凸輪機構設計及應用-知識擴展DOC

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1、凸輪機構的發(fā)展應用 凸輪機構的應用 自動機床進刀機構的應用（結構原理、實際機械） 圓珠筆生產(chǎn)線、繞線機排線等速運動凸輪機構、圓柱凸輪送料機構 圓柱凸輪間歇分度機構、蝸桿凸輪間歇分度機構 轉動-轉動凸輪間歇機構（應用：PU-心軸型凸輪分度器） 凸輪間歇分度器、圓柱凸輪電風扇搖頭機構、 實現(xiàn)點的軌跡（雙凸輪組合機構） 凸輪連桿組合：凸輪-連桿機構1、凸輪-連桿機構2、凸輪-連桿機構3 工業(yè)應用（需剪部分視頻拆分）、相位可調(diào)凸輪機構 平底從動件頂桿式力封閉型配氣凸輪機構、V型雙缸發(fā)動機配氣機構 BMW S1000 RR 配氣凸輪機構 發(fā)動機配氣機構的應用 1. 摩托車發(fā)動機

2、配氣機構 1） CB系列頂置式配氣機構 頂置式配氣機構如圖6所示，O1為曲軸回轉中心，O2為凸輪回轉中心，兩者由鏈傳動連接，其傳動比為i12=0.5。 （a）配氣凸輪機構 (b) 搖臂 CB系列頂置式配氣機構 CB系列頂置式配氣機構設計分析 設計最終歸結為氣門位移的配氣定時，如圖7所示。 氣門位移的配氣定時 排氣提前角=55.284°，進氣提前角=29.674°，排氣遲閉角=45.716°，進氣遲閉角=46.326°，而氣門重疊角+=75.39°。調(diào)整正時角和桃尖角，可改配氣定時，后面談到的可變氣門正時技術，即是按此方式進行。

3、 對用于摩托車的高速發(fā)動機，為追求高轉速時的大功率，應具有較大的氣門重疊角。觀察下述仿真分析軟件知： CG配氣定時仿真分析 2） CG系列下置式配氣機構 下置式配氣機構如圖8所示，Oq為曲軸回轉中心，O’為凸輪回轉中心，兩者由一對齒輪傳動連接，其傳動比為i=0.5。凸輪驅動下?lián)u臂，推動頂桿，由上搖臂實現(xiàn)對氣門的打開與關閉。 圖8 CG系列下置式配氣機構 下置式配氣機構對配氣定時的要求與頂置式配氣機構相同。 CG系列頂置式配氣機構設計分析CG配氣定時仿真分析 由配氣定時仿真分析知：CG發(fā)動機配氣機構的進氣與排氣搖臂均由同一凸輪驅動，這就產(chǎn)生了一個十分有趣的問題。 由凸輪機構的設

4、計理論知，進氣凸輪機構為逆向設計，而排氣凸輪機構為正向設計。在結構參數(shù)和運動規(guī)律均相同的條件下，理論上分別按逆向設計和正向設計所獲得的兩個凸輪的輪廓形狀是不相同的，且相位位置也完全不同。 擺動從動件盤形凸輪機構設計（提供參數(shù)文件，邊講解邊運行軟件） 分別按正向和逆向設計所得到的2個凸輪及相位位置如圖10所示。 (a) 正向設計 (b) 逆向設計 而CG發(fā)動機又是同一凸輪驅動，我國所有CG發(fā)動機源于日本的本田CG125，日本人是怎么進行設計的？ 破解：【宋立權，潘玉蕊，唐彬. 摩托車CG系列發(fā)動機配氣凸輪機構最優(yōu)尺度綜合研究與應用[J].機械工程學報.2007

5、,43(7). p221-225】 2. 汽車發(fā)動機 四缸發(fā)動機配氣及燃燒過程演示 汽車發(fā)動機配氣機構的發(fā)展 如前所述，摩托車發(fā)動機為高速發(fā)動機，最高轉速可達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1排），且很少采用可變正時和可變升程技術。 汽車發(fā)動機的最高工作轉速一般在6500 rpm左右，常用工作轉速一般在2000－3000 rpm，為節(jié)約燃油消耗、降低排放并提高發(fā)動機的升功率，對配氣機構采用了可變氣門正時和可變氣門升程技術。 可變氣門正時技術 發(fā)動機工作時的高轉速，使四沖程發(fā)動機的一個工作行程僅需千分之幾秒，

