發動機配氣凸輪輪廓曲線設計與研究

張牧元

(貴州交通職業技術學院，貴州貴陽 550008)

發動機配氣凸輪輪廓曲線設計與研究

張牧元

(貴州交通職業技術學院，貴州貴陽 550008)

配氣凸輪作為配氣系統的核心零部件，其輪廓曲線的設計是整個配氣機構設計的關鍵。通過對SolidWorks軟件進行二次開發，得出一種配氣凸輪輪廓曲線的參數化設計方法。此方法能夠滿足精度要求較高的凸輪輪廓曲線設計，為發動機配氣凸輪輪廓線的設計提供了一種依據。

配氣凸輪；輪廓曲線；二次開發；參數化設計

0 引言

配氣凸輪型線設計完成后需要通過三維軟件生成實體，才能進行后期仿真、分析和零件加工。然而大多數三維軟件只提供了一些簡單的、規則的實體繪制命令，很難滿足精度要求較高的曲線設計。文中通過對SolidWorks軟件進行二次開發，不僅可以記錄建模時所用到的命令代碼，還可以記錄其他相關過程的底層操作源代碼，同時也可以直觀快捷地編譯、修改與完善所錄制的宏命令，從而可較大地提高系統的自動化水平與設計人員的工作效率。

1 配氣凸輪輪廓曲線的設計原理

配氣凸輪輪廓曲線設計的方法有2種：第一種方法稱之為作圖法，另一種方法稱之為解析法。比較而言，采用解析法設計配氣凸輪的輪廓曲線要優于作圖法，但無論采用何種方法進行設計，兩種方法的設計原理都是相同的，稱之為“反轉法”[1]。

如圖1所示，當凸輪以角速度ω繞軸O轉動時，推桿在凸輪的高副元素(輪廓曲線)的推動下實現預期的運動。設想給整個凸輪機構加上一個公共角速度-ω，使其繞軸心O轉動，此時凸輪將靜止不動，而推桿一方面隨其導軌以角速度-ω繞軸心O轉動，一方面又在導軌內做預期的往復移動。推桿在這種復合運動中，其尖頂的運動軌跡即為凸輪的輪廓曲線。根據上述分析，在進行凸輪輪廓曲線設計時，假設凸輪靜止不動，而推桿相對于凸輪作反轉運動，同時又在其軌道內作預期運動，做出推桿在這種復合運動中的一系列位置，則其尖頂的軌跡就是所要求的凸輪輪廓曲線。這種凸輪輪廓曲線設計方法即為“反轉法”[2]。

配氣機構通常采用對心盤形凸輪機構形式，根據所設計的高次多項式凸輪從動件升程曲線，利用反轉法原理，即可得出凸輪的理論輪廓曲線方程[3]：

式中：h=hα為挺柱的升程函數；α為凸輪轉角。

2 基于三維軟件的凸輪輪廓曲線設計

2.1 SolidWorks的宏錄制

打開SolidWorks軟件，進入新建文件界面。點擊【工具】→【宏】→【錄制】進行宏錄制，點擊【插入】→【曲線】→【通過XYZ點的曲線】并定義幾個點的坐標如(0,25,0)、(25,0,0)、(0,-25,0)，確定曲線升程，同時停止宏錄制并保存。點擊【工具】→【宏】→【編輯】選中前面保存的文件進入編輯窗口，具體程序如下[4-5]：

Dim swApp As Object

Dim Part As Object

Dim boolstatus As Boolean

Dim longstatus As Long, longwarnings As Long

Dim Feature As Object

Sub main()

Set swApp = Application.SldWorks

Set Part = swApp.ActiveDoc

Set SelMgr = Part.SelectionManager

Part.InsertCurveFileBegin ′曲線繪制起始命令

Part.InsertCurveFilePoint 0, 0.025, 0

Part.InsertCurveFilePoint 0.025, 0, 0

Part.InsertCurveFilePoint 0, -0.025, 0 ′以上3項為曲線點的坐標，可以通過修改點的坐標來進行曲線繪制

Part.InsertCurveFileEnd ′曲線繪制結束命令

End Sub ′主函數程序結束

通過分析可以得出，只需將要繪制的曲線分成無數個點并通過曲線命令進行擬合便可以得到所需的曲線。

2.2 編寫VB程序和運行宏文件

通過MATLAB優化計算得出高次多項式凸輪型線運動規律為：

其中：h(mm)為從動件位移；v(mm/rad)為從動件速度；α為凸輪旋轉角度數；凸輪的基圓半徑R0為20 mm。根據滾子從動件凸輪型線坐標公式計算凸輪型線坐標：

x=(r0+h)sinα+(ds/dα)cosα

y=(r0+h)cosα-(ds/dα)sinα

將以上函數用VB語言進行編譯，利用if-else條件選擇語句將分段函數在不同角度下進行分段表示，利用For循環語句將凸輪型線的各個點的坐標表示出來，曲線的精度可以通過定義的步長進行控制，此程序中將步長定為0.1°，有效地控制了曲線設計精度。

