畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）北京吉普汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人簽名2015年6月1日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目北京吉普汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真系部機(jī)械工程系專業(yè)機(jī)械電子工程學(xué)號(hào)112012108學(xué)生指導(dǎo)教師（含職稱）（講師）1設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)以四沖程的汽油機(jī)下置式凸輪配氣機(jī)構(gòu)為例，應(yīng)用PRO/E軟件，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果分析，提出合理優(yōu)化建議。2設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容完成汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)的零件模型建立。運(yùn)用軟件完成氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真并提出優(yōu)化策略。提交設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，提交PRO/E模型一份及分析圖表各一份。3主要參考文獻(xiàn)1）濮良貴，機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）M，高等教育出版社，201062）孫恒，機(jī)械原理（第七版）M，高等教育出版社，201273）劉崢，王建昕，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理教程M，清華大學(xué)出版社,20014）松凌珺，岳榮剛，王永皎，中文版PRO/ENGINEERWILDFIRE基礎(chǔ)教程（第二版）M，清華大學(xué)出版社，201254進(jìn)度安排設(shè)計(jì)各階段名稱起止日期1對(duì)零件進(jìn)行測(cè)繪，準(zhǔn)備零件建模3月3日3月23日2用PRO/E完成零件建模3月24日4月13日3完成零件裝配，準(zhǔn)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析4月14日5月4日4完成仿真模型分析，數(shù)據(jù)比較并撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5月5日6月1日5提交及修改設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，答辯6月2日6月22日審核人年月日北京吉普汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真摘要配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它是按照發(fā)動(dòng)機(jī)的每一氣缸所進(jìn)行的工作循環(huán)和發(fā)火次序的要求，定時(shí)開(kāi)關(guān)進(jìn)、排氣門，是使新鮮空氣及時(shí)充分的進(jìn)入氣缸，廢氣得以及時(shí)的徹底的排除氣缸。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，需要大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算優(yōu)化配氣機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，而且經(jīng)費(fèi)消耗巨大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也不便測(cè)量，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)達(dá)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造當(dāng)中。本設(shè)計(jì)以四沖程的汽油機(jī)下置式凸輪配氣機(jī)構(gòu)為例，在借鑒國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PRO/E軟件，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，并對(duì)結(jié)果分析，提出合理優(yōu)化建議。關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)，氣門機(jī)構(gòu)，凸輪，運(yùn)動(dòng)仿真，PRO/E軟件BEIJINGJEEPAUTOMOBILEENGINEVALVEMECHANISMKINEMATICSIMULATIONABSTRACTDISTRIBUTIONINSTITUTIONISANIMPORTANTPARTOFTHEENGINEITISACCORDINGTOTHEWORKCYCLEOFEACHCYLINDEROFENGINEANDFIRINGORDERREQUIREMENTS,TIMESWITCHINLETANDEXHAUSTVALVES,ITISTOMAKETHEFRESHAIRINATIMELYMANNERFULLYINTOTHECYLINDER,EXHAUSTGASTOTIMELYCYLINDERCOMPLETELYRULEDOUTINORDERTOIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHEENGINEREQUIRES,WENEEDALOTOFVALVETRAINOPTIMIZATIONOFEXPERIMENTANDCALCULATIONOFRELEVANTPARAMETERSBUT,BECAUSEOFTHEENGINEEXPERIMENTTAKESLONGTIME,ANDMOREMONEY,ANDTHEEXPERIMENTALDATAISNOTCONVENIENTTOMEASUREINADDITION,BECAUSEOFTHECOMPUTERTECHNOLOGYDEVELOPEDRAPIDLY,ANDTHEMODERNDESIGNTECHNOLOGYHASBEENWIDELYAPPLIEDTOTHEDESIGNANDMANUFACTUREOFENGINETHISDESIGNPUTTHEFOURSTROKEGASOLINEENGINEUNDERNEATHTYPEVALVETRAINCAMASANEXAMPLEONTHEBASISOFTHEDESIGNANDDEVELOPMENTEXPERIENCEATHOMEANDABROADFORREFERENCEUSETHEPRO/ETODOTHEVALVETRAINCAMMOTIONSIMULATION,THENGIVEADVISEBASEONTHERESULTSOFTHEANALYSISKEYWORDSTHEENGINE,THEVALVEBODY,CAM,MOTIONSIMULATION,PRO/ESOFTWARE目錄1緒論111研究背景及意義112國(guó)內(nèi)外對(duì)氣門機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展和缺陷2121凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)2122無(wú)凸輪軸驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)313本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容62配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理721配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)及其組成722氣門機(jī)