汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)型廓設(shè)計與研究

張志翔

摘 要：近年來，由于發(fā)動機(jī)低排放、高速化的發(fā)展趨勢，對其性能指標(biāo)要求越來越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、安全可靠地工作，同時對發(fā)動機(jī)的噪音和振動有較大的發(fā)展趨勢，對其性能指標(biāo)要求越來越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、安全可靠地工作，因此對配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計的要求也越來越高，本文對汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪型廓設(shè)計的發(fā)展歷程與優(yōu)化方式進(jìn)行了深入探究與分析。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī) 配氣機(jī)構(gòu) 凸輪機(jī)構(gòu) 型廓設(shè)計

1 引言

在我國，由于我國的能源持續(xù)使用，一些非更新的資源日益匱乏，同時也帶來了環(huán)境的嚴(yán)重破壞。從生態(tài)的觀點看，要達(dá)到節(jié)能和環(huán)保目的，必須著重研究車輛的能耗和污染問題。引擎作為一種電力設(shè)備，其消耗的燃油十分巨大，同時也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。為了應(yīng)對環(huán)保問題，要求在提高引擎動力的前提下，減少油耗，減少廢氣的排放量。在汽車引擎中，空氣動力學(xué)系統(tǒng)是一個非常關(guān)鍵的部件。在發(fā)動機(jī)的動態(tài)特性方面，配氣機(jī)構(gòu)起著決定性的影響。

2 汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)概述

發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)的工作性能與其工作指標(biāo)有很大關(guān)系。在滿足需求的情況下，必須保證引擎的工作和可靠。特別是在高速運(yùn)行和大動力的引擎中。當(dāng)對發(fā)動機(jī)的性能有較高的要求時，必須保證其動態(tài)特性，才能保證其工作的穩(wěn)定性。同時，在引擎運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，各部件也會產(chǎn)生摩擦力，對某些部件進(jìn)行改進(jìn)，尤其是要保證其抗磨損性能。這就給配氣裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了困難。在圖1所示的氣體傳動裝置的設(shè)計中，應(yīng)將該結(jié)構(gòu)形式和所述的凸輪型線的設(shè)置相結(jié)合。為了保證各個汽油機(jī)在工作時都能在工作時保證汽油機(jī)的通氣性能。在開、關(guān)、開、關(guān)時，都要嚴(yán)格遵守科學(xué)的原則。該傳動裝置應(yīng)與所用的引擎配套。若引擎是四行程，匹配的是氣閥-凸輪即可。氣閥-凸輪結(jié)構(gòu)具有良好的工作性能，保證了氣缸的密封件的耐用性。中國的汽車業(yè)發(fā)展很快，其引擎技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步。因此，必須從多個角度來考慮配氣的結(jié)構(gòu)，從而拓展其發(fā)展的余地。

3 汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

3.1 配氣機(jī)構(gòu)工作原理

如上所述，配氣機(jī)構(gòu)的最大作用是將汽缸中的廢氣排出，同時將新鮮的氣體及時地引入，保證汽缸中的燃油的穩(wěn)定燃燒。因此，可以看出，該機(jī)構(gòu)是一種能夠完成引擎進(jìn)氣與排氣的機(jī)械裝置，其作用是使引擎能夠按預(yù)先設(shè)定的程序開啟或關(guān)閉進(jìn)氣閥。由于配置合理，引擎能夠平穩(wěn)地將汽油機(jī)中的廢氣抽進(jìn)、排出，保證了引擎能夠持續(xù)地運(yùn)行。由于工作的條件很苛刻，配氣裝置的設(shè)計原則和構(gòu)造要簡單，工作可靠，維護(hù)和替換都要容易。

