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哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)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。
關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；配氣機(jī)構(gòu)；凸輪型線；
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.
Key words:Internal combustion engine; Valve train; Cam profile;
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 緒 論 1
1.1 概述 1
1.2 配氣機(jī)構(gòu)的研究歷程 2
1.3配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的及意義 2
1.4配氣機(jī)構(gòu)采用的新技術(shù) 3
1.4.1頂置凸輪軸技術(shù) 3
1.4.2 多氣門技術(shù) 4
1.4.3 可變氣門正時(shí)配氣機(jī)構(gòu) 5
1.5本章小結(jié) 5
第2章 配氣機(jī)構(gòu)的總體布置 6
2.1 氣門的布置形式 6
2.2 凸輪軸的布置形式 6
2.3 凸輪軸的傳動(dòng)方式 6
2.4 每缸氣門數(shù)及其排列方式 6
2.5 氣門間隙 7
2.6 本章小結(jié) 7
第3章 配氣正時(shí)的工作原理 8
3.1配氣正時(shí)的介紹 8
3.2工作原理 8
3.3本章小結(jié) 9
第4章 配氣機(jī)構(gòu)的零件及組件 10
4.1 氣門組 10
4.1.1 氣門 10
4.1.2 氣門座圈 15
4.1.3 氣門導(dǎo)管 15
4.1.4 彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算 16
4.2 氣門傳動(dòng)組 21
4.2.1 凸輪軸 21
4.2.2 凸輪型線設(shè)計(jì) 22
4.2.3 緩沖段設(shè)計(jì) 24
4.2.4 凸輪軸進(jìn)排氣凸輪角度設(shè)計(jì) 24
4.2.5 基本段設(shè)計(jì) 25
4.2.6 曲軸正時(shí)鏈輪與凸輪軸正時(shí)鏈輪 26
4.2.7 挺柱 26
第5章 正時(shí)鏈設(shè)計(jì)方法 27
5.1汽車鏈服役條件及失效形式 27
5.1.1汽車鏈的服役條件 27
5.1.2汽車鏈的失效形式 27
5.2汽車鏈的選擇 28
5.3汽車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29
5.4本章小結(jié) 33
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄 三維建模過程及部分渲染圖片 37
40
哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 概述
配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。它的功能是實(shí)現(xiàn)換氣過程，即根據(jù)氣缸的工作次序，定時(shí)地開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排除燃燒廢氣。一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是否優(yōu)越，動(dòng)力性是否足夠大，工作是否可靠，噪音與振動(dòng)能否控制在較低的限度，常常與其配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理有密切關(guān)系。
配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊性和制造、使用的成本，而且還決定了高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)柴油機(jī)的工作可靠性、耐久性。配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)柴油機(jī)的性能指標(biāo)有著很重要的影響。
配氣機(jī)構(gòu)的功用是按照發(fā)動(dòng)機(jī)每一氣缸內(nèi)所進(jìn)行的工作循環(huán)和發(fā)火次序的要求，定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，使新鮮充量得以及時(shí)進(jìn)入氣缸，而廢氣得以及時(shí)從氣缸排出。新鮮充量充滿氣缸的程度用充量系數(shù)來表示。充量系數(shù)越高，表明進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣或可燃混合氣的質(zhì)量越多，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率越大。壓力越高，溫度越低，則一定容積的氣體質(zhì)量越大，因此充量系數(shù)越高。由于在實(shí)際工作中，壓力，溫度都有不利因素，所以充量系數(shù)總是小于1，一般在0.8—0.9。就配氣機(jī)構(gòu)而言，主要是要求其結(jié)構(gòu)有利于減小進(jìn)氣和排氣的阻力，而且進(jìn)、排氣門的開啟時(shí)刻和持續(xù)開啟時(shí)間比較適當(dāng)，使進(jìn)氣和排氣都盡可能充分。
一般說來，設(shè)計(jì)合理的配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)具有良好的換氣性能，進(jìn)氣充分，排氣徹底，即具有較大的時(shí)間-斷面值，泵氣損失小，配氣正時(shí)恰當(dāng)。與此同時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力性能，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音較小，不發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊磨損等現(xiàn)象，這就要求配氣機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件具有良好的運(yùn)動(dòng)加速度變化規(guī)律，以及不太大的正、負(fù)加速度值。
例如，對(duì)氣門通過能力的要求，實(shí)際上可理解為是對(duì)由凸輪外形所決定的氣門位移規(guī)律的要求。顯然，氣門開閉迅速就能增大時(shí)面值，但這將導(dǎo)致氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的加速度和慣性負(fù)荷增大，沖擊、振動(dòng)加劇，機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性變差。因此，對(duì)氣門通過能力的要求與對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性的要求之間存在一定矛盾，應(yīng)視所設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速、性能要求、配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)剛度大小等，在凸輪外形設(shè)計(jì)中兼顧解決。
配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，四行程發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛地采用氣門式配氣機(jī)構(gòu)。氣門式配氣機(jī)構(gòu)可從不同角度分類。按氣門的布置形式不同，主要有氣門頂置式和氣門側(cè)置式；頂置氣門式的配氣機(jī)構(gòu)又可根據(jù)凸輪軸的布置位置及凸輪軸數(shù)目的不同分為凸輪軸下置式、凸輪軸中置式和凸輪軸上置式。