構(gòu)的分類7221按氣門的布置分類7222按凸輪軸的布置型式分類823凸輪軸的傳動(dòng)方式824配氣相位93配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1131由挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律求氣門的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律1132球面挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓的關(guān)系164運(yùn)用PRO/E建立模型2241PRO/E簡(jiǎn)介2242配氣機(jī)構(gòu)建模的具體步驟22421零件建模2242零件的裝配2943本章總結(jié)335配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析3451機(jī)構(gòu)連接定義34511凸輪連接定義34512彈簧定義3552運(yùn)動(dòng)仿真36521添加電機(jī)36522機(jī)構(gòu)分析定義3753運(yùn)動(dòng)仿真及數(shù)據(jù)測(cè)量3754結(jié)果分析4055改進(jìn)凸輪模型406結(jié)論43參考文獻(xiàn)44致謝451緒論11研究背景及意義隨著時(shí)代的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視汽車的節(jié)能和環(huán)?！，F(xiàn)代高科技的發(fā)展已將發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能、增效、低排放作為“節(jié)能高效環(huán)保”一體化課題進(jìn)行綜合研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。而配氣機(jī)構(gòu)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能最主要的因素之一。配氣相位的選擇對(duì)燃燒過(guò)程的優(yōu)劣有著非常重要的作用。不僅僅要選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，還要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的地府平穩(wěn)性和發(fā)動(dòng)機(jī)飛起排放的問(wèn)題。想要改善發(fā)動(dòng)級(jí)的性能，減少有害物質(zhì)的排放，可以通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)氣門的運(yùn)動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到這些目的，要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。如何在最短的時(shí)間內(nèi)高效、高質(zhì)地完成設(shè)計(jì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，是目前所關(guān)心的問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，建模（包括數(shù)學(xué)模型、物理模型等）仿真技術(shù)已成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要手段。運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件的仿真技術(shù)可以得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而代替了繁瑣冗長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真計(jì)算、分析，可靈活的調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，預(yù)測(cè)各種條件下系統(tǒng)的性能，有效縮短開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)周期，以降低科研經(jīng)費(fèi)，有助于樣品的制造和實(shí)驗(yàn)。作為發(fā)動(dòng)機(jī)最重要系統(tǒng)之一的配氣機(jī)構(gòu)也緊隨時(shí)代的腳步前進(jìn)，氣門控制技術(shù)和氣門動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)早期的研究進(jìn)展比較緩慢，主要成果是在20世紀(jì)70年代以后取得的下圖為其發(fā)展歷程。圖11氣門控制技術(shù)和氣門動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的發(fā)展歷程隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，氣門機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)也緊隨其腳步，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的應(yīng)用中不斷向廣度和深度拓展。配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要機(jī)構(gòu)，它的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命，而且關(guān)系到節(jié)省能源和減少污染等問(wèn)題。隨著時(shí)代的發(fā)展，動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的發(fā)展將給發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域帶來(lái)便捷，為設(shè)計(jì)者在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出性能強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)做出巨大貢獻(xiàn)。因此需要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其工作更加合理，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命。12國(guó)內(nèi)外對(duì)氣門機(jī)構(gòu)的研究進(jìn)展和缺陷121凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)絕大多數(shù)活塞式內(nèi)燃機(jī)是采用傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)凸輪結(jié)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣門的，其氣門的升程、配氣定時(shí)一般是基于某一狹小工況范圍發(fā)動(dòng)機(jī)性能的局部?jī)?yōu)化而確定，氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全由凸輪的型線確定的。這種氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不夠經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。特別是車用發(fā)動(dòng)機(jī)，要求配氣相位可變，氣門升程可調(diào)。但是由于它簡(jiǎn)單、可靠、相對(duì)來(lái)說(shuō)不昂貴，所以至今仍廣泛的使用。由于汽車在行駛過(guò)程中路況很復(fù)雜，所以要求汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都能高效率的工作，這就需要凸輪軸可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)了。