在具體的工作過程中，該系統(tǒng)的工作流程包括閥門開啟和閥門閉合兩大環(huán)節(jié)。（1）開啟閥門。在汽油機(jī)內(nèi)部需要換氣的情況下，曲軸會用一個凸輪帶動活塞和推桿，帶動推桿轉(zhuǎn)動，這時，搖桿的一頭就會把閥門往下一推，同時彈簧也會受到擠壓。進(jìn)氣閥和排氣閥都是這種工作方式。（2）閥門的閉合。隨著凸輪頂部轉(zhuǎn)動，閥門的開啟程度隨著彈簧的轉(zhuǎn)動而降低，最終的閉合。四沖程引擎，由于在加壓和工作過程中，閥門會被緊固地閉合，從而使汽缸處于一個緊密的狀態(tài)。

3.2 配氣機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程

隨著人民的生活水準(zhǔn)的不斷提升，對車輛的能動性、外觀和性價比的要求也越來越高，因此，汽車的動力系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展就成了大家關(guān)心的話題。在我國，我國的汽車發(fā)動機(jī)動力總成技術(shù)革新的重點是：頂置凸輪軸、變氣門、多氣門技術(shù)、非凸輪電動液壓傳動等。我們將詳細(xì)解釋上述的技術(shù)。

頂置凸輪軸技術(shù)是由一個凸輪軸的移動來實現(xiàn)的，該技術(shù)包括三個不同的結(jié)構(gòu)形式，第一個是一個直立的氣閥，一個是一個可以看到一個氣閥的凸輪，這個凸輪可以很容易的看到一個動作，相對于另外兩個模型來說，這個模型可以說是一個簡單的周期動作。二是雙臂法。搖臂的構(gòu)造方式，顧名思義，就是更加的容易掌握，比起前面的更加復(fù)雜，但是使用起來，卻更加有效。但是，這兩種不同的結(jié)構(gòu)型并不能很好地結(jié)合在一起，使得凸輪的移動效果并不理想。基于這個理由，形成了一種單一和雙重頂部的三種凸輪運(yùn)行方式，其不同之處是，汽缸罩上設(shè)有不同的凸輪軸，一個頂部和兩個頂部的凸輪軸，這樣的技術(shù)可以解決上述兩個問題。

多氣門技術(shù)是將兩個或多個閥門安裝在汽車引擎的每個汽缸中。因此，三閥型發(fā)動機(jī)很少見，四閥型是第二種，隨著渦輪技術(shù)的發(fā)展，四閥型發(fā)動機(jī)越來越受歡迎，越來越多的汽油機(jī)選擇四氣閥，這樣可以增加氣門的氣門，增加空氣的流動范圍，這樣不但可以增加空氣的流動，還可以加速汽油的燃燒，從而提高引擎的動力。

可變式多氣門技術(shù)是汽車引擎中不可或缺的一項關(guān)鍵技術(shù)，它直接關(guān)系到車輛的整體性能。可變閥技術(shù)能夠通過調(diào)節(jié)和實施結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對車輛的配氣流程的優(yōu)化，并為車輛的配氣機(jī)制提供了最基本的驅(qū)動裝置。可變氣閥在使用時，可以調(diào)整發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管和排氣管的相位，從而可以根據(jù)發(fā)動機(jī)的速度改變進(jìn)氣管的流量，從而達(dá)到最佳的燃燒效果，同時也可以提高燃料的經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)能夠利用高、低速度的速度來調(diào)節(jié)引擎的閥門打開時間和時間。

無凸輪電液驅(qū)動技術(shù)的使用既可以提高發(fā)動力的燃料經(jīng)濟(jì)性，又可以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的，因此該技術(shù)是一項很有意義的技術(shù)。之所以說這臺發(fā)動機(jī)是一種很有創(chuàng)意的技術(shù)，那就是不能彌補(bǔ)以前的不足，比如：發(fā)動機(jī)的閥門可以改變，而凸輪軸則可以控制閥門，但是，這種技術(shù)的局限性在于，價格昂貴，利用率不高，限制了發(fā)動機(jī)的推廣。

