凸轮型线对发动机性能影响毕业论文(编辑修改稿)

凸轮型线对发动机性能影响毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

应力过大 ,使凸轮过早磨损 ,一般认为最小曲率半径 应大于等于 2 mm。 6）配气机构动力学特性以及应力条件都会对凸轮型线的设计 产生 限制 ， 凸轮与挺柱间的接触应力在配气机构各零件中 最为严重。 接触面的最大接触应力一般被作为挺柱与凸轮接触表面的工作可靠性的估计依据，最大许用接触应力不应 过第二章 10 大，否则就会发生强烈的磨损、刮伤和点蚀， 严重时 甚至 会 出现裂纹和碎裂。 最大许用接触应力根据凸轮与挺柱配对使用的材料、表面处理、润滑条件，挺柱形式、凸轮廓线形状等各种不同情况而具有不同的值，可在机械设计手册中查到。 目前常用的凸轮外形可分为两大类 ， 一是由若干段简单几何曲线构成的圆弧凸轮；一是由函数曲线组成的函 数凸轮。 凸轮设计过程 时面值较大是圆弧凸轮 具有 的 典型 优点，但由于其曲率半径不连续 ，造成 加速度曲线 发生 突变 ， 这会引起配气机构 的 振动和噪声， 严重时 甚至 会 产生气门反跳，破坏配气相位。 随 这 内燃机 转速 向 着 高速 化 发展 这些现象 变得 更趋严重。 为适应内燃机高速化的需要 ， 函数凸轮 应运而生。 函数凸轮的最大优点 就 是 ： 在凸轮整个工作段 中 ， 加速度曲线不出现突变，而是逐渐变化的，这 样 就 能很好的 弥补 圆弧凸轮 所存在 的缺陷 了。 函数凸轮采用的函数曲线有多种形式 ，大体 上 可以分为两大类：一类是组合式；另一类 则 是整体式。 组合式 凸轮的 主要特点 就是 其 基本工作 段升程曲线 是 由若干段不同的函数曲线组合而成 的 分段曲线。 这些函数曲线为三角函数 、 低次多项式等。 常见的组合式凸轮有 ： 复合正弦凸轮 、 复合摆线凸轮、复合正弦抛物线加速度 凸轮 等。 整体式 凸轮 ，顾名思义， 就是 凸轮的基本工作段 升程曲线由一个函数曲线表示。 高次多项式凸轮 是目前 在 整体式函数凸轮中 应用较广的。 在 传统的函数凸轮型线设计 方法中， 挺柱升程函数 的 确定是 凸轮 设计的 开始 ,然后 把配气机构视作完全的刚性体 ,通过运动学 方法 直接得到气门的运动规律。 而在 现代动力优化设计 中 ,配气机构 则 被 视作更符合实际情况的弹性体 ,先选取理想的气门升程函数 ,然后 通过配气机构动力学 进行计算从而使 挺柱升程曲线 得到优化 ,进而得到 凸轮的外轮廓线。 凸轮型线 有很多种 ,而重要原则就是按照柴油机性能要求 选择一个 最适合所设计机型的凸轮型线 ,保证配气机构 工作 的 平稳性 ,同时满足柴油机动力性 能 的需求。 确定型线函数时 , 配气机构振动特征数 ε可以 作为选择型线 函数 的参考 ,即 ε = 𝑀𝜔21000𝐶，式中 M 为系统当量质量 (kg)。 C 为系统刚度 (N/mm)。 𝜔为凸轮轴角速度 (rad/s)。 ε是 配气机构的柔性程度 的表现。 一般 ,当 ε 时 ,系统刚性较好 ,可采用组合曲线 或者是 圆弧凸轮 ,因为这样可以 获得较大的 时面值 ,有利于充气效率 的提高。 当 ε 时 ,可采用组合曲线或高次方凸轮 ,以 使 发动机 工作 更加平稳性， 充气性能 更加良好。 当 ε 时 ,系统为柔性系统 ,此时应选用第二章 11 平稳性更佳 的多项式 凸轮 、 N次谐波或高次方凸轮。 