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

7、，需要在設計時，充分考慮到凸輪形狀和正時的設計，使發(fā)動機在不同轉速下均具有優(yōu)良的動力特性。 為了解決這個問題，要求“氣門重疊角”的大小可以根據(jù)轉速和負載的不同進行調(diào)節(jié)，使高、低轉速下都可以獲得理想的進氣量從而提升發(fā)動機燃燒效率和減少減少NOx的排放，這就是可變氣門正時技術開發(fā)的目的。 發(fā)動機可變氣門正時技術的英文縮寫是“VVT”（Variable Valve Timing），是“可變氣門正時”的通稱?？勺儦忾T正時的原理是根據(jù)發(fā)動機的運行情況，調(diào)整進氣、排氣的量，控制氣門開合的時間和角度，使進入的空氣量達到最佳，從而提高燃燒效率。 CVVT－連續(xù)可變氣門正時技術,是一種通過電子液壓控制系統(tǒng)

8、控制打開進氣門的時間早晚，從而控制所需的氣門重疊角的技術。這項技術根據(jù)發(fā)動機的工作狀態(tài)，來延遲或提前進氣門的打開時間，特點是能夠穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，提高發(fā)動機工作效率，降低污染排放，提高燃油經(jīng)濟性。例如伊蘭特采用CVVT發(fā)動機后減少了油耗8%以上。 雙CVVT技術是發(fā)動機技術的進步，它分別控制發(fā)動機的進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，其效果如同一個較小的渦輪增壓器，能有效地提升發(fā)動機動力。與單CVVT相比，由于進氣量的的加大，并使得汽油的燃燒更加完全，更省油，同時實現(xiàn)了低排放的目的。如北京現(xiàn)代09款中高端轎車領翔發(fā)動機就采用該項技術，大大提高了整車的科技性。 圖11為通過調(diào)整凸輪的相位角來達到改變配氣定時的目

9、的 圖11 調(diào)整凸輪的相位角 VVT系統(tǒng)通過在凸輪軸的傳動端加裝一套液力機構，從而實現(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閉時刻進行調(diào)整，其內(nèi)部結構如圖12所示。圖中，內(nèi)轉子與凸輪軸相連，內(nèi)轉子在外轉子的推動下旋轉，同時內(nèi)轉子在油壓的作用下可實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的角度提前和延后。 圖12 角度調(diào)整的液力機構 圖13所示為采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機。 圖13采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機 最先將氣門正時技術應用的公司是意大利的阿爾法羅密歐。作為第一個開發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動機的廠商，用兩根不同的凸輪軸來控制進氣門和排氣門的開閉時間，從而達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，在進氣凸輪軸的主動鏈輪里加上一個裝置，并由螺旋鍵槽將其與凸輪相連接，來改變氣門的正時效果，并在增大了氣門重疊角后獲得了更好的燃油經(jīng)濟性。結構如圖14所示。 圖14可變氣門正時系統(tǒng)結構 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)可變氣門正時系統(tǒng))和VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System－可變氣門正時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)，最先被應用在了進氣凸輪軸上，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“進氣”可變）技術的工作原理為：系統(tǒng)由ECU（引擎電子控制單元）協(xié)調(diào)控制，來自發(fā)動機各部位的傳感器隨時向ECU報告運轉工況，在ECU中儲存有氣門最佳正時參數(shù)，ECU會隨時控制凸輪軸，根據(jù)發(fā)動機轉速調(diào)整氣門的開啟時間，以達到可變正時的目的。 可變氣門升程技術 VVT或CVVT技術通過合理的分配氣門開啟的時間可以有效提高發(fā)動機的效率和經(jīng)濟性，但是對發(fā)動機功率轉矩等性能的提升作用不明顯。發(fā)動機的動力表現(xiàn)主要取決與單位時間內(nèi)的進氣量，氣門正時所體現(xiàn)的是氣門開啟