側(cè)置氣門式配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)、排氣門設(shè)置在氣缸體的一側(cè)。氣門不但是氣體流動(dòng)的通道，而且是燃燒室的組成部分，這種燃燒室只適應(yīng)于早期低壓縮比內(nèi)燃機(jī)。它不緊湊，單位燃燒室體積的表面積大，燃燒室散熱面積大，熱損失多。此外，進(jìn)、排氣道由于氣門側(cè)置拐彎增多，進(jìn)、排氣阻力大，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，目前只用于廉價(jià)小功率汽油機(jī)。
為減少進(jìn)、排氣流通阻力，改進(jìn)換氣性能，將低壓縮比燃燒室變?yōu)楦邏嚎s比燃燒室，以提高燃燒熱效率和降低熱損失;將氣門從氣缸體上移到氣缸蓋上，因而出現(xiàn)了頂置氣門式的配氣機(jī)構(gòu)，大大的改善了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力型和經(jīng)濟(jì)性而廣泛采用在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)上。
1.2 配氣機(jī)構(gòu)的研究歷程
作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件，配氣機(jī)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容從最初單純的凸輪經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)展到常將配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈當(dāng)作完全剛性物體只進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，再發(fā)展到了整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合研究。國外自20世紀(jì)初就有許多學(xué)者開始進(jìn)行這方面的深入研究；相比而言，國內(nèi)則起步較遲，20 世紀(jì) 70 年代起才開始全面研究凸輪設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析，研究的重點(diǎn)放在凸輪型線設(shè)計(jì)、多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)研究方面。
電子計(jì)算機(jī)的采用和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展為配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究開辟了新途徑。利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行多方案的選擇, 并預(yù)測(cè)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的性能已經(jīng)成為有效而節(jié)省的手段。目前，國際上已有各種配氣凸輪設(shè)計(jì)軟件，國內(nèi)也出現(xiàn)了一些類似的軟件，這些軟件在速度與計(jì)算精度上都有所提高。
1.3配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的及意義
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(dāng)中重要交通工具，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求量是越來越大，產(chǎn)品質(zhì)量要求是越來越高。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品與設(shè)備也日益向高速、高效、精密、輕量化和自動(dòng)化方向發(fā)展。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)其工作性能的要求也越來越高，為使產(chǎn)品能夠安全可靠地工作，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，會(huì)損害操作者的身心健康，污染環(huán)境。因此必須對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性與低振動(dòng)、低噪聲的要求。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確的預(yù)測(cè)出產(chǎn)品或工程的技術(shù)性能，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場(chǎng)等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。為了在工程應(yīng)用中節(jié)約成本、提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，很多廠家已經(jīng)把前期的軟件模擬作為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)關(guān)鍵步驟。
發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛中是動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的振動(dòng)和結(jié)構(gòu)噪聲，這類振動(dòng)將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與分析，把動(dòng)態(tài)特性作為設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。
配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)常處在高溫、高壓下工作，因此氣門機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)最容易發(fā)生故障的零部件之一。而配氣機(jī)構(gòu)性能的好壞, 直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性, 并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與振動(dòng)產(chǎn)生直接影響。
1.4配氣機(jī)構(gòu)采用的新技術(shù)
配氣機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況的需要適時(shí)適度地開閉進(jìn)排氣門，對(duì)氣缸進(jìn)行換氣。目前廣泛采用的是氣門—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，它具有保證氣缸密封性的優(yōu)點(diǎn)。氣門—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)按氣門布置分側(cè)置氣門和頂置氣門機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)主要有以下三方面：頂置凸輪軸技術(shù)，多氣門技術(shù)，可變配氣定時(shí)及氣門升程技術(shù)。
1.4.1頂置凸輪軸技術(shù)
頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內(nèi)燃機(jī)有較好的性能指標(biāo)，是側(cè)置氣門機(jī)構(gòu)所不能達(dá)到的，故側(cè)置氣門機(jī)構(gòu)已被淘汰。
頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)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。絕大部分發(fā)動(dòng)機(jī)采用凸輪軸下置型，但這種機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力和振動(dòng)及噪聲，消耗較大的動(dòng)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)省去了搖臂，高速時(shí)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SHOC型和DHOC型。前者只用一根凸輪軸來驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門；而后者采用兩根凸輪軸來分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門。這種結(jié)構(gòu)適用于進(jìn)、排氣門呈V形排列的內(nèi)燃機(jī)。凸輪軸的傳動(dòng)類型有三種：正時(shí)齒輪傳動(dòng)、正時(shí)鏈輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)。其中，正時(shí)齒輪傳動(dòng)主要用于要求長(zhǎng)壽命和大載荷的內(nèi)燃機(jī)，如船用、商用車和賽車內(nèi)燃機(jī)；正時(shí)鏈輪傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于轎車內(nèi)燃機(jī)，一般來說，它比正時(shí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪音?。或?qū)動(dòng)帶傳動(dòng)或齒形帶傳動(dòng)是最新出現(xiàn)的傳動(dòng)方式，主要用于頂置凸輪軸內(nèi)燃機(jī)上。
1.4.2 多氣門技術(shù)
配氣機(jī)構(gòu)的最新發(fā)展是改善燃料經(jīng)濟(jì)性，其關(guān)鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，多氣門內(nèi)燃機(jī)很早就己經(jīng)出現(xiàn)了，但僅用于賽車，目的是減輕排氣門的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，但并未能在內(nèi)燃機(jī)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(gè)排氣門和一個(gè)進(jìn)氣門的內(nèi)燃機(jī)。促進(jìn)多氣門內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)量迅速提高的原因在于自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和生產(chǎn)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(nèi)燃機(jī)在整個(gè)負(fù)荷和速度范圍內(nèi)形成最佳混合氣，并適時(shí)適度送入氣缸。
多氣門內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，如用兩個(gè)進(jìn)氣門取代一個(gè)進(jìn)氣門，流通截面加大30%左右，可大大改進(jìn)充氣系數(shù)。因此，多氣門內(nèi)燃機(jī)可以提高功率。四氣門內(nèi)燃機(jī)曲軸在中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，扭矩一般比二氣門內(nèi)燃機(jī)大10%—15%，高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)大10%—20%。多氣門內(nèi)燃機(jī)不僅可以提高內(nèi)燃機(jī)功率，還可以降低燃油消耗，減少排污。據(jù)分析，四氣門內(nèi)燃機(jī)燃油消耗比二氣門內(nèi)燃機(jī)燃油消耗低%6—8%。多氣門內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)越性是二氣門內(nèi)燃機(jī)無法比擬的。因而，世界各國的內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)都將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向多氣門內(nèi)燃機(jī)的制造。船用內(nèi)燃機(jī)則多為四氣門配氣機(jī)構(gòu)，如PA6，620等船用機(jī)。由于新的設(shè)計(jì)技術(shù)和加工技術(shù)的應(yīng)用，不僅研制新內(nèi)燃機(jī)時(shí)間短、投產(chǎn)快，而且生產(chǎn)周期也短。90年代日本多氣門內(nèi)燃機(jī)有了很大的發(fā)展，幾乎所有的新內(nèi)燃機(jī)系列都是多氣門內(nèi)燃機(jī)。美國幾大公司于1990—.1991年已開始并正在大量生產(chǎn)多氣門內(nèi)燃機(jī)。多氣門配氣方式是配氣機(jī)構(gòu)發(fā)展的大勢(shì)所趨。
1.4.3 可變氣門正時(shí)配氣機(jī)構(gòu)
常規(guī)內(nèi)燃機(jī)配氣相位都是按內(nèi)燃機(jī)性能要求，通過試驗(yàn)確定某一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷條件下較為適合的配氣相位，自然只達(dá)到一種轉(zhuǎn)速最為有利。然而為了在更大的曲軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高功率指標(biāo)，降低燃料消耗，現(xiàn)代多氣門內(nèi)燃機(jī)氣門開啟相位可以改變、升程也可以改變，稱作可變氣門運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)(VVA)。通過這套機(jī)構(gòu)對(duì)配氣過程的調(diào)節(jié)和控制，低、中轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度低，氣流動(dòng)力學(xué)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(zhuǎn)速時(shí)扭矩曲線形狀較好，可顯著地降低燃油消耗率。在中高轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度快，氣流動(dòng)力學(xué)特性好，因而要求“放大”相位重疊角，廢氣排放徹底，進(jìn)氣量充分可相應(yīng)增加內(nèi)燃機(jī)扭矩。顯然，采用這一機(jī)構(gòu)，可以提高內(nèi)燃機(jī)性能、降低污染、改善怠速性能。目前，可變氣門正時(shí)配氣系統(tǒng)，大致可分成兩種形式，一種稱為可變凸輪相位的配氣機(jī)構(gòu)(WT)，另一種稱為可變配氣正時(shí)及氣門升程的配氣機(jī)構(gòu)(WT&WL)。
當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨向是，在排量不變的前提下，提高內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)。不論是多氣門配氣機(jī)構(gòu)還是在此基礎(chǔ)上演化而來的可變氣門運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，其基本出發(fā)點(diǎn)都是，在更大范圍內(nèi)使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)等達(dá)到最優(yōu)，這是傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)無法完成的。
1.5本章小結(jié)
對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)整體發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析，同時(shí)合理的研究了論文的目的及意義，肯定了本次設(shè)計(jì)的合理性和必要性。同時(shí)為以后的設(shè)計(jì)及論文的研究打下了基礎(chǔ)。
第2章 配氣機(jī)構(gòu)的總體布置
2.1 氣門的布置形式
氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)用廣泛，其進(jìn)氣門和排氣門都倒掛在氣缸頂上。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸通過定時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)到凸輪的凸起部分頂起挺柱時(shí)，通過推桿和調(diào)整螺釘使搖臂繞搖臂軸擺動(dòng)，壓縮氣門彈簧，使氣門離座，當(dāng)凸輪凸起部分離開挺柱后，氣門便在氣門彈簧的作用下落座，即氣門關(guān)閉。
