凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用-知識(shí)擴(kuò)展DOC

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1、凸輪機(jī)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用 凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 自動(dòng)機(jī)床進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的應(yīng)用（結(jié)構(gòu)原理、實(shí)際機(jī)械） 圓珠筆生產(chǎn)線、繞線機(jī)排線等速運(yùn)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)、圓柱凸輪送料機(jī)構(gòu) 圓柱凸輪間歇分度機(jī)構(gòu)、蝸桿凸輪間歇分度機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪間歇機(jī)構(gòu)（應(yīng)用：PU-心軸型凸輪分度器） 凸輪間歇分度器、圓柱凸輪電風(fēng)扇搖頭機(jī)構(gòu)、 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)的軌跡（雙凸輪組合機(jī)構(gòu)） 凸輪連桿組合：凸輪-連桿機(jī)構(gòu)1、凸輪-連桿機(jī)構(gòu)2、凸輪-連桿機(jī)構(gòu)3 工業(yè)應(yīng)用（需剪部分視頻拆分）、相位可調(diào)凸輪機(jī)構(gòu) 平底從動(dòng)件頂桿式力封閉型配氣凸輪機(jī)構(gòu)、V型雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu) BMW S1000 RR 配氣凸輪機(jī)構(gòu) 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 1. 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)

2、配氣機(jī)構(gòu) 1） CB系列頂置式配氣機(jī)構(gòu) 頂置式配氣機(jī)構(gòu)如圖6所示，O1為曲軸回轉(zhuǎn)中心，O2為凸輪回轉(zhuǎn)中心，兩者由鏈傳動(dòng)連接，其傳動(dòng)比為i12=0.5。 （a）配氣凸輪機(jī)構(gòu) (b) 搖臂 CB系列頂置式配氣機(jī)構(gòu) CB系列頂置式配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 設(shè)計(jì)最終歸結(jié)為氣門位移的配氣定時(shí)，如圖7所示。 氣門位移的配氣定時(shí) 排氣提前角=55.284°，進(jìn)氣提前角=29.674°，排氣遲閉角=45.716°，進(jìn)氣遲閉角=46.326°，而氣門重疊角+=75.39°。調(diào)整正時(shí)角和桃尖角，可改配氣定時(shí)，后面談到的可變氣門正時(shí)技術(shù)，即是按此方式進(jìn)行。

3、 對(duì)用于摩托車的高速發(fā)動(dòng)機(jī)，為追求高轉(zhuǎn)速時(shí)的大功率，應(yīng)具有較大的氣門重疊角。觀察下述仿真分析軟件知： CG配氣定時(shí)仿真分析 2） CG系列下置式配氣機(jī)構(gòu) 下置式配氣機(jī)構(gòu)如圖8所示，Oq為曲軸回轉(zhuǎn)中心，O’為凸輪回轉(zhuǎn)中心，兩者由一對(duì)齒輪傳動(dòng)連接，其傳動(dòng)比為i=0.5。凸輪驅(qū)動(dòng)下?lián)u臂，推動(dòng)頂桿，由上搖臂實(shí)現(xiàn)對(duì)氣門的打開與關(guān)閉。 圖8 CG系列下置式配氣機(jī)構(gòu) 下置式配氣機(jī)構(gòu)對(duì)配氣定時(shí)的要求與頂置式配氣機(jī)構(gòu)相同。 CG系列頂置式配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析CG配氣定時(shí)仿真分析 由配氣定時(shí)仿真分析知：CG發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣與排氣搖臂均由同一凸輪驅(qū)動(dòng)，這就產(chǎn)生了一個(gè)十分有趣的問題。 由凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)

4、計(jì)理論知，進(jìn)氣凸輪機(jī)構(gòu)為逆向設(shè)計(jì)，而排氣凸輪機(jī)構(gòu)為正向設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律均相同的條件下，理論上分別按逆向設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)所獲得的兩個(gè)凸輪的輪廓形狀是不相同的，且相位位置也完全不同。 擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（提供參數(shù)文件，邊講解邊運(yùn)行軟件） 分別按正向和逆向設(shè)計(jì)所得到的2個(gè)凸輪及相位位置如圖10所示。 (a) 正向設(shè)計(jì) (b) 逆向設(shè)計(jì) 而CG發(fā)動(dòng)機(jī)又是同一凸輪驅(qū)動(dòng)，我國(guó)所有CG發(fā)動(dòng)機(jī)源于日本的本田CG125，日本人是怎么進(jìn)行設(shè)計(jì)的？ 破解：【宋立權(quán)，潘玉蕊，唐彬. 摩托車CG系列發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)最優(yōu)尺度綜合研究與應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2007