凸輪軸可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是在傳統(tǒng)氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，通過(guò)對(duì)凸輪軸傳動(dòng)、搖臂比、頂柱或正時(shí)皮帶的調(diào)節(jié)達(dá)到改變氣門正時(shí)或升程的目的，一般為機(jī)械控制，也有少量為電子控制。但是由于依舊采用了凸輪，所以其運(yùn)動(dòng)還是受到凸輪輪廓線的限制。LEXUS、ALFAROMEO、TOYOTA以及MERCEDESBENZ、TOYOTA等公一些可變氣門正時(shí)系統(tǒng)都是這一類。下圖LEXUS公司的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖圖12LEXUS公司的可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖還有一種凸輪軸調(diào)相位機(jī)構(gòu)是由諧波傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。其機(jī)構(gòu)是由剛輪、柔輪和波發(fā)生器構(gòu)成。柔輪是容易變形的薄壁外齒圈，剛輪則是剛性內(nèi)齒輪，和諧波發(fā)生器由橢圓盤和柔性軸承組成。這些機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門上升和下降以及氣門開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間的調(diào)節(jié)。而氣門正時(shí)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣門開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間的調(diào)節(jié)和氣門升程的調(diào)節(jié)，僅僅是可以無(wú)極可調(diào)。還有一種是FIAT公司的三維凸輪可變氣門機(jī)構(gòu)，凸輪軸的軸向移動(dòng)使得凸輪的不同部分與可傾斜導(dǎo)板接觸，改變了氣門的升程和正時(shí)，由潤(rùn)滑系統(tǒng)的油壓提供動(dòng)力。控制方式有機(jī)械的，也有電子的。該機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是氣門升程和氣門正時(shí)的變化范圍受到限制，而且工作過(guò)程中，接粗應(yīng)力較大。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為氣門開(kāi)啟和回位的特性以及落座的速度都是可以控制的。另外還有可變連接件式機(jī)構(gòu)，多凸輪機(jī)構(gòu)，可變液壓頂桿是機(jī)構(gòu)等，這里不再一一介紹。122無(wú)凸輪軸驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)無(wú)凸輪軸啟動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)取消了直接受制于曲軸運(yùn)動(dòng)的凸輪軸及其從動(dòng)件，而以電液、電磁、電氣或者其他方式驅(qū)動(dòng)氣門。無(wú)凸輪軸驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)比傳統(tǒng)的機(jī)械式配氣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)性能并且降低了能耗、提高了輸出功率和怠速穩(wěn)定性、減少了磨損和沖擊噪聲等等，無(wú)凸輪軸驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)截止當(dāng)前為止最有潛力的、自由度最大的可變氣門系統(tǒng)。（一）電機(jī)控制可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)控制可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的凸輪由與原凸輪軸傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)關(guān)的電動(dòng)機(jī)直接單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。如下圖圖13電機(jī)控制可變氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)這種系統(tǒng)中，每一個(gè)氣門都由一套永磁無(wú)刷直流電機(jī)帶動(dòng)凸輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，過(guò)增加或減少氣門開(kāi)啟時(shí)凸輪/電機(jī)的角速度來(lái)改變氣門動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間，以應(yīng)縮短或延長(zhǎng)氣門的動(dòng)作時(shí)間。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是難以將發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程與電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)一致。優(yōu)點(diǎn)是，轉(zhuǎn)速范圍廣，在可變定時(shí)和部分升程運(yùn)行方面具有較好的靈活性。在高轉(zhuǎn)速下，電機(jī)消耗的功率太大。（二）電液驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)電液驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)有一般分為兩種，一種是無(wú)彈簧，一種是有彈簧的。無(wú)彈簧液壓可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了凸輪軸及回位彈簧，它包括一路高壓油源和一路低壓油源，在氣門頂部裝有一個(gè)雙作用的液壓活塞，活塞上部的油腔分別與高壓和低壓油源相連通，活塞下部油腔一直與高壓油源連通，活塞上部的面積顯著大于下部的面積。有彈簧的電子控制液壓可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取消了凸輪軸，保留了氣門回位彈簧，系統(tǒng)由一個(gè)常閉型和一個(gè)常開(kāi)型兩位兩通電磁閥共同作用，控制氣門的開(kāi)啟與關(guān)閉，通過(guò)回位彈簧回位。（三）電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)目前來(lái)看，電磁氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一種很有前途的驅(qū)動(dòng)方式。相比于傳統(tǒng)的凸輪軸驅(qū)動(dòng)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，并且在燃油經(jīng)濟(jì)性和排放方面都有優(yōu)勢(shì)。采用雙彈簧、雙線圈的電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí),兩線圈均不通電。銜鐵4及氣門1在彈簧7的作用下,處于半開(kāi)半閉的中間狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角判定各氣門應(yīng)打開(kāi)或關(guān)閉,使關(guān)門線圈5或開(kāi)門線圈2通電,電磁力克服彈簧力將氣門1關(guān)閉或開(kāi)啟。