四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周，各缸的進(jìn)、排氣門各開啟一次，此時(shí)凸輪軸只旋轉(zhuǎn)一周。曲軸與凸輪軸轉(zhuǎn)速比為2：1。在此，選用氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)。
2.2 凸輪軸的布置形式
凸輪軸位于曲軸箱內(nèi)的配氣機(jī)構(gòu)稱為凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)。凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是凸輪軸離曲軸近，可以簡(jiǎn)單地用一對(duì)齒輪傳動(dòng)，缺點(diǎn)是零件多，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，整機(jī)機(jī)構(gòu)的剛度差。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速時(shí)，可能破壞氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣門的定時(shí)啟閉。在此，選用凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)。
2.3 凸輪軸的傳動(dòng)方式
凸輪軸下置、中置的配氣機(jī)構(gòu)大多采用圓柱形定時(shí)齒輪傳動(dòng)。一般曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)只需一對(duì)定時(shí)齒輪，必要時(shí)加裝中間齒輪。為了嚙合平穩(wěn)，減小噪聲，定時(shí)齒輪多采用斜齒輪。在中小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上，曲軸定時(shí)齒輪用鋼來制造，而凸輪定時(shí)齒輪則用鑄鐵或夾布膠木制造，以減小噪聲。在此，選用齒輪傳動(dòng)。
2.4 每缸氣門數(shù)及其排列方式
一般發(fā)動(dòng)機(jī)都采用每缸量氣門，即一進(jìn)一排的結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步改善氣缸的換氣，在可能的情況下，應(yīng)盡量加大氣門的直徑，特別是進(jìn)氣門的直徑。但是，由于燃燒室尺寸的限制，氣門直徑最大一般不能超過氣缸直徑的一半。當(dāng)氣缸直徑較大，活塞平均速度較高時(shí)，每缸一進(jìn)一排的氣門機(jī)構(gòu)就不能保證良好的換氣質(zhì)量。因此，可采用4氣門，甚至5氣門的機(jī)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)后，進(jìn)氣門總的通過面積較大，充量系數(shù)較高，排氣門的直徑可適當(dāng)減小，使其工作溫度相應(yīng)降低，提高了工作可靠性。此外，采用四氣門后，還可適當(dāng)減小氣門升程，改善配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性，多氣門的汽油機(jī)還有利于改善HC與CO的排放性能。
當(dāng)每缸用兩個(gè)氣門時(shí)，為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，大多數(shù)采用氣門沿機(jī)體縱向軸線排成一列的方式。這樣，相鄰兩缸的同名氣門就有可能合用一個(gè)氣道，這樣有助于氣缸蓋冷卻均勻。柴油機(jī)的進(jìn)、排氣道一般分置于機(jī)體的兩側(cè)，以免排氣對(duì)進(jìn)氣加熱。在此，采用兩氣門沿凸輪軸軸線成一列的方式。
2.5 氣門間隙
發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門將因溫度的升高而膨脹。如果氣門及其傳動(dòng)件之間在冷態(tài)時(shí)無間隙或間隙過小，則在熱態(tài)下，氣門及其傳動(dòng)件的受熱膨脹勢(shì)必引起氣門關(guān)閉不嚴(yán)，從而使功率下降，嚴(yán)重時(shí)不易啟動(dòng)。氣門間隙的大小一般由發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠根據(jù)試驗(yàn)確定。在冷態(tài)時(shí)，進(jìn)氣門的間隙一般為0.23—0.3mm，排氣門的間隙為0.3—0.35mm。如果間隙過小，發(fā)動(dòng)機(jī)在熱態(tài)下可能發(fā)生漏氣，導(dǎo)致功率下降甚至氣門燒壞。如果氣門間隙過大，則使傳動(dòng)零件之間以及氣門和氣門座之間產(chǎn)生撞擊聲，而且加速磨損，同時(shí)也會(huì)使得氣門開啟的持續(xù)時(shí)間減少，氣缸的充氣及排氣情況變壞。在此，進(jìn)氣門間隙選0.25mm。排氣門間隙選0.3mm。
2.6 本章小結(jié)
本章通過對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的一般基礎(chǔ)知識(shí)的介紹，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)有了初步的認(rèn)識(shí)，了解其分類，功能，設(shè)計(jì)要求。熟悉本章內(nèi)容，對(duì)后文的分析和設(shè)計(jì)起基礎(chǔ)作用。
第3章 配氣正時(shí)的工作原理
3.1配氣正時(shí)的介紹
配氣正時(shí)就是按活塞的工作行程去配置進(jìn)排氣門的開啟時(shí)間。進(jìn)氣沖程：活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣門開、排氣關(guān)；壓縮沖程：活塞從下止點(diǎn)往上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣門關(guān)閉；做功沖程，活塞從上止點(diǎn)往下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣門關(guān)閉；排氣沖程，活塞從下止點(diǎn)往上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣門關(guān)，排氣門開。
3.2工作原理
配氣正時(shí)就是進(jìn)、排氣門的實(shí)際開閉時(shí)刻，通常用相對(duì)于上、下止點(diǎn)曲拐位置的曲軸轉(zhuǎn)矩的環(huán)形圖來表示。如圖3-1：
圖3-1 曲軸轉(zhuǎn)矩環(huán)形圖
在排氣行程接近終了，活塞到達(dá)上止點(diǎn)之前，即曲軸轉(zhuǎn)到曲拐離上止點(diǎn)的位置還差一個(gè)角度時(shí)，進(jìn)氣門便開始開啟，直到活塞過了下止點(diǎn)重又上行，即曲軸轉(zhuǎn)到曲拐超過下止點(diǎn)位置以后一個(gè)角度時(shí)，進(jìn)氣門才關(guān)閉。這樣，整個(gè)進(jìn)氣行程持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°++。一般為10°—30°，角一般為40°—80°。
同樣，做功行程接近終了，活塞到達(dá)下止點(diǎn)前，排氣門便開始開啟，提前開啟的角度一般為40°—80°。經(jīng)過整個(gè)排氣行程，在活塞越過上止點(diǎn)后，排氣門才關(guān)閉，排氣門關(guān)閉的延遲角一般為10°—30°。整個(gè)排氣過程的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于曲軸轉(zhuǎn)角180°++。
3.3本章小結(jié)
通過對(duì)配氣正時(shí)以及其工作原理的介紹，對(duì)配氣正時(shí)有了進(jìn)一步的了解，熟悉本章內(nèi)容后，對(duì)后文的分析和設(shè)計(jì)起基礎(chǔ)作用。
第4章 配氣機(jī)構(gòu)的零件及組件
4.1 氣門組
a)氣門組包括氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座及氣門彈簧等零件。氣門組應(yīng)保證氣門與氣門座嚴(yán)密貼合，在高溫、冷卻和潤滑條件都較差的情況下工作時(shí)，能有足夠的強(qiáng)度并耐磨、耐腐蝕。為此，對(duì)氣門組提出以下設(shè)計(jì)要求：
b)氣門與氣門座應(yīng)密封；