5、,43(7). p221-225】 2. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī) 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)配氣及燃燒過(guò)程演示 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展 如前所述，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為高速發(fā)動(dòng)機(jī)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000 rpm以上，最大功率一般在7500－8500 rpm，由于成本問題的限制，一般采用2氣門（1進(jìn)1排），且很少采用可變正時(shí)和可變升程技術(shù)。 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作轉(zhuǎn)速一般在6500 rpm左右，常用工作轉(zhuǎn)速一般在2000－3000 rpm，為節(jié)約燃油消耗、降低排放并提高發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)采用了可變氣門正時(shí)和可變氣門升程技術(shù)。 可變氣門正時(shí)技術(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的高轉(zhuǎn)速，使四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)工作行程僅需千分之幾秒，

6、短促的時(shí)間往往會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣不足，排氣不凈，造成功率下降。因此，需要利用氣流的進(jìn)氣慣性，氣門要早開晚關(guān)，以達(dá)到進(jìn)氣充分，排氣干凈的要求。 氣門的配氣正時(shí)是由凸輪的相位角決定的。對(duì)于沒有可變氣門正時(shí)技術(shù)的普通發(fā)動(dòng)機(jī)而言，進(jìn)、排氣們開閉時(shí)間都是固定的，這種固定不變的氣門正時(shí)很難顧及到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況時(shí)的工作需要。為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)不同的負(fù)載情況能夠自由調(diào)整“呼吸”，氣門正時(shí)的可變性就發(fā)揮出了應(yīng)有的作用，以達(dá)到提升發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和使燃燒更充分。 重疊角較大的發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下能發(fā)揮大的功率，在低轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩輸出方面表現(xiàn)欠佳；而重疊角小的發(fā)動(dòng)機(jī)是在犧牲了動(dòng)力性能的前提下具有運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性和高轉(zhuǎn)矩。因此

7、，需要在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到凸輪形狀和正時(shí)的設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下均具有優(yōu)良的動(dòng)力特性。 為了解決這個(gè)問題，要求“氣門重疊角”的大小可以根據(jù)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，使高、低轉(zhuǎn)速下都可以獲得理想的進(jìn)氣量從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率和減少減少NOx的排放，這就是可變氣門正時(shí)技術(shù)開發(fā)的目的。 發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門正時(shí)技術(shù)的英文縮寫是“VVT”（Variable Valve Timing），是“可變氣門正時(shí)”的通稱。可變氣門正時(shí)的原理是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況，調(diào)整進(jìn)氣、排氣的量，控制氣門開合的時(shí)間和角度，使進(jìn)入的空氣量達(dá)到最佳，從而提高燃燒效率。 CVVT－連續(xù)可變氣門正時(shí)技術(shù),是一種通過(guò)電子液壓控制系統(tǒng)

8、控制打開進(jìn)氣門的時(shí)間早晚，從而控制所需的氣門重疊角的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，來(lái)延遲或提前進(jìn)氣門的打開時(shí)間，特點(diǎn)是能夠穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，降低污染排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。例如伊蘭特采用CVVT發(fā)動(dòng)機(jī)后減少了油耗8%以上。 雙CVVT技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，它分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，其效果如同一個(gè)較小的渦輪增壓器，能有效地提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。與單CVVT相比，由于進(jìn)氣量的的加大，并使得汽油的燃燒更加完全，更省油，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低排放的目的。如北京現(xiàn)代09款中高端轎車領(lǐng)翔發(fā)動(dòng)機(jī)就采用該項(xiàng)技術(shù)，大大提高了整車的科技性。 圖11為通過(guò)調(diào)整凸輪的相位角來(lái)達(dá)到改變配氣定時(shí)的目

9、的 圖11 調(diào)整凸輪的相位角 VVT系統(tǒng)通過(guò)在凸輪軸的傳動(dòng)端加裝一套液力機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)凸輪軸在一定范圍內(nèi)的角度調(diào)節(jié)，即于氣門的開啟和關(guān)閉時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖中，內(nèi)轉(zhuǎn)子與凸輪軸相連，內(nèi)轉(zhuǎn)子在外轉(zhuǎn)子的推動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子在油壓的作用下可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的角度提前和延后。 圖12 角度調(diào)整的液力機(jī)構(gòu) 圖13所示為采用可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。 圖13采用可變氣門正時(shí)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī) 最先將氣門正時(shí)技術(shù)應(yīng)用的公司是意大利的阿爾法羅密歐。作為第一個(gè)開發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的廠商，用兩根不同的凸輪軸來(lái)控制進(jìn)氣門和排氣門的開閉時(shí)間，從而達(dá)到了比單凸輪軸更為有效的效果。該裝置由名