4 汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪型廓設(shè)計案例分析

4.1 設(shè)計思路

凸輪型廓設(shè)計包含靜態(tài)、動態(tài)和系統(tǒng)優(yōu)化三個階段。在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計階段，弧形凸輪由于具有簡單的型線、挺柱位移、速度曲線等特點，得到了廣泛的應(yīng)用。發(fā)動機(jī)在低速時的振動和噪音都很小，但是它的加速度曲線不連續(xù)，配氣機(jī)構(gòu)的慣性力突然變化，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時的振動和噪音增大，使得它使用的圓弧凸輪的次數(shù)越來越少，因此它的位移、速度和加速度都是連續(xù)的。功能凸輪有：低次方凸輪、高次方凸輪、復(fù)合正弦凸輪、復(fù)合擺線凸輪等。雖然該方法能在一定程度上降低振動和噪聲，但它的氣門運(yùn)動規(guī)律并不符合凸輪對挺桿的要求。在動態(tài)優(yōu)化設(shè)計階段，由于發(fā)動機(jī)的氣門是一種彈性振動元件。考慮到內(nèi)燃機(jī)的彈性振動和凸輪的控制運(yùn)動，可以把發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)看成是一個比較簡單的單質(zhì)量振動模式，或者是一個多質(zhì)量的復(fù)合振動模式。如果選擇了合適的物理模型參數(shù)，那么它的計算結(jié)果和試驗值是一致的，但只有在凸輪型面設(shè)計完畢之后，才能進(jìn)行發(fā)動機(jī)振動的校正。若振動超出容許范圍，則必須進(jìn)行凸輪的再設(shè)計，直至符合設(shè)計的要求。在系統(tǒng)優(yōu)化階段，通過凸輪轉(zhuǎn)速、配氣機(jī)構(gòu)等各種精確的數(shù)據(jù)和參數(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)的科學(xué)和有效的匹配和連接。在這種情況下，為了確保發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定，就需要對發(fā)動機(jī)的各種性能進(jìn)行優(yōu)化和優(yōu)化。從而使產(chǎn)品的設(shè)計品質(zhì)得到提高，又能達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計要求。通過實踐證明，該模型不僅可以確保車輛的安全性，還可以解決其它車型在發(fā)動機(jī)動力系統(tǒng)參數(shù)方面存在的不足，同時也可以達(dá)到車輛的發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)。

在建立凸輪機(jī)構(gòu)型廓模型時，由單質(zhì)量模型、二質(zhì)量模型、多質(zhì)量模型和有限單元模型組成的氣動機(jī)械結(jié)構(gòu)的最優(yōu)模型。該方法的特點是其構(gòu)造不復(fù)雜、待確定的參量少、易于進(jìn)行數(shù)值模擬。單一質(zhì)量模式是指在閥的移動過程中所產(chǎn)生的閥的重量和其它轉(zhuǎn)換到閥上的移動。另外，這種閥的運(yùn)動的閥桿與凸輪的剛性叫做體系剛性，而各個元件的各個減振叫做體系的減振。二質(zhì)量模式將閥門的品質(zhì)和中心品質(zhì)分開，并以單一的質(zhì)量模式為依據(jù)。由于二重模型中的一些質(zhì)點的剛性與單一質(zhì)點的剛性近似，而單一質(zhì)點的二質(zhì)點和單一質(zhì)點的模態(tài)可以用試驗方法來確定。因此，可以用試驗方法來求出二次質(zhì)量模式的參數(shù)。為了讓各部件的變形和阻尼能夠得到合理的響應(yīng)，在分析部件的動作和受力狀況后，大多采用集中質(zhì)量和剛度的形式，將其轉(zhuǎn)化為有限的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這個體系叫做多質(zhì)動態(tài)模式，在氣門的推桿，挺桿，搖臂，氣門和內(nèi)氣門的彈簧都可以由若干個中心塊取代。最后，近年來，由于限制元技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，使得該方法能夠從一個特定的角度對車輛的配氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)的全面的研究。采用該有限元方法進(jìn)行氣動機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析和計算，對于進(jìn)一步研究氣閥的壽命和可靠性具有重要意義。其優(yōu)點在于可以精確地測量零件的位移、速度、加速度以及零件的接觸應(yīng)力和變形。