缓冲段设计 内燃机 的配气机构由很多零件组成，它们在内燃机工作时 由于 温度的升高，会有不同程度的伸长，随着内燃机工作温度的不同，此伸长量也不断变化。 因此，在 设计 凸轮型线时必须使配气机构运动链中 留有一定的间隙，以保证气门在任何工况下都能 正常 闭合。 为了解决上述问题 ，在设计凸轮型线时，除了基本工作段外，还需要有缓冲段。 设计缓冲段 的通常 做法是 把理论基圆半径 减小一个 δ值 ，形成实际基圆，然后用过度曲线把实际基圆与凸轮的基本工作段圆滑相连。 缓冲过渡曲线的设计 过程 包括 ： 选择合适的缓冲过渡曲线函数 ，以及 缓冲过度曲线 所占的凸轮转角 大小 及最大升程 值。 在 选择 缓冲段最大升程 时 ， 配气机构的间隙 和弹性变形 都 应该 加以 考虑 ， 其 二者之和将影响最大升程值， 一般 的 内燃机缓冲段 的 最大升程在 ~ 范围内。 缓冲过度曲线所占凸轮转角 ∅一般在 15176。 ~40176。 之间。 当 缓冲段最大升程 确定后， 在 最大升程不变的情况下， ∅0越大 ，缓冲段的速度及加速度曲线就越平坦。 在这种条件下， 如 配气机构 间隙发生改变 ，则 配气相位 也会相应的 发生较大 的 变化。 反之 ， 影响 则 越小。 缓冲过度曲线 的形式 很多 ，目前常用的 曲线类型 有等加速 — 等速型 、余弦型等。 等加速 —— 等速型 升程曲线由 二次抛物线和直线组成。 其方程为 等加速段 ： 0≤𝜑0 ≤ ∅0 ℎ𝑡0 = 𝑎2𝜑02 𝜗𝑡0 = 𝑎𝜑0 𝑎𝑡0 = 𝑎 等速段 ： ∅0 ≤ 𝜑0 ≤ 𝜑0′ ℎ𝑡02 = 𝑎∅01(𝜑02 −∅01)+ 𝑎2∅012 𝜗𝑡02 = ∅01 𝑎𝑡02 = 0 式中 𝑎—— 预先选定的加速度值 ∅01—— 预先选定的加速度所占凸轮转角 𝜑02—— 预先选定的等速段所占凸轮转角 第二章 12 这种缓冲曲线具有如下优点 ： 当配气机构间隙 出现 变化时， 等速段能保证气门总以 恒定 的速度开启和落座；这种缓冲曲线在等速段的变化率较大， 导致的 结果便是 使配气机构间隙发生变化 时 ，或在刚度及凸轮制造尺寸 存在 差异时， 由其引起的气门开启与落座点的变化较小，从而 减小 对配气定时的影响 ； 等加速段 的作用 就是 保证挺 柱 由实际基圆过渡到缓冲段工作 时 ，速度由零 慢慢 增大， 不产生突变 ， 工作平稳，且缓冲段的终点 的 加速度为 0， 工作过程中 冲击和噪声也较小。 因此 ， 这种形式的缓冲过渡曲线目前用的较多。 余弦函数型 对于 这种形式的缓冲过渡曲线 ， 其 相应的 加速度曲线 一般为 余弦函数 形式。 这种 缓冲过度曲线被普遍应用于 函数凸轮 设计中。 其方程式为 ℎ𝑡0 = ℎ𝛿(1− cos 𝜋2∅0′𝜑) 𝜗𝑡0 = ℎ𝛿 𝜋2∅0′sin 𝜋2∅0′𝜑 𝑎𝑡0 = ℎ𝛿( 𝜋2∅0′)2cos 𝜋2∅0′𝜑 由于 这种 类型的 缓冲过度曲线 其 终点的加速度为零， 所以 工作过程中的 冲击和噪声就 较 小。 与 等加速 — 等速型 曲线一样，对配气定时的影响也 较小 ， 美中不足的是其 与其工作段曲线的衔接不光滑， 也就是说 ， 从过渡段到工作段 转变过程中 ，加速度仍 存在 突变，不过因过渡段 的 加速度不大， 所以 影响 也并不 严重。 基本 工作 段 是 配气凸轮升程曲线 中的主要部分 ， 所以 基本段 的 升程曲线或者加速度曲线的类型 也就 顺理成章的 成为了 凸轮的分类与命名 的 主要 参照 [22]。 