!凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用-知識擴(kuò)展(DOC)

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1、1凸輪機(jī)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用凸輪機(jī)構(gòu)的應(yīng)用自動機(jī)床進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的應(yīng)用（結(jié)構(gòu)原理、實際機(jī)械）圓珠筆生產(chǎn)線、繞線機(jī)排線等速運(yùn)動凸輪機(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-轉(zhuǎn)動凸輪間歇機(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)平底從動件頂桿式力封閉型配氣凸輪機(jī)構(gòu)、V型雙缸發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)BMW S1000 RF配氣凸輪機(jī)構(gòu)發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的應(yīng)用1.摩托車發(fā)動機(jī)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

2、圖6所示，Oi為曲軸回轉(zhuǎn)中心，02為凸輪回轉(zhuǎn)中心，兩 者由鏈傳動連接，其傳動比為ii2=0.5。CB系列頂置式配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計分析設(shè)計最終歸結(jié)為氣門位移的配氣定時，如圖7所示。2氣門位移的配氣定時排氣提前角：i=55.284,進(jìn)氣提前角：2=29.674 ,排氣遲閉角3=45.716,進(jìn)氣遲閉角 爲(wèi)=46.326,而氣門重疊角：2+：3=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(shù)，即是按此方 式進(jìn)行。對用于摩托車的高速發(fā)動機(jī)，為追求高轉(zhuǎn)速時的大功率，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

3、示，Oq為曲軸回轉(zhuǎn)中心，0為凸輪回轉(zhuǎn)中心，兩 者由一對齒輪傳動連接，其傳動比為i=0.5。凸輪驅(qū)動下?lián)u臂，推動頂桿，由上 搖臂實現(xiàn)對氣門的打開與關(guān)閉。上揺曲柄回曲柄回圖 8 CG 系列下置式配氣機(jī)構(gòu)下置式配氣機(jī)構(gòu)對配氣定時的要求與頂置式配氣機(jī)構(gòu)相同。門詁下?lián)e罵排排orOq3CG系列頂置式配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計分析CG配氣定時仿真分析4由配氣定時仿真分析知：CG發(fā)動機(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，這就產(chǎn)生了一個十分有趣的問題。由凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計理論知，進(jìn)氣凸輪機(jī)構(gòu)為 逆向設(shè)計，而排氣凸輪機(jī)構(gòu)為 正 向設(shè)計。在結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動規(guī)律均相同的條件下， 理論上分別按逆向設(shè)計和正向 設(shè)計所獲得的兩個凸輪的

4、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(jī)構(gòu)設(shè)計（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)計所得到的2個凸輪及相位位置如圖10所示。而CG發(fā)動機(jī)又是同一凸輪驅(qū)動，我國所有CG發(fā)動機(jī)源于日本的本田CG125,日本人是怎么進(jìn)行設(shè)計的？破解：【宋立權(quán)，潘玉蕊，唐彬摩托車CG系列發(fā)動機(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.2007,43（7）. p221-225】2.汽車發(fā)動機(jī)四缸發(fā)動機(jī)配氣及燃燒過程演示汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的發(fā)展如前所述，摩托車發(fā)動機(jī)為高速發(fā)動機(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

5、限制，一般采用2氣門（1進(jìn)1排），且很少采用可變正時和可變升程技術(shù)。汽車發(fā)動機(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)動機(jī)的升功率，對配氣機(jī) 構(gòu)采用了可變氣門正時和可變氣門升程技術(shù)。可變氣門正時技術(shù)正向設(shè)計5發(fā)動機(jī)工作時的高轉(zhuǎn)速，使四沖程發(fā)動機(jī)的一個工作行程僅需千分之幾秒, 短促的時間往往會引起發(fā)動機(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。氣門的配氣正時是由凸輪的相位角決定的。 對于沒有可變氣門正時技術(shù)的普 通發(fā)動機(jī)而言， 進(jìn)、排氣們開閉時間

6、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(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況時的工作需要。 為了讓發(fā)動機(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)動機(jī)的動力和使燃燒更充分。重疊角較大的發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下能發(fā)揮大的功率，在低轉(zhuǎn)時的扭矩輸出方面 表現(xiàn)欠佳；而重疊角小的發(fā)動機(jī)是在犧牲了動力性能的前提下具有運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性 和高轉(zhuǎn)矩。因此，需要在設(shè)計時，充分考慮到凸輪形狀和正時的設(shè)計，使發(fā)動機(jī) 在不同轉(zhuǎn)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(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)動機(jī)燃燒

7、效率和 減少減少NOx的排放，這就是可變氣門正時技術(shù)開發(fā)的目的。發(fā)動機(jī)可變氣門正時技術(shù)的英文縮寫是 “VVT” (Variable Valve Timing)， 是“可變氣門正時”的通稱。可變氣門正時的原理是根據(jù)發(fā)動機(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)可變氣門正時技術(shù),是一種通過電子液壓控制系統(tǒng)控制打開進(jìn) 氣門的時間早晚， 從而控制所需的氣門重疊角的技術(shù)。 這項技術(shù)根據(jù)發(fā)動機(jī)的工 作狀態(tài)，來延遲或提前進(jìn)氣門的打開時間， 特點(diǎn)是能夠穩(wěn)定燃燒狀態(tài)， 提高發(fā)動 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C

8、VVT發(fā)動機(jī) 后減少了油耗8%以上。雙CVVT技術(shù)是發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，它分別控制發(fā)動機(jī)的進(jìn)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(jī)動力。 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，同時實現(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)動機(jī)就采用該項技術(shù)，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(dá)到改變配氣定時的目的6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(jī)構(gòu)，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(guān)閉時刻進(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)