4.2 汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪型廓設(shè)計

凸輪驅(qū)動裝置的隨動件輥輪與其直接接觸，從而實現(xiàn)了與其相關(guān)的相對移動，從而降低了由于其相對移動引起的摩擦力和磨耗，從而延長了機(jī)械的使用壽命和可靠性。在以往的設(shè)計和使用中，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性較大，所以很難對其進(jìn)行細(xì)致的分析。在對隨動件的運(yùn)動規(guī)則進(jìn)行分析的時候，不僅要認(rèn)識其工作原理，還要注意保證其動態(tài)特性，方便生產(chǎn)。隨動件的運(yùn)動規(guī)則的選取與設(shè)計，有許多方面的問題，如：

①在機(jī)械加工中對隨動部件的運(yùn)動有特別的規(guī)定時，必須根據(jù)工作流程的需要來進(jìn)行運(yùn)動規(guī)則的優(yōu)化。

②在機(jī)床工作時，僅需隨動部件的工作沖程，且不需特別規(guī)定其移動規(guī)則時，隨動部件的移動規(guī)則就是最大的彈性。而對低轉(zhuǎn)速的凸輪，則以方便的方式進(jìn)行；針對高速型的凸輪，必須根據(jù)其動態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化，以減少慣量力和碰撞的影響，從而進(jìn)行驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。

③若機(jī)械對隨動部件的運(yùn)動有特別的規(guī)定，且僅有一種運(yùn)動法則難以達(dá)到上述條件，則應(yīng)根據(jù)所需的組合運(yùn)動法則加以解決。

④在設(shè)計隨動件的運(yùn)動規(guī)則時，不僅要注意其碰撞特征，而且要同時兼顧其最大速度、加速度和躍度。隨著隨動件的工作沖程的最大加速，其慣量力也隨之增大，而慣性力所產(chǎn)生的動力對構(gòu)件的強(qiáng)度和耐磨性也有較大的影響。凸輪驅(qū)動裝置的動作規(guī)則既要符合機(jī)床的運(yùn)行需要，又要避免速度和加速度的突然變化。由于無限大的加速突然變化而產(chǎn)生的剛性沖擊和由極限加速度的突然變化而產(chǎn)生的撓性沖擊，都會對機(jī)器產(chǎn)生沖擊和振動。慣性和撞擊力太大也會增加機(jī)械觸頭上的壓強(qiáng)。這一切都會對設(shè)備的工作造成不利的后果，從而加重設(shè)備的損耗和損傷，從而縮短設(shè)備的使用年限。在一般的凸輪機(jī)構(gòu)隨動部件的運(yùn)動規(guī)律中，等速運(yùn)動定律具有無限大的加速度和剛體碰撞，而等加速度和簡諧的運(yùn)動定律具有極限的加速度，從而導(dǎo)致?lián)闲缘淖矒簟Ｓ捎谕ㄟ^合理的凸輪外形，可以實現(xiàn)隨動件的任何期望的移動，因此在許多機(jī)械和機(jī)械上都有廣泛的用途。

4.3 發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣門結(jié)構(gòu)型線設(shè)計

一般情況下，汽車引擎進(jìn)氣閥的進(jìn)氣道升因子為0.4964，這種因素難以改善進(jìn)氣系統(tǒng)的充氣性能，同時也無法增加引擎在運(yùn)轉(zhuǎn)時的動力。通過對凸輪的潤滑和平坦挺桿的潤滑因子分析，得出了在不同工況下，最小的潤滑因子是0.118。當(dāng)靠近凸輪桃尖處的潤滑因子為0.15-0.30時，其潤滑性能最佳。進(jìn)給的凸輪不但潤滑不好，而且對平板挺桿的潤滑要求也很高。若在進(jìn)氣口的工作區(qū)段和緩沖區(qū)間的潤滑作用不好，則會導(dǎo)致氣閥閥位過高。這時，若進(jìn)氣凸輪仍處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)，挺桿的接點壓力比較穩(wěn)定，彈性余量被限制在預(yù)定的限度之內(nèi)，沒有出現(xiàn)飛跑，則表明其傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性是很好的。通過對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其目的在于改進(jìn)進(jìn)氣閥的進(jìn)氣特性，增加進(jìn)氣比，從而改善潤滑油狀況，從而保證兩個凸輪之間的有效的聯(lián)接，保證閥門的跳速在一定的限度之內(nèi)。

