳動。下置凸輪軸和中置凸輪軸與曲軸之間的傳動大多采用圓柱形正時齒輪傳動，一般從曲軸到凸輪軸只需要１對齒輪傳動，如果傳動齒輪直徑過大，可以再增加１個中間惰輪。為了嚙合平穩(wěn)并降低工作噪聲，正時齒輪大多采用斜齒輪。 鏈條傳動常見于頂置凸輪軸與曲軸之間，但其工作可靠性和耐久性不如齒輪傳動。近年來在高轉(zhuǎn)速發(fā)動機上廣泛使用齒形膠帶代替?zhèn)鲃渔湕l，但在一些大功率發(fā)動機上仍然使用鏈條傳動。齒形膠帶具有工作噪聲小、工作可靠以及成本低等特點。對于雙頂置凸輪軸，一般是排氣凸輪軸通過正時齒形膠帶或鏈條由曲軸驅(qū)動，進氣凸輪軸通過金屬鏈條由排氣凸輪軸驅(qū)動，或進氣凸輪軸和排氣凸輪軸均由曲軸通過齒形膠帶或鏈條驅(qū)動。 安裝凸輪軸時，一定要注意凸輪軸帶輪或鏈輪上的正時標(biāo)記。有些發(fā)動機沒有明顯的正時標(biāo)記，維修人員可以在拆卸凸輪軸之前標(biāo)記出曲軸和凸輪軸的準(zhǔn)確位置，有些發(fā)動機則是需要專用工具才能進行正時的調(diào)校。 3.5凸輪軸的常見故障 凸輪軸的常見故障包括異常磨損、異響以及斷裂，異響和斷裂發(fā)生之前往往先出現(xiàn)異常磨損的癥狀。 （１）凸輪軸幾乎位于發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的末端，因此潤滑狀況不容樂觀。如果機油泵因為使用時間過長等原因出現(xiàn)供油壓力不足，或潤滑油道堵塞造成潤滑油無法到達凸輪軸，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大造成潤滑油無法進入凸輪軸間隙，均會造成凸輪軸的異常磨損。 （２）凸輪軸的異常磨損會導(dǎo)致凸輪軸與軸承座之間的間隙增大，凸輪軸運動時會發(fā)生軸向位移，從而產(chǎn)生異響。異常磨損還會導(dǎo)致驅(qū)動凸輪與液壓挺桿之間的間隙增大，凸輪與液壓挺桿結(jié)合時會發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生異響。 （３）凸輪軸有時會出現(xiàn)斷裂等嚴(yán)重故障，常見原因有液壓挺桿碎裂或嚴(yán)重磨損、嚴(yán)重的潤滑不良、凸輪軸質(zhì)量差以及凸輪軸正時齒輪破裂等。 （４）有些情況下，凸輪軸的故障是人為原因引起的，特別是維修發(fā)動機時對凸輪軸沒有進行正確的拆裝。例如拆卸凸輪軸軸承蓋時用錘子強力敲擊或用改錐撬壓，或安裝軸承蓋時將位置裝錯導(dǎo)致軸承蓋與軸承座不匹配，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大等。安裝軸承蓋時應(yīng)注意軸承蓋表面上的方向箭頭和位置號等標(biāo)記，并嚴(yán)格按照規(guī)定力矩使用扭力扳手?jǐn)Q緊軸承蓋緊固螺栓。 3.6凸輪軸的生產(chǎn)技術(shù) 凸輪軸是發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，凸輪桃尖的硬度和白口層深度是決定凸輪軸使用壽命和發(fā)動機效率的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在保證凸輪有足夠高的硬度和相當(dāng)深的白口層的前提下，還應(yīng)考慮軸頸不出現(xiàn)較高的碳化物，使其具有較好的切削加工性能。 目前，國內(nèi)外生產(chǎn)凸輪軸的主要方法有：采用鋼質(zhì)鍛造毛坯經(jīng)切削加工后，凸輪桃尖部分經(jīng)高頻淬火形成馬氏體層的工藝。20世紀(jì)70年代末，德國和法國相繼開發(fā)了凸輪軸氬弧重熔新工藝；另有以美國為主的可淬硬鑄鐵凸輪軸；以日本和法國為主的冷硬鑄鐵凸輪軸；以及凸輪部位用Cr-Mn-Mo合金涂料進行鑄件表面合金化的生產(chǎn)工藝等。 結(jié)論 文中設(shè)計的基于本田可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn) 簡單、集成化程度高、用戶操作界面友好等優(yōu)點，將對可變配氣相位凸輪配氣系統(tǒng)的研究和發(fā)展起到極大的推動作用。 該系統(tǒng)通過充實的理論依據(jù)和實際的工況，圖文并茂地闡述了該系統(tǒng)的組成以及其中核心部件的作用和選型要領(lǐng)。通過不同的方式，來對可變配氣相位凸輪配氣系統(tǒng)的各部分要領(lǐng)進行闡述和計算分析，從而得出一整套合理的系統(tǒng)布局，以及各部件之間的協(xié)調(diào)的通用性。通過此次設(shè)計，讓我們學(xué)習(xí)了很多知識，相信本設(shè)計的提出，能夠大大推動廣大學(xué)者們在可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)的研究中的發(fā)展，具有一定的實用價值和現(xiàn)實意義。 致 謝 在論文完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時，也學(xué)到了很多做人的道理，明確了人生目標(biāo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，實事求是的作風(fēng)，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。 四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻 [1]張福學(xué)編著.可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2000。 [2]何發(fā)昌著，邵遠編著.可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1996。 [3]張利平著. 可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)控制技術(shù)速查手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12。 [4]李寶仁著.可變配氣相位凸輪配氣系統(tǒng)的研究和演變. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9。 [5]宋學(xué)義著. 可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用. 北京：機械工業(yè)出版社，1995.3。 [6]陳奎生著.可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)的種類和原理 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.5。 [7]SMC（中國）有限公司. 可變配氣相位凸輪配氣結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史. 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