c)氣門能沿氣門軸心線在導(dǎo)管中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；
d)氣門彈簧的兩端面應(yīng)與氣門桿的中心線垂直，以保證氣門頭在氣門座上不偏斜；
e)氣門彈簧應(yīng)有足夠的彈力和剛度，以保證氣門能迅速關(guān)閉并嚴(yán)密壓緊在氣門座上；
f)彈簧座的固定應(yīng)可靠。
4.1.1 氣門
氣門由頭部和桿部?jī)刹糠纸M成。頭部的工作溫度很高，因此，要求氣門必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐熱和耐磨能力。進(jìn)氣門的材料采用40cr，排氣門則采用4cr9si2。
氣門頭頂部的形狀選用平頂，平頂氣門頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，吸熱面積小，質(zhì)量也小，進(jìn)、排氣門都可以采用。
氣門密封錐面的錐角，一般做成45°。氣門頭的邊緣應(yīng)保持一定的厚度，一般為1~3mm，以防止工作中由于氣門座之間的沖擊而損壞或被高溫氣體燒蝕。為了減少進(jìn)氣阻力，提高氣缸的充量系數(shù)，多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門的頭部直徑比排氣門的大。在此，氣門頭的邊緣厚度選1mm。
任一氣門開度時(shí)的氣門開啟斷面積f可以認(rèn)為就是氣門處氣體通道的最小斷面積。在常用的氣門升程不大的情況下，通常認(rèn)為這個(gè)f就是以氣門頭部最小直徑（一般等于氣門喉口直徑dh）為小底，直徑dt為大底，為斜高的截錐體的測(cè)表面積。
氣門的作用是專門負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)輸入燃料并排出廢氣，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)汽缸只有一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，維修方便，低速性能較好，缺點(diǎn)是功率很難提高，尤其是高轉(zhuǎn)速時(shí)充氣效率低、性能較弱。為了提高進(jìn)排氣效率，現(xiàn)在多采用多氣門技術(shù)，常見的是每個(gè)汽缸布置有4個(gè)氣門（也有單缸3或5個(gè)氣門的設(shè)計(jì)，原理一樣，如奧迪A6的發(fā)動(dòng)機(jī)），4汽缸一共就是16個(gè)氣門，我們?cè)谄囐Y料上經(jīng)?？吹降摹?6V”就表示發(fā)動(dòng)機(jī)共16個(gè)氣門。這種多氣門結(jié)構(gòu)容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以令油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門的重量和開度適當(dāng)?shù)販p小，使氣門開啟或閉合的速度更快。
圖4-1 氣門截面簡(jiǎn)圖
上圖示氣門口的基本尺寸及其通道斷面積：
（4-1）
（4-2）
（4-3）
（4-4）
式中為氣門密封錐面的錐角，取=45°。由上式可知，在氣門尺寸一定時(shí)，氣門口通道斷面積與氣門升程有直接關(guān)系。由于它們都是時(shí)間的函數(shù)，因此，氣門開啟“時(shí)間值”可以用積分式（毫米/秒）表示?？捎秘S滿系數(shù)來評(píng)價(jià)氣門機(jī)構(gòu)的時(shí)間斷面，豐滿系數(shù)定義為氣門通路的平均斷面面積與最大通過斷面積之比。 時(shí)間值與豐滿系數(shù)用來表示氣門的通過能力。在同一氣流速度下，此參數(shù)越大，進(jìn)氣量就越大。
通常有：
進(jìn)氣門喉口直徑dhi=（0.40——0.45）D=35——39.37mm,取為35 mm
排氣門喉口直徑dhe= (0.35——0.40)D=30.63——35 mm,取為32mm
進(jìn)氣門頭部直徑dvi=(0.42——0.50)D=36.75——43.75mm,取為38mm
排氣門頭部直徑dve=(0.37——0.42)D=32.38——36.75mm,取為34mm
進(jìn)氣門直徑di=(0.32——0.50)D=28——43.75 mm,取為40mm
排氣門直徑de=(0.80——0.85)di=28.8——57.8 mm,取為36mm
圖4-2 氣門相對(duì)升程與流量的關(guān)系
圖4-3 馬赫指數(shù)與容積效率
氣門相對(duì)升程與進(jìn)氣流量間的關(guān)系如圖3。因此，一般取進(jìn)氣門升程hi=（0.26——0.28）46=9.36——10.08mm，取hi=9.5mm；排氣門升程為he=(0.28——0.32)de=8.4——9.6mm,取he=9.5mm。
氣門口的時(shí)面值在氣口和氣門尺寸決定后，主要決定于氣門升程曲線的形狀，同時(shí)也與發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位有關(guān)。提高氣門的開啟速度、加寬配氣定時(shí)都能夠提高氣門通過能力。但是，在氣道中的氣體流動(dòng)過程中決定氣體通過氣門的阻力的大小有一系列的因素。進(jìn)氣門頭部向桿過渡部分的形狀、氣門座內(nèi)孔的形狀、氣道內(nèi)氣門導(dǎo)管處的形狀以及氣體的流速等都影響氣體流動(dòng)阻力，從而影響氣門的實(shí)際通過能力。
氣門出氣體的通過能力可以用進(jìn)氣馬赫數(shù)與流量系數(shù)的比值，即馬赫數(shù)Z來評(píng)價(jià)。試驗(yàn)表明，當(dāng)Z>0.6時(shí)，充氣效率就大大下降，如圖4所示。設(shè)計(jì)中校核發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速時(shí)的馬赫指數(shù)，保證Z<0.5-0.6。
（4-5）
（4-6）
式中D——?dú)飧字睆剑珼=95mm；
a——進(jìn)氣門口處的聲速m/s；
g——重力加速度，g=9.8m/
k——絕熱指數(shù)，k=1.4；
R——?dú)怏w常數(shù)，R=287J/Kgk；
To——進(jìn)氣門的絕熱溫度，To=293K；
Vm——活塞平均速度，Vm=4.8m/s；
m——進(jìn)氣平均流量系數(shù)；
所以 （4-7）
（4-8）
這時(shí)的充氣效率在0.90左右，符合設(shè)計(jì)要求。
氣門的主要尺寸是氣門頭部直徑和氣門總長(zhǎng)度，其中氣門頭部直徑根據(jù)氣缸換氣良好的要求應(yīng)盡可能大，進(jìn)、排氣門的頭部直徑根據(jù)相關(guān)的資料已經(jīng)確定。而氣門總長(zhǎng)度完全取決于氣缸蓋及氣門彈簧的高度。一般希望盡量縮小氣門總長(zhǎng)度以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的總高度。一般l=(1.1—1.3)D。在此取l=98mm。
氣門桿部直徑應(yīng)該足夠大，以利于熱的傳出和承受可能產(chǎn)生的側(cè)向力。當(dāng)氣門有搖臂或擺桿驅(qū)動(dòng)時(shí)，側(cè)向力很小，一般， 這里取 。
頭部的結(jié)構(gòu)尺寸
頭部除影響氣體的流動(dòng)阻力外，還關(guān)系到它的結(jié)構(gòu)剛度、重量、溫度和制造工藝，從而關(guān)系到它的使用壽命。進(jìn)氣門頭部端面為平頂，氣門座合面錐角45°。進(jìn)氣門頭部最大直徑為38mm，排氣門頭部最大直徑為34mm。進(jìn)氣門、排氣門頭部厚度為3.50.1mm。
a) 桿部
進(jìn)氣門桿直徑，排氣門桿直徑。進(jìn)氣門長(zhǎng)度，排氣門長(zhǎng)度。氣門桿尾部用鎖夾槽和錐形卡塊與上彈簧座的結(jié)合必須是可靠的，且保證不能降低桿身的強(qiáng)度。
b) 材料
進(jìn)、排氣門工作條件不同，對(duì)材料的要求也不同。進(jìn)氣門使用溫度較低，排氣門工作溫度高，由于氣門工作條件苛刻，因此對(duì)氣門材料要求較高。在此選用的進(jìn)氣門材料為40Cr。為提高桿部和密封錐面的耐磨性，采用了高頻淬火工藝，桿部表面采用工藝鍍鉻工藝。因鎖夾處是氣門的薄弱環(huán)節(jié)，為了提高該鎖夾處的疲勞強(qiáng)度，采用滾壓強(qiáng)化處理。
排氣門采用了國內(nèi)較成熟的兩種材料對(duì)焊工藝。即頭部材料為奧氏體鋼硅鉻鋼4Cr9Si2，桿部材料為馬氏體鋼4Cr10Si4Mo頭部和桿部采用摩擦焊接，排氣門桿部采用厚鍍鉻，可改善桿部和導(dǎo)管的耐磨性。桿端部采用了高頻淬火，排氣門密封錐面采用堆焊鉆基合金，用以增加耐磨性。氣門桿端面與搖鈴摩擦，應(yīng)有很高的耐磨性。
