[方案]凸轮型线设计

内燃机课程设计

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凸轮说明书

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题 目 90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计00

学 院 机电工程学院 00

专 业 热能与动力工程专业

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班 级 热动1002 000

学 号 000

姓 名 00

指导老师 刘军 00

日 期 2013-6-25 00

90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计000

前言00

四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构，其功用是按照发动机的工作顺序

和工作循环要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从

气缸排出。其中，凸轮机构作为机械中一种常用机构，在自动学和半自动学当中

应用十分广泛，凸轮外形设计在配气机构设计中极为重要，这是由于气门开关的

快慢、开度的大小、开启时间的长短都取决于配气机构的形状。因此，配气凸轮

的外形设计和配气凸轮型线设计就决定了时间的大小、配气机构各零件的运动规

律及其承载情况。00

任务书首先对凸轮进行设计，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次

方程凸轮运动规律进行凸轮型线的优化设计，建立数学模型，并设计图论过渡段

和绘制图轮廓图。00

凸轮的设计00

1.给定的参数及要求000

（1）凸轮设计转速nc=4636r/min； 000

（2）进气门开启角233°（曲轴转角）， 凸轮工作段包角00

116.5°；000

（3）排气门开启角220°（曲轴转角）， 凸轮工作段包角00

110°；000

（4）气门重叠角15°（曲轴转角），凸轮转角7.5°；00

（5）凸轮基圆直径 28mm；000

（6）进气门最大气门升程hvmax=8.2，排气门最大气门升程hvmax=8。000

2.凸轮型线类型的选择000

配气机构是发动机的一个重要系统，其设计好坏对发动机的性能、可靠性和

寿命有极大的影响。其中凸轮型线设计是配气机构设计中最为关键的部分，在确

定了系统参数后，重要的问题是根据发动机的性能和用途，正确选择凸轮型线类

型及凸轮参数。000

凸轮型线有多种，如复合正弦，复合摆线，低次方，高次方，多项动力，

谐波凸轮等。其中，高次方、多项动力、谐波凸轮等具有连续的高阶倒数的凸轮

型线，具有良好的动力性能，能满足较高转速发动机配气机构工作平稳性的要求。

000

由于凸轮设计转速为nc=2318 r/min，即每分钟凸轮轴转2318圈，属于高速

发动机，且为使发动机运动件少，传动链短，整个机构的刚度大，因此我们用双

圆弧凸轮的凸轮轴上置式配置机构。000

由于四冲程发动机每完成一个工作循环，每个气缸进、排气一次。这时曲轴

转两周，而凸轮轴只旋转一周，所以曲轴与凸轮轴的转速比或传动比为2:1，即

由上式已知可知曲轴的转速为2318*2=4636r/min。000

3.计算凸轮的外形尺寸000

图一 圆弧凸轮的几何参数示意图000

由上图可知，圆弧凸轮有五个参数：基圆半径r0=PR，腹弧半径r1=OA，

顶弧半径r2=CB，基本工作段作用角∠QPR=2φ0和挺住最大升程htmax。其中有题

中给出的已知数据有基圆半径r0、基本工作段作用角2φ0和最大升程htmax。0

0

为使圆弧凸轮能可靠地工作，凸轮型线外形应连续圆滑，这就要求各段圆弧

在交接点处有公切线或公法线，所以各几何参数之间有一点的约束。凸轮型线连

续圆滑的条件是：腹弧与顶弧的交点B、顶弧圆心C、腹弧圆心O，这三点应在

一条直线上。000

根据余弦定理，从 △OPC中可得000

OPC cosPCOP2-PCOPOC222 （1）000

由凸轮的几何关系可知000

PO=r1-r0000 PC=r0+htmax-r2000 OC=r1-r2000 OPC=180o-φ0000 将上式代入（1）可得公式000