錄制的部分程序如下：

Sub main()

Dim swApp As Object

Dim Part As Object

Dim SelMgr As Object

Dim boolstatus As Boolean

Dim longstatus As Long, longwarnings As Long

Dim Feature As Object

Set swApp = CreateObject

Set Part = swApp.NewPart

Set Part = swApp.ActiveDoc

Dim s1, s, a, a1, b, c, d, i, j, s0, r0, PI As Double

PI = Atn(1) * 4

j = 1 ′步長

s0 = 16 ′理論基圓半徑

h0 = 6.5 ′升程

Part.InsertCurveFileBegin

For i = 0 To 360 Step j ′理論輪廓

If i <= 10 Then

s = 0.0005 * i ^ 2

s1 = 0.001 * i / (3.14 / 180)

s2 = 0.001 / (3.14 / 180) ^ 2

ElseIf i <= 25 Then

s = 0.01 * (i - 10) + 0.05

s1 = 0.01 * (3.14 / 180)

s2 = 0

ElseIf i <= 90 Then

s = -15.1847 * ((90 - i) / 65) ^ 22 + 43.3134 * ((90 - i) / 65) ^ 20 - 32.4933 * ((90 - i) / 65) ^ 18 + 9.316 * ((90 - i) / 65) ^ 8 - 11.2513 * ((90 - i) / 65) ^ 2 + 6.5

s1 = (15.1847 * 22 * ((90 - i) / 65) ^ 21 - 43.3134 * 20 * ((90 - i) / 65) ^ 19 + 32.4933 * 18 * ((90 - i) / 65) ^ 17 - 9.316 * 8 * ((90 - i) / 65) ^ 7 + 11.2513 * ((90 - i) / 65)) / (65 * 3.14 / 180)

s2 = -(15.1847 * 22 * 21 * ((90 - i) / 65) ^ 20 - 43.3134 * 20 * 19 * ((90 - i) / 65) ^ 18 + 32.4933 * 18 * 17 * ((90 - i) / 65) ^ 16 - 9.316 * 8 * 7 * ((90 - i) / 65) ^ 6 + 11.2513) / (65 * 3.14 / 180) ^ 2

ElseIf i <= 155 Then

…………

Part.InsertCurveFilePoint XB / 1000, YB / 1000, 0

Next i

Part.InsertCurveFileEnd

End Sub

2.3 配氣凸輪三維實體的生成

程序編寫完畢后進行保存，點擊【工具】→【宏】運行宏程序即可得到凸輪理論輪廓曲線及實際輪廓曲線。如圖2所示：內部曲線為凸輪的實際輪廓曲線，外部曲線為凸輪的理論輪廓曲線，通過SolidWorks軟件的【草圖繪制】中的【轉換實體引用】可以把生成的凸輪輪廓曲線轉化為二維草圖。

進行凸輪三維實體生成時，選擇實體特征后，選中生成的凸輪輪廓曲線，設定凸輪厚度后點擊確認得到凸輪三維實體模型，然后進行凸輪安裝軸孔的拉伸切除操作就完成了凸輪的三維設計，凸輪三維實體模型如圖3所示。

3 結論

詳細介紹了配氣凸輪輪廓曲線的設計原理，通過反轉法原理分別推導出配氣凸輪的理論輪廓曲線和實際輪廓曲線的直角坐標表達式，利用 SolidWorks三維軟件的二次開發對凸輪輪廓曲線進行參數化設計，最終得出配氣凸輪的三維實體模型，為發動機配氣凸輪廓線的設計提供了一種依據。

【1】孫紅霞.內燃機配氣凸輪CAD[D].楊凌：西北農林科技大學,2003.

【2】張祁莉.直動推桿盤形凸輪機構的計算機輔助設計[J].長沙航空職業技術學院學報,2008,8(1):44-46.

【3】孫桓,陳作模,葛文杰.機械原理[M].7版.北京:高等教育出版社,2006.

【4】徐玉梁,岳宗風,陳家兌.基于SolidWorks的凸輪設計模塊的二次開發[J].現代機械,2012(3):20-22.

【5】SolidWorks公司.SolidWorks API二次開發[M].北京:機械工業出版社,2005.

Design and Research of the Engine Valve Cam Contour Curve

ZHANG Muyuan
(Guizhou Transportation Vocational Technical College,Guiyang Guizhou 550008,China)

Valve cam as the core component of valve system,the profile curve design is the key to the whole design of valve mechanism. Through secondary development for SolidWorks software, a parametric design method for cam contour curve was obtained. This method can satisfy the higher precision requirement of curve design.It provides a basis for gas distribution cam profile curve design.

Valve cam;Profile curve;Secondary development;Parametric design

2016-05-13

張牧元(1984—)，男，碩士，研究方向為汽車關鍵零部件制造。E-mail：799327499@qq.com。

TH112.2

B

1674-1986(2016)06-061-03