4.1.2 氣門座圈
柴油機(jī)有的是進(jìn)、排氣門座均用鑲嵌式，有的只鑲進(jìn)氣門座，這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的排氣門與氣門座常能得到由于燃燒不完全而夾雜在廢氣中的柴油、機(jī)油以及煙粒等潤滑而不致被強(qiáng)烈地磨損；但是柴油機(jī)的進(jìn)氣門面臨的情況則完全不同，從導(dǎo)管漏人的機(jī)油很少，而且柴油機(jī)有較高的氣體壓力，加上進(jìn)氣門的直徑大，容易變形，這些因素都將導(dǎo)致進(jìn)氣門座的磨損加劇。氣門座與氣缸蓋的工作溫度、材料膨脹系數(shù)不同，必須仔細(xì)確定他們間的配合尺寸。經(jīng)驗(yàn)表明，氣門座外徑過盈達(dá)氣門座外徑的0.002—0.0035左右即可。鋁缸蓋時(shí)應(yīng)取上限。此外，為了保持這一過盈量，氣門座圈還應(yīng)該有足夠的斷面尺寸，一般取其壁厚為座圈內(nèi)徑的0.1—0.15倍，取氣門座高度為氣門座外徑的0.16—0.22倍。但是依靠很大的過盈來防止氣門座的松脫，可能會(huì)導(dǎo)致很大的變形，所以有所利用鋁氣缸蓋或鋼氣門座的局部塑性變形來提高防松的可靠性，這時(shí)允許取較小的配合過盈。在此，選取座圈徑向厚度為4.5mm，高度為6mm。
4.1.3 氣門導(dǎo)管
氣門導(dǎo)管除引導(dǎo)氣門正確地上下運(yùn)動(dòng)外，同時(shí)還將氣門桿的熱量傳遞給蓋或缸體。為了便于調(diào)換或修理，氣門導(dǎo)管都制成單件，壓入缸蓋或缸體的氣門導(dǎo)管空座中。氣門導(dǎo)管一般用鑄鐵制成，因?yàn)殍T鐵中的石墨有較好的耐磨和滑動(dòng)作用。為了限制流入氣門導(dǎo)管的潤滑油的溢出，以及防止?jié)櫥屯ㄟ^導(dǎo)管中的間隙而落入氣缸，在頂置式的氣門上部、彈簧盤的下面裝有薄金屬片或橡膠制成的油封。導(dǎo)管與其座套的過盈取氣門桿直徑的0.003—0.005mm，一般進(jìn)氣門間隙取,排氣門桿取，是氣門桿直徑。導(dǎo)管壁厚一般為3—5毫米，在此取3毫米。
4.1.4 彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算
A)彈簧預(yù)緊力，氣門關(guān)閉時(shí)彈簧預(yù)緊力要保證氣門與氣門座的良好密封。一般認(rèn)為，彈簧預(yù)緊力應(yīng)在進(jìn)氣口面積上產(chǎn)生150Kpa以上的壓強(qiáng)，據(jù)此推出式中，為進(jìn)氣口直徑（mm），根據(jù)前面的設(shè)計(jì)知，為46mm。。取為250N。
彈簧的最大彈力,在選取時(shí)可取，,取750N。
B)氣門彈簧基本尺寸的確定：
外彈簧，取=30.5mm；
內(nèi)彈簧，取=20.5mm；
簧絲直徑；
式中為許用剪切應(yīng)力，可取，為氣門彈簧在氣門全開時(shí)的最大彈力，它應(yīng)該克服氣門機(jī)構(gòu)在這時(shí)的最大負(fù)加速度所產(chǎn)生的最大慣性力，以免機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間相互脫開，破壞機(jī)構(gòu)的正常工作。采用雙彈簧是外彈簧一般為3—5mm,內(nèi)彈簧為2—3.5mm。這里取外彈簧=4.5mm,內(nèi)彈簧=3mm。
彈簧的有效圈數(shù)一般取=5—7，而彈簧的總?cè)?shù)，有效圈數(shù)外彈簧取5，內(nèi)彈簧取7.5，則彈簧的總?cè)?shù)外彈簧取7，內(nèi)彈簧取9.5。
內(nèi)外彈簧載荷分配的比例范圍為1：2—1：2.5，此次設(shè)計(jì)取1：2。故內(nèi)彈簧的預(yù)緊力為166.7N，最大彈力233.3N，外彈簧的預(yù)緊力為233.3N，最大彈力為466.7N。
彈簧最大彈力時(shí)的高度，其中為彈簧的安裝高度，對(duì)于外彈簧為56.9mm，對(duì)于內(nèi)彈簧為53.9mm，為最大氣門升程17mm，所以最大彈力高度，外彈簧為44.9mm，內(nèi)彈簧為41.9mm。
C)彈簧參數(shù)的計(jì)算
a) 彈簧剛度為 式中，G為彈簧簧絲材料的切變模量（Mpa）,為80000；為彈簧的有效圈數(shù)，為彈簧的中徑，為彈簧簧絲的直徑。
外彈簧： （4-9）
內(nèi)彈簧： （4-10）
b) 彈簧并圈高度和并圈變形量為
(4-11)
(4-12)
外彈簧：
內(nèi)彈簧：
彈簧自由狀態(tài)時(shí)的節(jié)距t(mm)、螺旋角（°）和展開長(zhǎng)度（mm）分別為：
節(jié)距t： （4-13）
螺旋角： （4-14）
展開長(zhǎng)度： （4-15）
外彈簧：
內(nèi)彈簧：
D)氣門彈簧的強(qiáng)度校核
靜強(qiáng)度計(jì)算
彈簧安裝時(shí)承受最大靜載荷，考慮最危險(xiǎn)的情況，彈簧處于并圈狀態(tài)。并圈時(shí)彈簧鋼絲截面的應(yīng)力為： 式中，為最大靜載荷（N），，為曲度系數(shù)，是考慮鋼絲橫截面上切應(yīng)力不均勻分布影響的系數(shù)，可由下式計(jì)算：
。式中，c為旋繞比，
外彈簧：c=28/3.5=8
內(nèi)彈簧：c=18/2.5=7.2
彈簧并圈時(shí)的切應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用切應(yīng)力，即<，可取鋼絲材料抗拉強(qiáng)度的50%—55%，為1570Mpa，則為863Mpa，上述的內(nèi)、外彈簧都能滿足要求。
E)疲勞強(qiáng)度校核
氣門彈簧工作時(shí)承受交變載荷，故應(yīng)對(duì)其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算，彈簧載荷在和之間循環(huán)變化，彈簧鋼絲截面上的切應(yīng)力和之間循環(huán)變化，即： ， (4-17)
(4-18)
疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)為
(4-19)
式為彈簧材料的脈動(dòng)疲勞極限，對(duì)于常用氣門材料，
外彈簧：
內(nèi)彈簧：
安全系數(shù)應(yīng)不小于。所以，上述內(nèi)，外彈簧滿足要求。
氣門彈簧是用碳鉻礬鋼絲或硅鉻鋼絲制成的螺旋狀等距的圓柱形彈簧，在此選用50CrVA。氣門彈簧的功用是保證氣門和氣門座緊緊密合，防止氣門在開啟和關(guān)閉過程中因氣門，搖臂等運(yùn)動(dòng)件的慣性力而產(chǎn)生脫離的現(xiàn)象，并能盡量地減少氣門落座時(shí)的沖擊力，同時(shí)還要考慮降低整機(jī)高度。三缸柴油機(jī)氣門彈簧是采用內(nèi)，外同心的兩個(gè)等螺距的圓柱彈簧，氣門大小彈簧分別為左，右旋向，防止兩彈簧互相卡住。為了防止工作時(shí)兩個(gè)彈簧互相摩擦，大小彈簧之間每邊有1mm的間隙。氣門彈簧經(jīng)噴丸處理，提高了疲勞強(qiáng)度，表面采用回火處理。
氣門彈簧座用鋼板沖壓而成。座上為彈簧，座下用鎖塊固定，為襯拖彈簧之用。
總結(jié)彈簧參數(shù)如下：
表4-1 彈簧參數(shù)
參數(shù)
外彈簧
內(nèi)彈簧
彈簧中徑
24
18
簧絲直徑
3.5
2.5
總?cè)?shù)
7.5
9.5
有效圈數(shù)
5
7
彈簧剛度G
10.34
4.67
自由長(zhǎng)度
88.7
71.8
安裝高度
56.9
53.9
最大彈力高度
44.9
41.9
并圈高度
21.875
23.1255
預(yù)緊力
233.3
116.7
最大彈力
466.7
233.3
節(jié)距t
14.65
10.18
螺旋角
9.46
10.21
展開長(zhǎng)度
1091.4
885.4
安全系數(shù)
1.3749
1.3751
4.2 氣門傳動(dòng)組
氣門傳動(dòng)組由凸輪軸，搖臂，挺柱等。其使氣門及時(shí)開啟和關(guān)閉。
4.2.1 凸輪軸
它是一根直的在其上有偏心凸輪的軸。它的作用是控制各氣缸氣門的開啟和閉合。
凸輪軸用鍛鋼或特種鑄鐵制成。凸輪及油頸須經(jīng)熱處理，以提高其硬度及耐磨性能。凸輪軸由曲軸通過齒輪驅(qū)動(dòng)，凸輪軸軸承用以支撐凸輪軸，為了減少磨損，常用巴氏合金澆鑄在鋼固底板上而制成。
凸輪軸止推板的用途是防止凸輪軸作軸向移動(dòng)，它位于凸輪軸第一軸頸端面與正時(shí)齒輪轂之間。它們的間隙一般在0.05—0.20mm之間。