10、叫Giampaolo Garcea的工程師發(fā)明，在進(jìn)氣凸輪軸的主動(dòng)鏈輪里加上一個(gè)裝置，并由螺旋鍵槽將其與凸輪相連接，來(lái)改變氣門的正時(shí)效果，并在增大了氣門重疊角后獲得了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)如圖14所示。 圖14可變氣門正時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 日產(chǎn)和本田公司分別在1987年和1989年，研發(fā)出了自己的雙頂置凸輪軸系統(tǒng)，即NVCS(Nissan Valve Timing Control System－日產(chǎn)可變氣門正時(shí)系統(tǒng))和VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System－可變氣門正時(shí)及升程電子控制系統(tǒng)）系統(tǒng)。1992年，寶馬公司

11、開發(fā)出Vanos系統(tǒng)，最先被應(yīng)用在了進(jìn)氣凸輪軸上，并在1998年，推出了雙Vanos系統(tǒng)。 豐田的VVT－i（i的英文為Intake，意為“進(jìn)氣”可變）技術(shù)的工作原理為：系統(tǒng)由ECU（引擎電子控制單元）協(xié)調(diào)控制，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)各部位的傳感器隨時(shí)向ECU報(bào)告運(yùn)轉(zhuǎn)工況，在ECU中儲(chǔ)存有氣門最佳正時(shí)參數(shù)，ECU會(huì)隨時(shí)控制凸輪軸，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整氣門的開啟時(shí)間，以達(dá)到可變正時(shí)的目的。 可變氣門升程技術(shù) VVT或CVVT技術(shù)通過(guò)合理的分配氣門開啟的時(shí)間可以有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)矩等性能的提升作用不明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力表現(xiàn)主要取決與單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量，氣門正時(shí)所體現(xiàn)的是氣門開啟

12、的時(shí)間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小。從原理上看，可變氣門正時(shí)技術(shù)也是通過(guò)改變進(jìn)氣量來(lái)改善動(dòng)力表現(xiàn)的，但是氣門正時(shí)只能增加或者縮小氣門開啟時(shí)間，并不能有效改善汽缸內(nèi)單位時(shí)間的進(jìn)氣量，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的幫助并不大，而可變氣門升程技術(shù)并結(jié)合VVT（CVVT）技術(shù)則圓滿地解決了這個(gè)問題。 可變氣門升程技術(shù)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下匹配合適的氣門升程，使得低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩充沛，而高轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)力強(qiáng)勁。低轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)使用較小的氣門升程，這樣有利于增加缸內(nèi)紊流以提高燃燒速度，增加發(fā)動(dòng)機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩，而高轉(zhuǎn)速時(shí)較大的氣門升程則可以顯著提高進(jìn)氣量，從而提升高轉(zhuǎn)速時(shí)的功率輸出。 本田的i－VTEC技術(shù)是最早將可變氣

13、門升程技術(shù)成功應(yīng)用的廠家。本田工程師利用第三根搖臂和第三個(gè)凸輪即實(shí)現(xiàn)了看似復(fù)雜的氣門升程變化，其工作原理如圖15所示。 圖15本田K20Z3發(fā)動(dòng)機(jī)的i-VTEC系統(tǒng) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)控制將兩個(gè)進(jìn)氣搖臂和中間搖臂連接為一體，此時(shí)三個(gè)搖臂就會(huì)同時(shí)被高角度凸輪驅(qū)動(dòng)，而氣門升程也會(huì)隨之加大，進(jìn)氣量增大，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力增強(qiáng)。這種突然的動(dòng)力爆發(fā)能夠增加駕駛樂趣，缺點(diǎn)是動(dòng)力輸出不夠線性，具有一定的沖擊。 奧迪、三菱和豐田等廠家也研發(fā)出可變氣門升程技術(shù)，均是通過(guò)增加凸輪軸上的凸輪來(lái)實(shí)現(xiàn)了氣門升程的分段可調(diào)。 連續(xù)可變氣門升程技術(shù) 日產(chǎn)和寶馬推出了連續(xù)可變氣門升程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣門升程的無(wú)級(jí)可調(diào)