12、的時間，而氣門升程則代表了氣門開啟的大小。從原理上看，可變氣門正時技術也是通過改變進氣量來改善動力表現(xiàn)的，但是氣門正時只能增加或者縮小氣門開啟時間，并不能有效改善汽缸內(nèi)單位時間的進氣量，因此對發(fā)動機動力性的幫助并不大，而可變氣門升程技術并結合VVT（CVVT）技術則圓滿地解決了這個問題。 可變氣門升程技術可以在發(fā)動機不同轉速下匹配合適的氣門升程，使得低轉速下轉矩充沛，而高轉速時動力強勁。低轉速時系統(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)動機低速輸出轉矩，而高轉速時較大的氣門升程則可以顯著提高進氣量，從而提升高轉速時的功率輸出。 本田的i－VTEC技術是最早將可變氣

13、門升程技術成功應用的廠家。本田工程師利用第三根搖臂和第三個凸輪即實現(xiàn)了看似復雜的氣門升程變化，其工作原理如圖15所示。 圖15本田K20Z3發(fā)動機的i-VTEC系統(tǒng) 當發(fā)動機達到一定轉速時，系統(tǒng)控制將兩個進氣搖臂和中間搖臂連接為一體，此時三個搖臂就會同時被高角度凸輪驅動，而氣門升程也會隨之加大，進氣量增大，發(fā)動機動力增強。這種突然的動力爆發(fā)能夠增加駕駛樂趣，缺點是動力輸出不夠線性，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，均是通過增加凸輪軸上的凸輪來實現(xiàn)了氣門升程的分段可調(diào)。 連續(xù)可變氣門升程技術 日產(chǎn)和寶馬推出了連續(xù)可變氣門升程技術，實現(xiàn)了氣門升程的無級可調(diào)

14、。英菲尼迪VVEL技術在驅動氣門運動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，連桿和一個搖臂和控制桿相連帶動氣門頂端的凸輪。螺套的橫向移動可以帶動控制桿轉動，控制桿轉動時上面的搖臂隨之轉動，而搖臂又與link B相連，搖臂轉動時帶動link B去頂氣門挺桿上端的輸出凸輪，最后輸出凸輪就會頂起氣門來改變氣門升程。日產(chǎn)通過這樣一套連桿和螺桿的組合實現(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 相比分段可調(diào)的i-VTEC技術，連續(xù)可變的氣門升程不僅提供全轉速區(qū)域內(nèi)更強的動力，也使得動力的輸出更加線性，這項技術最先就被裝備在G37的VQ37VH

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

16、ction－燃油分層噴射），5100轉時動力輸出為147千瓦，升功率達到了73.5 kw/L。由于擁有直噴發(fā)動機燃油直接噴射的特征，還擁有渦輪增壓器，所創(chuàng)造的動力強大和突出的扭矩輸出區(qū)域，其卓越的響應提供給駕駛者完美的操控快感，也完全沒有機械渦輪增壓器動力滯后的現(xiàn)象，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代技術的完美結合。 直噴演示 圖17凱迪拉克D-VVT可變雙氣門技術＋直噴技術 直噴演示畫外音 發(fā)動機根據(jù)發(fā)動機負荷工況，可以自動選擇兩種運行模式。在低負荷時為分層稀薄燃燒，在高負荷時則為均質(zhì)燃燒。 低負荷時，油門為半開狀態(tài)，燃油系統(tǒng)在發(fā)動機壓縮沖程噴注燃油，特別的活塞頂設計（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到理論空燃比、足以燃燒的空燃混合氣，來引燃整個燃燒室內(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。 全負荷時，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)動機動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力輸出和扭矩的同時付出了較低的燃油消耗。 結合可變氣門技術和發(fā)動機渦輪增壓技術、直噴技術以及氣道和燃燒室的優(yōu)化，不僅使得發(fā)動機具有低排放、低能耗，并具有更強勁的動力輸出。這些技術能夠讓發(fā)動機對駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋，同時通過發(fā)動機管理系統(tǒng)對氣門升程的精確控制，實現(xiàn)了車輛在各種工況和負荷下的最佳動力匹配。