四缸柴油機(jī)推挺搖機(jī)構(gòu)的凸輪軸為整體式。采用函數(shù)凸輪型線。凸輪基圓直徑為38mm，凸輪升程為12mm，支承軸頸為52.4875mm。軸上加工有22mm的中空油道。為了保證配氣定時(shí)正確，必須使凸輪軸相對(duì)于曲軸的相位關(guān)系正確。為此在凸輪軸后端面設(shè)有刻線，在裝配時(shí)與機(jī)體上的刻線對(duì)正安裝。支承軸頸與襯套的配合為cp67H/e6(mm)，凸輪軸軸向間隙為0.10—0.266mm。凸輪軸材料為15CrMn。
4.2.2 凸輪型線設(shè)計(jì)
凸輪型線設(shè)計(jì)，主要是設(shè)計(jì)其輪廓。一般采用的表示法為：給出凸輪基圓半徑及對(duì)應(yīng)的挺柱升程曲線。如果能給出當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過角度a時(shí)挺柱從靜止位置上升的位移A，即給出函數(shù)A=A(a)，并且同時(shí)給出凸輪基圓半徑，則凸輪廓形也就唯一地確定了。配氣凸輪所對(duì)應(yīng)的挺柱升程函數(shù)一般由兩部分組成，一部分是緩沖段，另一部分是基本段，如果設(shè)計(jì)符合理想那么氣門應(yīng)在上升緩沖段終點(diǎn)開啟，并在基本段終點(diǎn)關(guān)閉。實(shí)際上由于機(jī)構(gòu)存在變形等原因，一般不可能這樣準(zhǔn)確，氣門啟閉的時(shí)刻與理想狀態(tài)總會(huì)有些誤差，只要誤差不大就可以了。
配氣凸輪設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則：
有準(zhǔn)確的配氣相位。
使配氣機(jī)構(gòu)有良好的充氣性能，進(jìn)氣充分，排氣徹底。
能否做到這一點(diǎn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)通?？捶从硽忾T通過能力大小的“氣門瞬時(shí)通路面積”或“時(shí)間斷面”的大小。假設(shè)當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)角為0度時(shí)P氣門升程為Y，則Y=Y(a)，此時(shí)氣門的通路面積為：
(4-20)
氣門開啟的時(shí)間斷面為：
(4-21)
為了便于對(duì)工作段包角和最大升程不同的各種凸輪比較其對(duì)充氣性能的影響；常常用豐滿系數(shù)：。一般認(rèn)為豐滿系數(shù)較大對(duì)充氣性能有利，但也非絕對(duì)如此。
1） 使配氣機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音較小
可做到以下幾條
A. h(a)應(yīng)有較好的光滑性，即盡可能使h(a)的二階，三階以至更高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)。
B. 最大正加速度和最大負(fù)加速度的數(shù)值均不能過大，脈沖（三階導(dǎo)數(shù)）的最大值也不要過大。
C. 正加速度段的寬度與配氣機(jī)構(gòu)的自振周期間應(yīng)有較好的配合，一般，正加速度寬度不應(yīng)太小。
D. 緩沖段高度應(yīng)適當(dāng)選擇，一般不應(yīng)過小。
2） 凸輪與搖臂間的接觸應(yīng)力不應(yīng)過大
設(shè)將凸輪與搖臂看成不同材料的兩個(gè)金屬柱體，兩者間作線接觸，則其接觸應(yīng)為
(4-22)
凸輪設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免其最小曲率半徑過小，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力很大，并會(huì)使凸輪過早磨損。一般認(rèn)為P1的最小值應(yīng)>2mm，能再大些更好。凸輪曲率半徑的大小受其基圓半徑的影響很大，因此在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的總體布置時(shí)就應(yīng)注意給配氣凸輪軸留出充裕的地位，使凸輪基圓半徑足夠大。
3） 凸輪應(yīng)有良好的潤滑特性
在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，凸輪與挺柱之間承載潤滑油膜的形成及其形態(tài)，對(duì)工作的可靠性和耐久性也很重要。凸輪軸與平底挺柱之間最小潤滑油膜厚度計(jì)算公式為：。如引進(jìn)無量剛參數(shù)，（稱為流體動(dòng)力潤滑判別特性數(shù)），是凸輪轉(zhuǎn)角的函數(shù)。
4） 氣門與活塞不能相碰
4.2.3 緩沖段設(shè)計(jì)
配氣凸輪所對(duì)應(yīng)的搖臂升程曲線在上升段及下降段各有一段緩沖段。上升緩沖段與下降緩沖段的設(shè)計(jì)可以是相同的，也可以不同。
1） 基本參數(shù)的選取
進(jìn)氣凸輪緩沖段高度為0.205mm，凸輪緩沖段作用角20度。進(jìn)氣凸輪型線采用對(duì)稱的凸輪型線。進(jìn)氣工作曲線升程為12mm，進(jìn)氣凸輪型線采用復(fù)合擺線型帶平段。型線方程為：
上升緩沖段： (4-23)
(4-24)
上升工作段：
(4-25)
下降工作段；對(duì)稱。
下降緩沖段：對(duì)稱。
4.2.4 凸輪軸進(jìn)排氣凸輪角度設(shè)計(jì)
各缸進(jìn)（或排）氣凸輪彼此間的夾角均為，點(diǎn)火順序?yàn)?—3—2。排氣延遲角，排氣提前角。吸氣延遲角，吸氣提前角。
同一缸進(jìn)排氣凸輪夾角為 。
進(jìn)排氣凸輪工作段半包角為
排氣凸輪與挺柱軸線的夾角為：
4.2.5 基本段設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)中，氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壓縮靜變形不予考慮，且凸輪上升段和下降段的緩沖高度相等。而進(jìn)氣門間隙為0.25mm，排氣門間隙為0.30mm，氣門搖臂比i=1.2，由此，可計(jì)算出緩沖段的高度：進(jìn)氣凸輪為0.21mm，排氣凸輪為0.25mm。如若加上提前落座量，則凸輪可取0.30mm，排氣凸輪可取0.35mm。
通過對(duì)各參數(shù)的調(diào)整，試算，最終得出配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能基本滿足進(jìn)，排氣凸輪各段型線方程，選取的進(jìn)，排氣凸輪基本參數(shù)和升程曲線如下：
表4-2 凸輪
參數(shù)
參數(shù)
進(jìn)氣凸輪
排氣凸輪
凸輪軸頸（mm）
52.485
52.485
基圓半徑（mm）
15
15
上升（下降）過度包角（度）
27．5
27．5
上升（下降）緩沖段終點(diǎn)速度（mm/deg）
0.0118
0.0137
上升（下降）緩沖段半包角（度）
60
60
上升緩沖段起點(diǎn)升程（mm）
0.21
0.25
緩沖段型線類型
復(fù)合擺線帶平段
基本工作段型線類型
高次多項(xiàng)次型線
表4-3 進(jìn)氣凸輪左側(cè)升程曲線表
升程 H(mm)
升程 H(mm)
升程 H(mm)
0
12
30
7．619
60
1．518
5
11．784
35
6．112
65
1．477
10
11．141
40
5．688
70
0．706
15
10．061
45
4．315
75
0．235
20
8．919
50
3．017
80
0．117
25
7．262
55
2．626
85
0．021
表4-4 排氣凸輪左側(cè)升程曲線表
升程 H(mm)
升程 H(mm)
升程 H(mm)
0
12
30
7．586
60
1．425
5
11．798
35
6．379
65
1．479
10
11．189
40
5．590
70
0．683
15
10．174
45
4．947
75
0．229
20
9．717
50
3．579
80
0．108
25
8．763
55
2．529
85
0．020
4.2.6 曲軸正時(shí)鏈輪與凸輪軸正時(shí)鏈輪
兩種正時(shí)帶輪是為了把曲軸運(yùn)動(dòng)按2：1的速比傳給凸輪軸以便進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣門。這兩種正時(shí)帶輪的周節(jié)不一樣，凸輪軸正時(shí)帶輪周節(jié)為9.24mm，曲軸正時(shí)帶輪周節(jié)為8.95mm。凸輪軸正時(shí)鏈輪齒數(shù)為40，曲軸正時(shí)鏈輪齒數(shù)為20。
4.2.7 挺柱