若系統(tǒng)判定氣門應(yīng)開(kāi)啟,則開(kāi)門線圈2通電,銜鐵4與開(kāi)門鐵芯3間的電磁力克服彈簧力,使氣門1向下運(yùn)動(dòng)直至最大開(kāi)啟位置。1）氣門2）開(kāi)門線圈3）開(kāi)門鐵心4）銜鐵5）關(guān)門線圈6）關(guān)門鐵心7）彈簧8）氣門導(dǎo)管）圖14雙彈簧、雙線圈的電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是L取消了凸輪軸，可以隨意定時(shí)氣門的開(kāi)啟和關(guān)閉；2開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作迅速。缺點(diǎn)是1氣門落座沖擊較大，易產(chǎn)生噪聲，磨損較快；2為了防止線圈過(guò)熱，需要另外的冷卻和潤(rùn)滑；3氣門落座速度過(guò)大。由上可知，只要是存在凸輪的可編氣門系統(tǒng)，其氣門的工作特性都受到凸輪輪廓線的限制。無(wú)凸輪可變氣門系統(tǒng)去掉了凸輪，而且系統(tǒng)由電子控制單元控制，其氣門正時(shí)、開(kāi)啟持續(xù)期、升程、動(dòng)作速度都是柔性可調(diào)的，是截止目前為止最有潛力、自由度最大的可變氣門系統(tǒng)。另外，凸輪軸被去掉，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，改善了曲軸的應(yīng)力狀態(tài)，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗。13本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容本文在借鑒國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以四沖程的汽油機(jī)下置式凸輪配氣機(jī)構(gòu)為例，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。運(yùn)用PRO/E軟件完成零件建模，并利用PRO/E中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)建立的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。得出氣門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系圖線。然后對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析，運(yùn)用凸輪運(yùn)動(dòng)特性的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)修改凸輪輪廓線對(duì)模型進(jìn)行合理改進(jìn)。從而使配氣機(jī)構(gòu)更加合理的工作，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。2配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理21配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)及其組成1）凸輪軸；2）氣門搖臂；3）氣門彈簧；4）氣門導(dǎo)管；5）氣門；6）氣門座圖21氣門機(jī)構(gòu)氣門機(jī)構(gòu)由氣門組和氣門傳動(dòng)組組成。氣門組包括氣門及與之相關(guān)聯(lián)的零件，其組成與配氣機(jī)構(gòu)的型式基本無(wú)關(guān)。氣門傳動(dòng)組是從正時(shí)齒輪開(kāi)始至推動(dòng)氣門動(dòng)作的所有零件，其組成視配氣機(jī)構(gòu)的形式而有所不同，關(guān)于氣門結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，各種系統(tǒng)也不盡相同，但是大體上是一致的，下面我們按照分類來(lái)教要說(shuō)明一下。22氣門機(jī)構(gòu)的分類221按氣門的布置分類按照氣門布置分為側(cè)置氣門（氣門布置在氣缸蓋側(cè)面，已淘汰）和頂置氣門式（氣門布置在氣缸蓋上）。氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)用最廣泛，其進(jìn)氣門和排氣門都倒掛在汽缸蓋上。氣門側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣門和排氣門都裝在汽缸體的一側(cè)。這種配氣機(jī)構(gòu)的氣門開(kāi)啟方法有兩種一種是利用搖臂驅(qū)動(dòng)，另一種是通過(guò)凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)。雖然這種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。但由于氣門布置在汽缸的一側(cè)，使燃燒室的結(jié)構(gòu)不緊湊，限制了壓縮比的提高，此外，還由于進(jìn)氣道拐彎多，進(jìn)氣流動(dòng)阻力大，因而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和高速性均較差。222按凸輪軸的布置型式分類凸輪軸的布置型式可分為下置、中置和頂置三種。它們都可用于氣門頂置式配氣機(jī)構(gòu)，而氣門側(cè)置式配氣機(jī)構(gòu)的凸輪軸只能是下置式。凸輪軸頂置式氣門機(jī)構(gòu)的凸輪軸布置在汽缸蓋上。在這種結(jié)構(gòu)中，凸輪軸直接通過(guò)搖臂來(lái)驅(qū)動(dòng)氣門。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有挺柱、推桿，使往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量大大減小。因此，它適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。但由于凸輪軸離曲軸中心線更遠(yuǎn)，因此正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜，而且拆裝汽缸蓋也比較困難。缸徑較小的柴油機(jī)的凸輪軸頂置時(shí)，給安裝噴油器也帶來(lái)了困難。凸輪軸下置（圖22）和中置的配氣機(jī)構(gòu)中的凸輪軸分別位于曲軸箱和汽缸體上部。對(duì)于高轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)，為了減小氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，可將凸輪軸的位置移到汽缸體的上部，由凸輪軸經(jīng)過(guò)挺柱直接驅(qū)動(dòng)搖臂而省去推桿，這種結(jié)構(gòu)被稱為凸輪軸中置式配氣機(jī)構(gòu)。23凸輪軸的傳動(dòng)方式凸輪軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅要曲軸帶著凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而且要使凸輪軸對(duì)曲軸保持一定的相位關(guān)系以保證氣門適時(shí)啟閉，因此常被稱為正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)。1）曲軸凸輪正時(shí)齒輪2）凸輪軸正時(shí)齒輪3）凸輪軸4）挺住5）推桿6）搖臂座7）搖臂軸8）搖臂9）氣門圖22齒輪傳動(dòng)鏈傳動(dòng)，可以想得到，就是用鏈條來(lái)傳遞曲軸和凸輪軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，特別適合于凸輪軸頂置的配氣機(jī)構(gòu)。這種傳動(dòng)方式對(duì)于減少噪聲、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低成本都有很大的好處。齒帶傳動(dòng)是現(xiàn)在高速發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用的傳動(dòng)方式，齒形帶由含鋼絲或尼龍絲的塑料帶制成，不需要潤(rùn)滑松邊也要張緊以防跳齒。