9、轉(zhuǎn)子在外轉(zhuǎn)子的推動下旋轉(zhuǎn)，同時內(nèi) 轉(zhuǎn)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13所示為米用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)。內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)轉(zhuǎn)子圖 12 角度調(diào)整的液力機(jī)構(gòu)7圖 13 采用可變氣門正時系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)最先將氣門正時技術(shù)應(yīng)用的公司是意大利的阿爾法羅密歐。作為第一個開發(fā)出了雙凸輪軸量產(chǎn)發(fā)動機(jī)的廠商，用兩根不同的凸輪軸來控制進(jìn)氣門和排氣門的 開閉時間，從而達(dá)到了比單凸輪軸更為有效的效果。該裝置由名叫GiampaoloGarcea的工程師發(fā)明，在進(jìn)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(jì)性。結(jié)構(gòu)如圖14所

10、示。圖 14 可變氣門正時系統(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)可變氣門正時系統(tǒng)）和VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System可變氣門正8時及升程電子控制系統(tǒng)）系統(tǒng)。1992年，寶馬公司開發(fā)出Vanos系統(tǒng)，最先被9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In take,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

11、）協(xié)調(diào)控制，來自發(fā)動機(jī)各部位的傳感器隨時 向ECU報告運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整氣門的開啟時間，以達(dá)到可變正時的目的。可變氣門升程技術(shù)VVT或CVVT技術(shù)通過合理的分配氣門開啟的時間可以有效提高發(fā)動機(jī)的 效率和經(jīng)濟(jì)性，但是對發(fā)動機(jī)功率轉(zhuǎn)矩等性能的提升作用不明顯。 發(fā)動機(jī)的動力 表現(xiàn)主要取決與單位時間內(nèi)的進(jìn)氣量， 氣門正時所體現(xiàn)的是氣門開啟的時間， 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(shù)也是通過改 變進(jìn)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(jìn)氣量，因

12、此對發(fā)動機(jī)動力性的幫助并不大，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問題?？勺儦忾T升程技術(shù)可以在發(fā)動機(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)速時動力強(qiáng)勁。低轉(zhuǎn)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(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩，而高轉(zhuǎn)速時較 大的氣門升程則可以顯著提高進(jìn)氣量，從而提升高轉(zhuǎn)速時的功率輸出。本田的iVTEC技術(shù)是最早將可變氣門升程技術(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凸輪即實現(xiàn)了看似復(fù)雜的氣門升程變化，其工作原理如圖15所示。副飜副飜主搖臂主搖臂増強(qiáng)發(fā)動機(jī)動力増強(qiáng)發(fā)動機(jī)動力高角度凸輪高角度凸輪

13、圖 15 本田 K20Z3 發(fā)動機(jī)的 i-VTEC 系統(tǒng)當(dāng)發(fā)動機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)控制將兩個進(jìn)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(qū)動，而氣門升程也會隨之加大，進(jìn)氣10量增大，發(fā)動機(jī)動力增強(qiáng)。這種突然的動力爆發(fā)能夠增加駕駛樂趣， 缺點(diǎn)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(shù)， 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(shù)日產(chǎn)和寶馬推出了連續(xù)可變氣門升程技術(shù)，實現(xiàn)了氣門升程的無級可調(diào)。英菲尼迪VVEL技術(shù)在驅(qū)動氣門運(yùn)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

14、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(zhuǎn)動，控制桿轉(zhuǎn)動時上面的搖臂隨之轉(zhuǎn)動，而搖臂又 與link B相連，搖臂轉(zhuǎn)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。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)的動力，也使得動力的輸出更加線性，這項技術(shù)最先就被裝備在G37的VQ37VHR發(fā)動機(jī)上。VANOS是寶馬開發(fā)的連續(xù)可變氣門正時技術(shù)，寶馬2.0升直列四缸發(fā)動機(jī)采用的是進(jìn)氣氣門正時和排氣氣門正時同時可變的Double-VANOS雙

15、可變氣門搖臂控制桿控制桿 偏偏心凸輪心凸輪 驅(qū)驅(qū)動桿動桿圖 16 連桿和螺桿的組合的連續(xù)可變氣門升程技術(shù)11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(jìn)入進(jìn)氣歧管的流量，利 用調(diào)節(jié)再循環(huán)廢氣量在低速時提高燃油經(jīng)濟(jì)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(shù)與日產(chǎn)英菲尼迪VVEL技術(shù)類似。BMW連續(xù)可變氣門正時技術(shù)演示3.結(jié)束語配備在大眾GTI上的2.0 T-FSI發(fā)動機(jī) （T渦輪增壓，F(xiàn)SIFuel Stratified Injection燃油分層噴射），5100轉(zhuǎn)時動力輸出為147千瓦，升功率達(dá)

16、到了73.5 kw/L。由于擁有直噴發(fā)動機(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)動機(jī)根據(jù)發(fā)動機(jī)負(fù)荷工況，可以自動選擇兩種運(yùn)行模式。在低負(fù)荷時為 分層稀薄燃燒，在高負(fù)荷時則為均質(zhì)燃燒。低負(fù)荷時，油門為半開狀態(tài)，燃油系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)壓縮沖程噴注燃油，特別的活塞頂設(shè)計（彎曲頂面活塞）使吸入的空氣和噴入的燃油形成滾流， 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，

17、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(fù)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(jī)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12耗。結(jié)合可變氣門技術(shù)和發(fā)動機(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)動機(jī)具有低排放、低能耗，并具有更強(qiáng)勁的動力輸出。這些技 術(shù)能夠讓發(fā)動機(jī)對駕駛者的意圖做出更迅捷的反饋， 同時通過發(fā)動機(jī)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(fù)荷下的最佳動力匹配。