挺柱的功用是將凸輪的推力傳給推桿，并承受凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所施加的側(cè)向力。挺柱在其頂部裝有調(diào)節(jié)螺釘，用來調(diào)節(jié)氣門間隙。挺柱常用鎳鉻合金鑄鐵或冷激合金鑄鐵制造，其摩擦表面應(yīng)經(jīng)熱處理后研磨。
4.3本章小結(jié)
通過這章進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)和計(jì)算，得出基本數(shù)據(jù)，進(jìn)而為最后的繪圖做足準(zhǔn)備。
第5章 正時(shí)鏈設(shè)計(jì)方法
5.1汽車鏈服役條件及失效形式
5.1.1汽車鏈的服役條件
汽車鏈的服役條件不同于普通的工業(yè)鏈條，其傳遞的功率和工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于普通工業(yè)鏈條，汽車鏈在=19，=5000時(shí)所傳遞的功率可達(dá)P=10kw，其工作點(diǎn)已遠(yuǎn)超出由、ISO10823-2004《滾子鏈傳動(dòng)選擇指導(dǎo)》的額定功率曲線所限定的普通工業(yè)鏈條的工作區(qū)域之外。通常，汽車鏈的主動(dòng)力鏈輪的工作轉(zhuǎn)速=4500~8000，有的甚至已超過10000。汽車鏈不僅在高速工況下服役，而且承受著怠速、加速、減速等交變速度的沖擊，表明了汽車鏈服役條件的嚴(yán)酷。
5.1.2汽車鏈的失效形式
汽車鏈的主要失效形式為：鏈條的磨損失效、鏈條的斷裂失效、滾子或套筒的破裂失效、鏈條的死結(jié)失效。
1） 磨損失效
試驗(yàn)研究表明，汽車練得主要磨損機(jī)制為疲勞磨損，有時(shí)伴有莫麗磨損、粘著磨損。
通常，汽車鏈在使用km后，其允許的磨損伸長(zhǎng)率，這不僅降低了正時(shí)鏈系統(tǒng)的定位精度，而且增大了正時(shí)鏈系統(tǒng)的傳動(dòng)噪音。
2） 滾子破裂失效
汽車鏈在高速區(qū)工作時(shí)，滾子（或套筒）的沖擊疲勞破裂是其主要的失效形式。滾子作為鏈條與鏈輪的嚙合元件罵他直接承受著較大的沖擊載荷，在循環(huán)應(yīng)力作用下，在棍子的應(yīng)力集中區(qū)即滾子端部會(huì)萌生疲勞裂紋，并逐漸向滾子中部擴(kuò)展，裂紋不斷擴(kuò)展將導(dǎo)致端部掉塊或整體破裂。
3） 汽車鏈鏈板的斷裂失效，對(duì)于單排鏈條并不是主要的失效形式。但對(duì)于雙排鏈由于在高速多沖交變循環(huán)載荷作用下，猶豫鏈板與銷軸常為間隙配合的結(jié)構(gòu)形式所限，其軸銷與外鏈板、套筒與內(nèi)鏈板的聯(lián)接牢固度的衰減程度要比單排鏈嚴(yán)重得多，當(dāng)聯(lián)接牢固度衰減至一定程度后，導(dǎo)致外鏈板向外移出銷軸并斷裂失效，這就是所謂的鏈條“散架”現(xiàn)象。而正常的疲勞斷裂常發(fā)生在內(nèi)鏈板上。
5.2汽車鏈的選擇
目前，、ISO10823-2004《滾子鏈選擇指導(dǎo)》所規(guī)定的額定功率曲線不適用于汽車連產(chǎn)品系列，雖然其中的某些鏈號(hào)，如：05B、06B等與汽車鏈產(chǎn)品的連號(hào)和尺寸相同，但其所傳遞的功率和轉(zhuǎn)速均遠(yuǎn)小于汽車鏈產(chǎn)品?？晒┢囨渽⒄者x用05BT、06BT的額定功率如圖5所示。其他鏈號(hào)的汽車鏈額定功率曲線可咨詢相關(guān)汽車鏈條公司。
汽車練得潤滑方式通常采用噴油潤滑。
汽車鏈傳動(dòng)選擇計(jì)算時(shí)，通常已知：傳動(dòng)功率P，主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，則傳動(dòng)比
圖5-1 05BT、06BT汽車鏈的額定功率曲線（）
對(duì)于汽車鏈這樣的高速鏈傳動(dòng)，在空間尺寸允許的條件下，建議主動(dòng)鏈輪齒數(shù)，并取奇數(shù)齒，則，汽車鏈傳動(dòng)的計(jì)算功率為
（5-1）
式中：為工作情況系數(shù)（見表5-1）；為尺系數(shù)（見表5-2）；為排系數(shù)（見表5-3）。
表5-1工作情況系數(shù)
從動(dòng)機(jī)械特性
主動(dòng)機(jī)械特性
平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
輕微沖擊
中等沖擊
平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)
1.0
1.1
1.3
中等沖擊
1.4
1.5
1.7
嚴(yán)重沖擊
1.8
1.9
2.1
表5-2 尺系數(shù)
15
17
19
21
23
25
1.27
1.12
1.00
0.91
0.83
0.76
表5-3 排系數(shù)
排
1
2
3
4
5
6
1.0
1.7
2.5
3.3
4.0
4.6
由計(jì)算得到的值和已知的值，在汽車鏈額定功率曲線圖上選擇相應(yīng)的鏈號(hào)，此時(shí)汽車鏈的工作點(diǎn)（、）鷹衛(wèi)浴所選擇鏈號(hào)的額定功率曲線下方。應(yīng)該指出，對(duì)于沒有額定功率曲線或額定功率曲線表可供參照選用的汽車鏈傳動(dòng)選擇計(jì)算時(shí)，可通過靜強(qiáng)度的安全系數(shù)方法來進(jìn)行驗(yàn)算，這在工程設(shè)計(jì)中是可行的。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)鏈傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)的分析闡述，汽車鏈靜強(qiáng)度的安全系數(shù)，（Q為汽車鏈的拉伸強(qiáng)度，F(xiàn)為汽車鏈緊邊工作張力：
（5-2）
式中：為主動(dòng)鏈輪分度圓直徑，統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明，取n=14~20較為適宜。
5.3汽車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)鏈、機(jī)油泵鏈、高壓泵鏈、共軌泵鏈、平衡軸鏈等系統(tǒng)，可以是雙軸鏈傳動(dòng)系統(tǒng)（如：曲軸—機(jī)油泵或曲軸—共軌泵或曲軸—單凸輪軸等），也可以試試多軸鏈傳動(dòng)系統(tǒng)（如：曲軸—雙凸輪軸或曲軸—高壓泵—凸輪軸等），現(xiàn)已某公司發(fā)動(dòng)機(jī)的雙周鏈傳動(dòng)系統(tǒng)（圖5-2）為例，闡述汽車鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。
圖 5-2 正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
關(guān)于鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的總布置設(shè)計(jì)以及鏈傳動(dòng)中心距的松邊垂度的設(shè)計(jì)計(jì)算，、ISO10823—2004以及國內(nèi)外許多專注均有論述。但是，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)，由于對(duì)振動(dòng)和噪聲有著嚴(yán)格的要求，鏈傳動(dòng)的松邊均安裝張緊器，而緊邊通常也安裝導(dǎo)向器（阻尼器），并且由于鏈傳動(dòng)中心距和垂直度的設(shè)計(jì)計(jì)算方法已不適用于汽車鏈系統(tǒng)。
汽車連系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，鏈傳動(dòng)的緊邊一般應(yīng)是像內(nèi)凹的圓弧曲線，而不是普通鏈傳動(dòng)的緊邊通常以相切于從動(dòng)鏈輪分度圓的一段直線來表示。其松邊的垂度也不采用普通鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方法而且松邊的圓弧通常不是向外凸而是向內(nèi)凹。應(yīng)該說明，再裝設(shè)了張緊器之后，送變得懸垂曲線就不是所謂的“懸鏈線”了，而是支承和貼服在張緊板的圓弧曲線上。
如圖2所示，設(shè)松邊內(nèi)凹距離為，緊邊內(nèi)凹距離為，在中心距a較小，水平或近似水平傳動(dòng)時(shí)，通常可取=（5%~8%）a，=（2%~5%）a，在中心距a較大，垂直或近似垂直傳動(dòng)時(shí)，=（8%~12%）a，=（4%~7%）a。在不發(fā)生由于鏈條磨損而導(dǎo)致松緊邊內(nèi)凹曲線段接觸的條件下，松緊