成本低噪聲小，對(duì)轎車很有利，但是壽命一般不是很長(zhǎng)，只適用于小型高速汽油機(jī)。1）曲軸正時(shí)皮帶2）中間軸正時(shí)皮帶3）齒形皮帶4）張緊輪5）凸輪軸傳動(dòng)皮帶輪6）進(jìn)氣凸輪軸7）凸輪8）液壓挺住9）進(jìn)氣門組件10）進(jìn)氣凸輪軸圖23齒形皮帶傳動(dòng)24配氣相位配氣相位就是進(jìn)、排氣門的實(shí)際開(kāi)閉時(shí)刻，通常用相對(duì)于上、下止點(diǎn)曲軸位置的曲軸轉(zhuǎn)角的環(huán)形圖來(lái)表示，這種圖形常被稱為配氣相位圖如圖24所示?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)都采取延長(zhǎng)進(jìn)、排氣時(shí)間的方法，即氣門開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)刻并不正好是曲拐處在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)的時(shí)刻，而是分別提早和延遲一定的曲軸轉(zhuǎn)角，以改善進(jìn)、排氣狀況，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。圖24配氣相位圖凸輪軸上配置有各缸進(jìn)、排氣凸輪，用以使氣門按一定的工作次序和配氣相位及時(shí)開(kāi)閉，并保證氣門有足夠的升程。同一汽缸的進(jìn)、排氣凸輪的相對(duì)轉(zhuǎn)角位置是與既定的配氣相位相適應(yīng)的。發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)汽缸的進(jìn)氣或排氣凸輪的相對(duì)角位置應(yīng)符合發(fā)動(dòng)機(jī)各汽缸的點(diǎn)火次序和點(diǎn)火間隔時(shí)間的要求。因此，根據(jù)凸輪軸的旋轉(zhuǎn)方向以及各進(jìn)氣或排氣凸輪的工作次序，就可以判定發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火次序。凸輪軸通常由曲軸通過(guò)一對(duì)正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)，小齒輪和大齒輪分別用鍵裝在曲軸與凸輪軸的前端，其傳動(dòng)比為2L。氣門機(jī)構(gòu)的工作原理是這樣的，氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源是曲軸，即由連接于氣缸曲軸上的時(shí)規(guī)齒盤以時(shí)規(guī)鏈條來(lái)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)齒盤的齒比是12，也就是說(shuō)經(jīng)過(guò)4個(gè)行程后曲軸轉(zhuǎn)了7200度，而凸輪軸只轉(zhuǎn)了3600度。有了這些驅(qū)動(dòng)裝置，凸輪軸便能隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。平時(shí)因?yàn)闅忾T彈簧的彈力作用而關(guān)著的氣門，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(kāi)，之后再隨著凸面的離開(kāi)及氣門彈簧的作用而關(guān)閉。所以氣門機(jī)構(gòu)的功用就是按照發(fā)動(dòng)機(jī)每一汽缸內(nèi)所進(jìn)行的工作循環(huán)和點(diǎn)火次序的要求，定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉各汽缸的進(jìn)、排氣門，使新鮮可燃混合氣汽油機(jī)或空氣柴油機(jī)得以及時(shí)進(jìn)入汽缸，廢氣得以及時(shí)從汽缸排出。3配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)所研究的內(nèi)容包括凸輪從動(dòng)件（下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)中的挺柱，頂置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)中的搖臂）運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪的關(guān)系，以及從動(dòng)件與凸輪的相對(duì)滑動(dòng)關(guān)系；在不考慮機(jī)構(gòu)彈性的條件下，凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系。由前者可以明確從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)凸輪輪廓的曲率半徑以及凸輪從動(dòng)件摩擦潤(rùn)滑特性的影響，由后者可以得出單純凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律所決定的“氣門理論（幾何）運(yùn)動(dòng)規(guī)律”。這里只對(duì)下置式凸輪氣門機(jī)構(gòu)作詳細(xì)介紹。31由挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律求氣門的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律在下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)中，搖臂通常以其長(zhǎng)臂端的圓柱面與氣門桿端面接觸，短臂端則固定著氣門間隙調(diào)整螺釘，螺釘以球頭（或球窩）與推桿端的球面接觸。圖31搖臂簡(jiǎn)圖這樣的搖臂可以用圖31所示的杠桿AOB和擺桿BC來(lái)表示。在搖臂驅(qū)動(dòng)氣門的過(guò)程中，桿AOB繞O點(diǎn)（搖臂軸中心）擺動(dòng)，桿BC則繞B點(diǎn)擺動(dòng)而始終保持著垂直于氣門桿端面的位置。圖32給出了下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。作為一般可能的情況，挺柱中心線與氣門不平行。點(diǎn)F表示推桿下球頭和挺柱球窩的中心,AF表示推桿。當(dāng)凸輪驅(qū)動(dòng)挺柱以速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，點(diǎn)F沿挺柱中心線以運(yùn)動(dòng)，而搖臂的VFVA、B兩點(diǎn)的速度方向各垂直于OA和OB。延長(zhǎng)OA，與通過(guò)F的挺柱中心線垂線交于P，則P即推桿AB的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。于是（31）SIN9COSOAFFFVVV而B(niǎo)BAALOV式中、以及下文即將出現(xiàn)的含義見(jiàn)圖32。ALB氣門的運(yùn)動(dòng)速度（32COSCOSSBVBFALVV）定義“搖臂比”為氣門速度與挺柱速度之比，則I（33COSVBVFAFVLL）式中的就是圖32中的。點(diǎn)是通過(guò)點(diǎn)的挺柱中心線垂線與推桿的延長(zhǎng)線FLODOOE的交點(diǎn)，則是點(diǎn)至的垂直距離。VLBC圖32下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如果搖臂比是一個(gè)常數(shù)，則氣門的速度和加速度為VVVJFI（34）VFDVJIJTT而任意時(shí)刻時(shí)的氣門升程為T（35）0000VVVFFTTTTFHVDIVIVIVD式中是氣門始動(dòng)時(shí)刻，是挺柱始動(dòng)時(shí)間。顯然就是時(shí)刻的挺柱升0VT0FT0FTVDT程，而就是為消除氣門間隙所用去的挺柱升程。因此Y0FTVDY（36）0HIYIM若按此式算出的，說(shuō)明氣門間隙尚未消除，而即為該瞬時(shí)的間隙值。