在 配气机构 设计研究的早期阶段 ， 凸轮的 轮廓线 通常都是 由几种圆弧段或直线段组成 ，像这类几何形状 比较 简单的凸轮可称为几何凸轮， 例 如圆弧凸轮和切线凸轮。 这些凸轮的计算在一般的内燃机设计教材 和手册中 都有叙述，这里就不多说了。 加速度 的 曲线 存在 间断 是 几何凸轮的 一个 主要缺点 ，对配气机构 工作的 平稳性 会产生 不利 的 影响， 在 其优点 中 ， 除 其 形状简单外，主要 就 是丰满系数大，对提高 发动机的 充气 效率 有 很好 的 帮助。 另 外 一大类 配气凸轮是函数凸轮， 在 它们的设计方法 中 ，确定挺住升程函数是第一步 ， 而后 随之而定 的是 凸轮几何形状 ， 在函数凸轮 分类 中又可分为 以下 几种类型 ： 1） 组合式 组合式 凸轮的 基本段是 一 段 分段 函数，它由几个不同的 表达第二章 13 式 组合 而成。 例如等加速凸轮 、 梯形加速度凸轮和修正梯形加速度凸轮， F𝐵2型凸轮 、复合正弦凸轮 、 低次方组合式凸轮、 Kurz 的无冲击凸轮 等等。 这些 凸轮的 ℎ(𝑎)，除了 等加速凸轮 的二阶导数为间断外，其余几种凸轮的二阶导数都是连续的 [17]。 总体来说 ，这些凸轮 的 好处是设计比较灵活 、 直观，各段型线 有较大的 调节余地 ， 可以事先选定 ，某些 重要的参数，其丰满系数也可达到较大数值， 也具有比 几何凸轮更优越的平稳性 ，但可能比下面将要叙述的另两类凸轮稍逊。 2） 整体式 即 基本段 ℎ(𝑎)由一个整体的函数表达式表示。 例如 ℎ(𝑎)为多项式 形式的，称为多项式凸轮。 多项式的组成形式可以有许多种 ， 其中一类国内成为高次方凸轮。 还有 将 ℎ(𝑎)取为 有限相三角级数的， 称为N 次 谐波或高次简谐凸轮 [24]。 整体式凸轮 因 为具有光滑性较高的生成函数 ，对 发动机 的工作 平稳性 比较 有利， 所以在 高速凸轮机构 常使用整体式凸轮。 但 同时 由于 其丰满系数有时较小 ， 所以 设计难度 会 较大。 3） 动力修正式 上 面 介绍的 两类凸轮 的 设计都是从选取适当的 ℎ(𝑎)出发的。 而对于 气门升程 𝑦𝑎随凸轮转角 ∝的变化规律 ，则需再行通过配气机构动力学计算才能得到。 如 算出来 𝑦𝑎不理想 ，则需重新设计 ℎ(𝑎)。 动力修正式 凸轮 恰好相反 ， 它 是先设计理想的气门升程函数 𝑦𝑎， 然后根据动力学方程 反 过来确定 ℎ(𝑎)， 多项动力凸轮 就 属于这种类型的凸轮 ， N 次 谐波凸轮 也可以 进行动力修正。 这类凸轮在设计转速下 应 该能 够 达到较理想的工作状态，但需留心其在非设计转速下的震动形态等。 等加速凸轮的特点 是其加速度 分布 均采取分段常数的形式。 其 加速度分布 又可分为两类 ， 一类可称 为 “正负零型 ” ， 指 的是 其相应的挺柱加速度曲线为正 ——负 —— 零， 因此其升程 曲线 形式就 为凹抛物线 —— 凸抛物线 —— 平直线，速度曲线 形状 为升 —— 降 —— 零，另一类可称 为 “ 正零负 型 ” ， 指其加速度曲线 形状 为正 —— 零 —— 负， 而 升程曲线 的形状 就 为凹抛物线 —— 斜直线 —— 凸抛物线，速度曲线 则 为升 —— 平 —— 降。 这里只介绍 第一类 即 “ 正负零 型 ” 等加速凸轮的计算方法 ，对于第二类等加速凸轮的计算，可以做类似的说明 [23]。 第一类等加速凸轮相应的挺柱升程曲线公式 为 第二章。