4.4 發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)排氣門結(jié)構(gòu)型線設(shè)計

為了獲得最佳的最佳導(dǎo)向，本文運(yùn)用了動力分析法對排氣系統(tǒng)的排氣系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)計算。在車輛引擎的進(jìn)氣系統(tǒng)中，其排放閥的升力因子為0.5299。通過與平板式挺桿的對比，發(fā)現(xiàn)排氣管的進(jìn)氣凸輪在接觸襯底時，在與襯底接觸的部位，會產(chǎn)生超過跳度量的現(xiàn)象。這時，如果氣閥的氣閥能穩(wěn)定地穩(wěn)定下來，沒有松開的跡象，也沒有彈簧，那就是發(fā)動機(jī)的動力系統(tǒng)運(yùn)行得很好。若發(fā)生閥簧反彈，就是由于彈簧抖動所致。為了使進(jìn)氣系統(tǒng)的排氣閥結(jié)構(gòu)得到最優(yōu)的設(shè)計，必須增加進(jìn)氣系統(tǒng)的升程系統(tǒng)，并使其潤滑狀況得到很好的改善，從而保證排氣閥的形狀曲線平滑，并使其在預(yù)定的數(shù)值范圍之內(nèi)。

5 汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)檢修措施

在檢修過程中，由于操作工人的技術(shù)水平和知識水平存在一定的偏差，導(dǎo)致了機(jī)械設(shè)備的維護(hù)工作難以實現(xiàn)。所以，在檢修時要特別重視燃?xì)夤艿赖木S護(hù)，并采用相應(yīng)的改進(jìn)方法，以保證管道的正常運(yùn)行。第一、氣閥的光磨：在保養(yǎng)過程中，如果閥門出現(xiàn)燒蝕、麻點和凹痕，必須進(jìn)行光磨（嚴(yán)重時需要換閥），此項工作一般在閥門光磨機(jī)上進(jìn)行，在使用時要注意以下四點：第一，必須確保氣門頭部與閥體中心位置一致，否則必須首先調(diào)正；二是，在能完全磨削圓錐表面的情況下，磨削的數(shù)量愈少愈好；三是盡可能地改善表面的光澤性；四是閥桿末端的凹坑要進(jìn)行平整。第二，關(guān)于閥座的鉸削：閥座鉸削一般采用人工操作，尤其要注意以下三個方面：第一，消除凹痕、斑點，鉸出整體的圓錐，盡可能少的鉸；二是在鉸切時要平衡，提刀時要輕柔，要注意多鉸，多看察，以確保鉸斷率低，表面光滑；三是對閥門進(jìn)行試驗，并對工作臺的位置及寬度進(jìn)行了測量。調(diào)節(jié)的部位要調(diào)節(jié)到閥錐中、下端，上、下端用鉸刀調(diào)節(jié)；工作平面的寬度，進(jìn)氣閥可以控制在0.9 mm（標(biāo)準(zhǔn)是1-2.2 mm），排氣閥可以控制在1.4 mm（1.5-2.5 mm）。實踐表明，以上的寬度在經(jīng)過氣閥和閥座的磨削后，可以達(dá)到1 mm的進(jìn)氣閥和1.5 mm的出氣閥，兩者都在一定的下限范圍內(nèi)，從而極大地延長了它的使用年限。

6 結(jié)語

總之，汽車發(fā)動機(jī)配氣結(jié)構(gòu)的性能需求逐漸提升，在滿足內(nèi)燃機(jī)工作需求的前提下，必須保證其排氣系統(tǒng)的充氣特性，以保證其安全可靠的運(yùn)行。通過對發(fā)動機(jī)的配氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合其工作需求進(jìn)行了技術(shù)的優(yōu)化，有助于發(fā)動機(jī)的操作品質(zhì)和性能的提高。

項目名稱：汽車發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)形廓設(shè)計與研究。?項目編號：S202114593008。

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