HH式（35）、（36）說(shuō)明，當(dāng)搖臂比為常數(shù)時(shí)，氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)I律的簡(jiǎn)單放大。但是下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)的搖臂比只是在滿足2OR（37）00的條件下才近似于常數(shù)。此處、和各為圖32中所示的三個(gè)位置角的初始值，即挺柱處于凸輪基圓上時(shí)的位置角。當(dāng)很小時(shí)可以認(rèn)為因此COS1,0,（38）000這樣，式（43）中的，搖臂比也近似于一個(gè)常數(shù)了。COS1IBAL如果不能滿足式（34），則對(duì)于的氣門機(jī)構(gòu)，其搖臂比會(huì)隨著挺00I柱的升起而漸漸變大。反之，對(duì)于的氣門機(jī)構(gòu)，將隨著挺柱的升起而逐I漸變小。例如，492QA的氣門機(jī)構(gòu)。其搖臂比就在148157的范圍內(nèi)變化，氣門全開(kāi)時(shí)最大。I對(duì)于搖臂比隨時(shí)間變化的下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，任一瞬時(shí)的氣門速度仍然是，而氣門加速度VFVI（）（39）VFFDVIDVIJTTTT2/MS不僅與有關(guān)，還同搖臂比的變化有關(guān)?？梢韵雀鶕?jù)氣門機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)VJFDVJTI系逐點(diǎn)計(jì)算和氣門升程，再利用、和逐點(diǎn)計(jì)算。IHFJVFJDITVJ下面就給出逐點(diǎn)計(jì)算氣門升程和搖臂比的算式。式中各符號(hào)的含義見(jiàn)圖37。坐標(biāo)軸線平行于氣缸中心線。挺柱中心線對(duì)軸線傾斜，斜度以挺柱中心線的垂OYOY直線對(duì)軸線的夾角表示，和推桿長(zhǎng)度，搖臂尺寸、和，氣門桿EUPLALB端面在氣門桿關(guān)閉時(shí)高出搖臂軸線的距離，氣門間隙等均為設(shè)計(jì)給定值。在氣Z門機(jī)構(gòu)的初始位置，挺柱和凸輪基圓接觸，推桿上球頭中心的坐標(biāo)、。已知0XY同時(shí)搖臂長(zhǎng)臂端圓柱面與氣門桿端面之間有氣門間隙。按照?qǐng)D33（A）中所示幾何關(guān)系，可以先依次把、和算出來(lái)。然后可計(jì)算OE0F0TS00挺柱升程為時(shí)的各位置參數(shù)（圖33（B），圖形如下YA）初始位置B氣門啟動(dòng)過(guò)程中任一瞬時(shí)狀態(tài)圖33下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈幾何關(guān)系圖各參數(shù)之間的關(guān)系可以從下面方程獲得0SINYYUCOX2OF（310）2ARCOSAPLOFLTAXSTARCTGY180OUS0CSINAOELARCTGFY0挺柱升程為時(shí)氣門升程和搖臂比就是YHI0SINBL311COSBAL按此計(jì)算出的若為負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)刻氣門間隙尚未清除，即該瞬時(shí)的間隙值。HH通常在氣門機(jī)構(gòu)的分析中挺柱、氣門的速度不用、（）表示，F(xiàn)DYVTVT/MS而用、（度）表示。此處是凸輪軸轉(zhuǎn)角。為便于區(qū)分，DY/M記（312）22,DYDYHDH則6,3FCFCVNJ（313）6VVHN式中是凸輪軸轉(zhuǎn)速。CNMINR當(dāng)挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律即其、和隨凸輪軸轉(zhuǎn)角變化的規(guī)律已知時(shí)，對(duì)于定搖Y臂比的氣門機(jī)構(gòu)，其氣門的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律就是。對(duì)于是變,HIYIHIYI量的氣門機(jī)構(gòu)，則只能以較小的轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)，用式（36）和式（37）逐點(diǎn)計(jì)算每一轉(zhuǎn)角下的和，氣門速度，而氣門的加速度。此處可得HIHIYDIIYDI自數(shù)值微分。顯然，變搖臂比的氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算比定搖臂比氣門機(jī)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)只要結(jié)構(gòu)布置條件允許，宜滿足式（34）所示的定搖臂條件。最后要說(shuō)明的是，根據(jù)虛位移原理，應(yīng)有（314）FVPV式中是由凸輪作用于挺柱的沿方向的力，是由氣門作用于搖臂長(zhǎng)臂端的逆FPFVP方向的力。因此，搖臂比既是速度之比，也是作用力之比（忽略慣性力），即VVI（315）VFVPI32球面挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓的關(guān)系很多發(fā)動(dòng)機(jī)的下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)不采用平底挺柱而采用球面挺柱。原因是凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行總有彎曲變形，要想使挺柱能適應(yīng)凸輪軸的變形而不發(fā)生尖點(diǎn)接觸，只可能有兩種辦法，一是把平底挺柱導(dǎo)向部分的外圓做成桶形面，二是把挺柱底面做成球面。原則上前一種辦法可使挺柱和凸輪保持線接觸以減小接觸應(yīng)力但目前用得較多的還是后一種球面底挺柱。球面半徑多大在之間，同時(shí)凸SR7501輪輪廓帶有錐度。凸輪中間斷面無(wú)需對(duì)應(yīng)挺柱中心線偏移就能使挺柱轉(zhuǎn)動(dòng)。815（1）基本關(guān)系式見(jiàn)圖38，球面挺柱的球面中心至凸輪中心的距離為SO（316）0SRRYM而（317）SSD式中的和各位球面挺柱的升程和速度（度），是凸輪驅(qū)動(dòng)球面挺柱時(shí)SY/S的凸輪轉(zhuǎn)角。就凸輪輪廓上同一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，它所對(duì)應(yīng)的不同與FSERARCTGRT凸輪驅(qū)動(dòng)平底挺柱時(shí)的。,Y圖38球面挺柱與凸輪的關(guān)系依照分析平底挺柱運(yùn)動(dòng)的方法也可以作出一個(gè)速度三角形，并可推導(dǎo)出（318）SEYRM和（）2FCCSCVGRA/MS（319）壓力角（）（320）SEARTGRTR這三個(gè)式子中應(yīng)以（度）為單位。R/M根據(jù)已知的數(shù)學(xué)公式，即坐標(biāo)曲線的曲率半徑為SF（321）3/22SRM故凸輪輪廓的曲率半徑為（322）3/22SSRRR此式中和各以（弧度）和（弧度）的為單位。SDR2S/M/M2球面挺柱與凸輪的接觸點(diǎn)沿挺柱球面移動(dòng)的速度為（323）SSSSCDRDRTT代入求導(dǎo)，最終可得（324）21SSCSRDRRT球面挺柱凸輪副建立承載油膜的有效速度為SSFCDRVTT（325）221SSCRR相應(yīng)得潤(rùn)滑特性數(shù)為（326）221SSSRN以上三式中的也以（弧度）為單位。R/M（2）平底挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律與球面挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律的換算關(guān)系凸輪外廓常常是按照它驅(qū)動(dòng)平底挺柱時(shí)的升程數(shù)據(jù)表給定、制造和檢驗(yàn)的。這就是說(shuō)往往已知的是而不是。由圖38可見(jiàn)對(duì)于同一接觸點(diǎn)YFSSYF。根據(jù)圖中所示幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出由已知的計(jì)算對(duì)應(yīng)的,SSY,Y的公式如下。