（r1-r2）2=（r0+htmax-r2）2+（r1-r0）2+2（r0+htmax-r2）（r1-r0）cosφ0 （2）000

可见，在五个参数中只有四个可以预先选择，其余一个必须满足上式要求。

基圆半径r0、基本工作段作用角2φ0和最大升程htmax都为已知值，可以设计出凸

轮的外形。000

基圆半径r0根据凸轮轴直径dt决定，为了保证加工和维修的可能，常取

r0=0.5dt+1～3mm。可知凸轮轴的直径为22～26mm。我们取凸轮轴的直径为24mm。

000

凸轮作用角2φ0 决定于已选定的配气机构，对进气凸轮有：00 2φ0 =0.5（180o+α1+α2）000

式中 α1-进气提前角，单位（o）；000

α2-排气提前角，单位（o）。000

对排气凸轮有：000

2φ0 =0.5（180o+β 1+β2）000

式中 β1-进气提前角，单位（o）；000

β2-排气提前角，单位（o）。000

挺住的最大升程htmax决定与气门所要求的最大升程hqmax。00 hhqmaxtmaxi1

式中 i-摇臂的摇臂比，一般i=1.2～1.7，常用为1.5.在凸轮直接驱动气

门的顶置凸轮轴式气门机构中，i=1.000

由于r0、2φ0、htmax三个参数在设计凸轮型线之前已初步确定，所以双圆弧

凸轮的设计，实际上是在r1、r2两个参数中任选一个，确定一个即可。000

由于r1的选择范围很大，而r2的选择范围很小，所以先选r2再选r1是很合

理的。在选择r2时，应注意不要使r2过小，以免凸轮变尖，导致凸轮尖端处接

触应力过大，而使凸轮与挺住一对摩擦副产生早起损伤。凸轮在长期使用尖端磨

损超过极限后，必须重新磨削，因此必须留下磨削欲量。一般认为r2min应大于

2mm。000

（1）进气凸轮的设计：000

设定进气凸轮的r2=4mm，则有：000

（r1-4）2=000

（14+8.2-4）2+（r1-14）2+2（14+8.2-4）（r1-14）cos（58.25 o+7.5 o）

000

r12-8r1+16=18.22+r12-28r1+196+2*18.2*（r1-14）*0.41100

解，得000

5.0396r1=301.79440

0

r1=59.885mm0

0

如下图所示：000

图二 进气凸轮的尺寸00

（2）排气凸轮的设计：000

设定排气凸轮的r2=3mm，则有：000

（r1-4）2=000

（14+8-4）2+（r1-14）2+2（14+8-4）（r1-14）cos（55 o+7.5 o）000

r12-8r1+16=182+r12-28r1+196+2*18*（r1-14）*0.462000

解，得000

3.368r1=271.152

00

r1=80.508mm000

）（OAAAOAAAh13321121t1

图三 排气凸轮的尺寸000 运动规律的分析000

下面进一步分析凸弧凸轮平面挺柱的运动规律，也即平面挺柱的升程ht、

速度vt、加速度at在凸弧凸轮型线上随凸轮转角α的变化规律。00

图四

凸弧

凸轮

平面

的升

程

0

00

为分析方便，计算分段进行。00

第一阶段（即挺柱与腹弧相接触的阶段），当挺柱在A点相接触（α=0）的

时刻起即开始上升（图四中），当凸轮转过α角时，挺柱的升程为00

（3）

式中 OA11=r100 rAA032 ））（（cos1cosrrOOOA01113 代入（3）得000

costrrrrh01011

rr180a

212120maxDOOsinsinOO

rr210maxDsinsin

rrCCCOOCCCh0232322121Dcost2

sindtdhrrv01tt1t1

Dsindtdhtt2t2v 经整理得 cos1trrh011000

第一阶段凸轮的最大转角αmax由△ OO1O2的关系决定，即00

由此得 000

在计算挺柱第二阶段（即挺柱与顶弧接触段）的升程时（图四），为方便计

算，凸轮转角将由相当与气门全开位置C点开始，逆着凸轮的旋转方向计算。

00

在β角处挺柱的升程为000

同时加减一个htmax，则得000

cos1Dhhtmaxt

第二阶段凸轮的最大转角βmax按下式计算000

max0max

将上面所得的挺柱升程与转角关系对时间求导，可得相应转角的速度。挺柱

在第一段上的速度为000

式中 t—凸轮旋转角速度，000

在第一阶段上，挺柱速度在max时达到最大值。000

在第二段上挺柱速度为000

在第二段上，挺住速度在βmax时达到最大值。000