14、。英菲尼迪VVEL技術(shù)在驅(qū)動(dòng)氣門運(yùn)動(dòng)的搖臂增加了一組螺桿和螺套，螺套由一根連桿與控制桿相連，連桿和一個(gè)搖臂和控制桿相連帶動(dòng)氣門頂端的凸輪。螺套的橫向移動(dòng)可以帶動(dòng)控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)，控制桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)上面的搖臂隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖臂又與link B相連，搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會(huì)頂起氣門來(lái)改變氣門升程。日產(chǎn)通過(guò)這樣一套連桿和螺桿的組合實(shí)現(xiàn)了氣門升程的連續(xù)可調(diào)，如圖16所示。 圖16連桿和螺桿的組合的連續(xù)可變氣門升程技術(shù) 相比分段可調(diào)的i-VTEC技術(shù)，連續(xù)可變的氣門升程不僅提供全轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)更強(qiáng)的動(dòng)力，也使得動(dòng)力的輸出更加線性，這項(xiàng)技術(shù)最先就被裝備在G37的VQ37VH

15、R發(fā)動(dòng)機(jī)上。 VANOS是寶馬開發(fā)的連續(xù)可變氣門正時(shí)技術(shù)，寶馬2.0升直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是進(jìn)氣氣門正時(shí)和排氣氣門正時(shí)同時(shí)可變的Double-VANOS雙可變氣門系統(tǒng)。Double-VANOS系統(tǒng)能夠在大部分轉(zhuǎn)速區(qū)內(nèi)持續(xù)地調(diào)節(jié)進(jìn)氣門正時(shí)和排氣門正時(shí)，并且還能夠在各種工況下控制高溫廢氣再循環(huán)進(jìn)入進(jìn)氣歧管的流量，利用調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣量在低速時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，在高速時(shí)產(chǎn)生最大輸出功率。其連續(xù)可變氣門正時(shí)技術(shù)與日產(chǎn)英菲尼迪VVEL技術(shù)類似。 BMW連續(xù)可變氣門正時(shí)技術(shù)演示 3. 結(jié)束語(yǔ) 配備在大眾GTI上的2.0 T-FSI發(fā)動(dòng)機(jī)（T－渦輪增壓，F(xiàn)SI－Fuel Stratified Inje

16、ction－燃油分層噴射），5100轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)力輸出為147千瓦，升功率達(dá)到了73.5 kw/L。由于擁有直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃油直接噴射的特征，還擁有渦輪增壓器，所創(chuàng)造的動(dòng)力強(qiáng)大和突出的扭矩輸出區(qū)域，其卓越的響應(yīng)提供給駕駛者完美的操控快感，也完全沒有機(jī)械渦輪增壓器動(dòng)力滯后的現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)的完美結(jié)合。 直噴演示 圖17凱迪拉克D-VVT可變雙氣門技術(shù)＋直噴技術(shù) 直噴演示畫外音 發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷工況，可以自動(dòng)選擇兩種運(yùn)行模式。在低負(fù)荷時(shí)為分層稀薄燃燒，在高負(fù)荷時(shí)則為均質(zhì)燃燒。 低負(fù)荷時(shí)，油門為半開狀態(tài)，燃油系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮沖程噴注燃油，特別的活塞頂設(shè)計(jì)（彎曲頂面活塞）使吸入的空氣和噴

17、入的燃油形成滾流，僅在火花塞周圍形成達(dá)到理論空燃比、足以燃燒的空燃混合氣，來(lái)引燃整個(gè)燃燒室內(nèi)的混合氣，而在燃燒室的其他地方則為富含空氣的高空燃比混合氣，以此形成稀薄燃燒。 全負(fù)荷時(shí)，根據(jù)吸入空氣量精確控制地燃油的噴注量，燃油與空氣同步注入汽缸并充分霧化混合，使符合理論空燃比的混合氣均勻地充滿燃燒室，即，形成勻質(zhì)燃燒， 充分的燃燒使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力得到淋漓盡致的發(fā)揮。而燃油的蒸發(fā)又使混合氣降溫去除了爆震的產(chǎn)生，即在均勻燃燒情況和獲得高動(dòng)力輸出和扭矩的同時(shí)付出了較低的燃油消耗。 結(jié)合可變氣門技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓技術(shù)、直噴技術(shù)以及氣道和燃燒室的優(yōu)化，不僅使得發(fā)動(dòng)機(jī)具有低排放、低能耗，并具有更強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出。這些技術(shù)能夠讓發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋，同時(shí)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)氣門升程的精確控制，實(shí)現(xiàn)了車輛在各種工況和負(fù)荷下的最佳動(dòng)力匹配。