,S220SSROERY（327）001SSRYM因球面挺柱的很大，很小，可近似認(rèn)為SR0SR20012SSYRYR（328）200SSRYM于是有（329）2001SSSYRYRSSOEARCTG（330）0SYTR在挺柱上升段和均為負(fù)值而為正值，；在挺柱下降段和S,SEYS均為正值而為負(fù)值，。SS又，由和的相似關(guān)系，SOGSE00SSEERYRY以和式（324）代入，可得,SEY（331）2012SSYYR如果要求解決的是給定的反求利用平底探頭檢驗(yàn)凸輪所需的升程數(shù)據(jù)，SSF即由計(jì)算對(duì)應(yīng)的，則,SY,Y0COSSRR（332）S須注意，由各計(jì)算各時(shí)，是等步長(zhǎng)增大的，得出的不是等步,Y,SYS長(zhǎng)遞增的。反之，由各計(jì)算各時(shí)，等步長(zhǎng)遞增的對(duì)應(yīng)不等步長(zhǎng)遞增,S,S的。要想按等步長(zhǎng)遞增的轉(zhuǎn)角給出對(duì)應(yīng)的升程數(shù)據(jù)，還必須對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插值處理。在實(shí)際工作中鑒于很大而很小，往往就把當(dāng)作，所引SRYFSSYF起的升程誤差一般不大于。1在此順便提一下帶滾輪的挺柱。式（321）至（326）六個(gè)式子對(duì)滾輪挺柱是適用，式（332）和（334）也適用，只是因其與同一數(shù)量級(jí)，式（331）SR0Y和（333）不使用。由圖316可以看出，同一凸輪在同一轉(zhuǎn)角下的滾輪挺柱升程小于平底挺柱升程。越小，二者相差越大。因此，同SY0COSBVXLSR一個(gè)凸腹圖輪驅(qū)動(dòng)滾輪挺柱時(shí)得到的氣門開(kāi)啟時(shí)面值小于驅(qū)動(dòng)平底挺柱時(shí)的時(shí)面值。如果用滾輪挺柱，宜配上切線凸輪（凹腹凸輪公藝性差，也不宜用）。不過(guò)由于滾輪挺柱的質(zhì)量較大而成本又較貴，在高速汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中一般時(shí)不用的。（3）搖臂長(zhǎng)臂端對(duì)氣門桿端面的滑移見(jiàn)圖39，在氣門開(kāi)啟過(guò)程中搖臂和氣門接觸點(diǎn)在搖臂端圓柱面上的位置和氣門桿端面上的位置都在變。在搖臂端圓柱面上的接觸點(diǎn)位移為（333）018VSM此處是氣門間隙剛消除而氣門尚未開(kāi)啟時(shí)得搖臂位置角，是開(kāi)啟過(guò)程中任一0V圖39搖臂長(zhǎng)臂端與氣門桿端的相對(duì)滑移圖310搖臂/氣門接觸點(diǎn)移距瞬時(shí)的位置角。，是氣門關(guān)閉時(shí)其桿端面0ARCSIN,ARCSINVBBZHZLL高出于搖臂軸線距離。在氣門桿端面上的接觸點(diǎn)位移為（334）0COSBVXLM和隨搖臂擺角變化的規(guī)律示于圖310。同一時(shí)刻SX0VVDT，說(shuō)明搖臂和氣門桿端面間有相對(duì)滑移。滑移速度為。BC為減少接觸面的磨損，希望（1）不出現(xiàn)；這就要求在氣門啟閉過(guò)程0XT中始終大于零，即搖臂端圓柱面的半徑應(yīng)大于，此處是氣門的最大升RHZRH程；（2）相對(duì)滑移總距離盡可能小些。據(jù)推導(dǎo)，當(dāng)略小于時(shí)最小RVSDTZ05VHS，實(shí)際氣門機(jī)構(gòu)多取。0354VZH為了使氣門桿端面的受力點(diǎn)不偏離氣門中心線過(guò)多，宜使接觸點(diǎn)的移動(dòng)范圍。此處是氣門全開(kāi)時(shí)的搖臂位置角，MAXCOS2OSBDVVLDD是氣門桿直徑。要滿足這一要求，應(yīng)小于，搖臂端圓柱面直徑的選SVDOV205O擇受此限制。此外，接觸點(diǎn)在氣門桿端面上的移動(dòng)范圍宜對(duì)稱與氣門中心線，因此和之間宜符合于或接近于的關(guān)系，此處是搖臂擺動(dòng)中心0CS/VBDVLVL至氣門中心線的距離。SO4配氣機(jī)構(gòu)模型建立41PRO/E簡(jiǎn)介PRO/E是PRO/ENGINEER的簡(jiǎn)稱，PRO/E是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PARAMETRICTECHNOLOGYCORPORATION，簡(jiǎn)稱PTC）的重要產(chǎn)品，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。PROE作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的模具和產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維CAD/CAM軟件之一。PRO/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。42配氣機(jī)構(gòu)建模的具體步驟本文選用的是北京吉普汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)。包括凸輪軸、推桿、搖臂、氣門組、推桿套。下面依次介紹零件建模過(guò)程和整體裝配。421零件建模1凸輪軸選取TOP平面作為基準(zhǔn)面，點(diǎn)擊草繪命令，繪制直徑為34MM的圓，圖41草繪出直徑34MM的圓然后點(diǎn)擊確定,選擇拉伸命令拉伸28MM，得到下圖圖42拉伸出28MM的圓柱選擇FRONT平面作為基準(zhǔn)面繪制草圖43草繪圖形確定后按旋轉(zhuǎn)命令并選擇去除材料旋轉(zhuǎn)后如下圖44旋轉(zhuǎn)切除然后選擇零件地面作為草繪平面繪制直徑32MM的圓，向下拉伸5MM得到下圖圖45拉伸出5MM的圓柱繼續(xù)選擇零件底面為草繪平面，繪制草圖如下圖46草繪凸輪輪廓線向下拉伸24MM得到第一個(gè)凸輪的圖形圖47凸輪按照上述方法得到的凸輪軸最終圖形圖48凸輪軸最后再利用前面用到的旋轉(zhuǎn)去進(jìn)行切槽，最后利用倒圓角命令對(duì)凸輪的頂端倒圓角得到凸輪軸的模型；圖49凸輪軸2搖臂選取TOP平面作為草繪平面，畫(huà)直徑為25和20的兩個(gè)同心圓圖410草繪同心圓然后選擇拉伸命令拉伸出如下圖形圖411拉伸出空心圓柱繼續(xù)選擇TOP平面為基準(zhǔn)平面，繪制下圖圖411草繪圖形然后向上拉伸3MM，圖412拉伸圖形選擇筋工具為其添加筋，如圖圖413添加筋選中全部，以TOP平面為參照進(jìn)行鏡像得到搖臂大致圖形圖414搖臂最后在利用拉伸和旋轉(zhuǎn)命令對(duì)其進(jìn)行修改得到最終圖形圖415搖臂3氣門組零件（1）氣門，用拉伸和旋轉(zhuǎn)命令即可得到如下圖所示的氣門圖形圖416氣門（2）氣門彈簧座，用拉伸和旋轉(zhuǎn)命令得到圖417氣門彈簧座（3）氣門導(dǎo)管圖418氣門導(dǎo)管（4）鎖片圖419鎖片（5）擋片圖420擋片4其他零件，運(yùn)用PRO/E中的命令一次繪制出了各個(gè)零件的圖形圖421推桿套圖422推桿圖423機(jī)架422零件的裝配1氣門組的裝配（1）首先將擋片設(shè)置為缺省，然后添加氣門導(dǎo)管，并用常規(guī)連接將其完全定義，使其固定。如圖圖424裝配（2）然后添加氣門，設(shè)置為滑動(dòng)桿連接，點(diǎn)擊放置依次選擇軸對(duì)齊和旋轉(zhuǎn)并選擇元件，得到如圖所示結(jié)果圖425滑動(dòng)桿連接（3）添加鎖片和氣門彈簧座，只需要用常規(guī)連接將其完全定義在氣門上邊，即讓其固定在氣門上得到圖圖426氣門裝配2總體裝配（1）凸輪軸裝配，為了方便裝配，作者自己設(shè)計(jì)了機(jī)架，在上文中已經(jīng)列出其零件圖。這里先將機(jī)架設(shè)置為缺省然后再添加凸輪軸，選擇銷釘連接，點(diǎn)擊放置。依次選擇軸對(duì)齊和平移并選擇元件得到下圖圖427（A）凸輪軸裝配圖427（B）凸輪軸裝配（2）推桿套裝配，添加元件是選擇推桿套，用常規(guī)連接將其完全定義，使其固定在機(jī)架上不動(dòng)，得到結(jié)果，其余推桿套按同樣方法裝配圖428推桿套裝配（3）推桿裝配，按照前面氣門裝配的方法，用滑動(dòng)桿連接定義推桿，得到推桿裝配圖圖429推桿裝配（4）搖臂裝配，搖臂采用和凸輪軸一樣的銷釘連接裝配后，點(diǎn)擊新設(shè)置，添加槽連接，選擇直線上的點(diǎn)，完成定義。其余搖臂按照同樣的方法裝配得到圖430（A）搖臂裝配圖430（B）搖臂裝配（5）氣門組的裝配。作者先采用剛性連接將氣門擋片和氣門套管完全定義，使其固定在機(jī)架上不動(dòng)，然后再設(shè)置新設(shè)置中加入槽連接，其余氣門組裝配方法相同圖431（A）氣門組裝配圖431（B）氣門組裝配43本章總結(jié)本章主要介紹了配氣機(jī)構(gòu)中零件的繪制以及整體的裝配，按照PRO/E的操作方法完成了模型的建立。在建模的過(guò)程中要注意在裝配時(shí)定義的連接要準(zhǔn)確，符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，為下一章的運(yùn)動(dòng)仿真做好充分準(zhǔn)備。5配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析51機(jī)構(gòu)連接定義511凸輪連接定義點(diǎn)擊應(yīng)用程序中選擇機(jī)構(gòu)，進(jìn)入機(jī)構(gòu)界面圖51機(jī)構(gòu)界面然后點(diǎn)擊，選擇凸輪連接，凸輪1選擇凸輪軸，凸輪2選擇推桿，點(diǎn)擊確定定義凸輪連接圖52凸輪定義其余推桿與凸輪連接用同樣的方法得到。512彈簧定義在機(jī)構(gòu)界面點(diǎn)擊定義彈簧，選取擋片上一點(diǎn)和氣門彈簧座上一點(diǎn)，設(shè)定K值為10，點(diǎn)擊確定得到氣門彈簧圖53定義彈簧其余彈簧方法相同，最終得到模型圖圖54模型圖52運(yùn)動(dòng)仿真521添加電機(jī)要使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，需要在機(jī)構(gòu)中添加伺服電機(jī)，為機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，在機(jī)構(gòu)界面點(diǎn)擊，定義伺服電機(jī)圖55（A）定義電機(jī)選取凸輪軸和機(jī)架的銷釘連接作為運(yùn)動(dòng)軸，然后再輪廓內(nèi)設(shè)定模位常數(shù)，A36，意為凸輪軸轉(zhuǎn)速位36度/每秒。然后點(diǎn)擊確定。圖55（B）定義電機(jī)522機(jī)構(gòu)分析定義點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)界面創(chuàng)建分析，類型選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)，終止時(shí)間改為10，初始配置選擇快照1后點(diǎn)擊確定圖56創(chuàng)建分析53運(yùn)動(dòng)仿真及數(shù)據(jù)測(cè)量在左側(cè)機(jī)構(gòu)樹(shù)中選中設(shè)置好的分析，點(diǎn)擊運(yùn)行圖57運(yùn)行分析然后點(diǎn)擊測(cè)量工具，選擇電機(jī)動(dòng)力，創(chuàng)建新測(cè)量選擇氣門上的一個(gè)點(diǎn)圖58測(cè)量定義分別測(cè)量出氣門位移，速度，加速度，點(diǎn)擊分別得出氣門的位移、速度、加速度圖線如下圖59氣門位移圖510氣門速度圖511氣門加速度54結(jié)果分析根據(jù)分析得到的運(yùn)動(dòng)線圖可以得到如下結(jié)論1、位移線圖從0時(shí)刻到1時(shí)刻位置沒(méi)有變化，此時(shí)，凸輪在基圓上運(yùn)動(dòng)，氣門禁止不動(dòng)。在1時(shí)刻到25時(shí)刻時(shí)位置位移變化較為劇烈，此時(shí)，氣門向下運(yùn)動(dòng)，完成進(jìn)氣過(guò)程。從25秒到4秒，氣門上升運(yùn)動(dòng)，完成排氣過(guò)程。位移圖線有一些不合理處，應(yīng)需在位移最小處停留1到2秒，保證氣門充分進(jìn)氣。2、速度線圖從0秒到1秒一直為0MM/S，因?yàn)榇藭r(shí)氣門一直不動(dòng)。從1時(shí)刻到25時(shí)刻位置，開(kāi)始進(jìn)氣，氣門速度變化較為劇烈，而此時(shí)需要?dú)忾T速度變化較為平緩；在25時(shí)刻位置速度存在突變，變化幅度為從40MM/S到0MM/S，說(shuō)明該位置凸輪輪廓曲線存在不連續(xù)的狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)加速度存在無(wú)窮大突變，進(jìn)而可能導(dǎo)致“剛性沖擊”，引起氣門沖擊問(wèn)題。在排氣過(guò)程中存在同樣的問(wèn)題。依據(jù)以上分析，說(shuō)明在氣門上升和下落階段存在速度不合理的問(wèn)題，需要修改凸輪闊線。3、加速度線圖從0時(shí)刻到1時(shí)刻位置加速度一直為0MM/S,此時(shí)氣門速度也為20MM/S，在1時(shí)刻時(shí)，氣門開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)加速度有突變，幅值位0MM/S到202MM/S，說(shuō)明該位置凸輪輪廓曲線存在不連續(xù)的狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)加速度存在有限突變，2進(jìn)而可能導(dǎo)致“柔性沖擊”，在2時(shí)刻到3時(shí)刻階段，氣門加速度存在多處突變，幅度為60MM/S到180MM/S說(shuō)明凸輪輪廓線存在不連續(xù)，可能導(dǎo)致柔性突變。依據(jù)以2上分析，說(shuō)明在氣門開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)和氣門到達(dá)最低點(diǎn)返回時(shí)的加速度存在突變，需要修改凸輪闊線。55改進(jìn)凸輪模型按照凸輪運(yùn)動(dòng)特性和實(shí)際中對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)的要求，作者對(duì)凸輪模型進(jìn)行修改，得到了新的凸輪輪廓線，然后重新進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真得到新的位移、速度和加速度圖線圖512改進(jìn)后的氣門位移圖513改進(jìn)后的氣門速度圖514改進(jìn)后的氣門加速度根據(jù)改進(jìn)后的圖線分析可以得出一下結(jié)論1、氣門位移圖開(kāi)始時(shí)變化較為平緩，而且在最低點(diǎn)出停留約05S，這樣的設(shè)計(jì)可以保證氣缸充分進(jìn)氣，有利于提高配氣機(jī)構(gòu)性能；2、經(jīng)過(guò)修改凸輪輪廓線，從氣門速度圖中可以看出，氣門速度沒(méi)有突變，消除了氣門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的剛性沖擊，而且速度變化幅度也變?yōu)?MM/S到16MM/S。這樣可以減小氣門落座的沖擊力，減少了配氣機(jī)構(gòu)的損害。3、由加速度圖像可以看出，氣門加速度幅度變化由原來(lái)的0MM/S到180MM/S2變?yōu)?MM/S到40MM/S，大大減小了氣門加速度的突變幅度。減小了氣門運(yùn)動(dòng)過(guò)程222中柔性沖擊，改善了配氣機(jī)構(gòu)的性能。6結(jié)論本片論文通過(guò)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展的學(xué)習(xí)和了解，結(jié)合所學(xué)過(guò)的知識(shí)，通過(guò)PRO/E建立模型，對(duì)氣門機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真得到以下結(jié)論1現(xiàn)有氣門機(jī)構(gòu)，氣門在到達(dá)最頂端的時(shí)候沒(méi)有停留，不能保證充分進(jìn)氣；2凸輪軸四段曲線連接處存在拐點(diǎn)，使氣門運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)速度和加速度的