第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计

一、绪论1.1引言配气机构是内燃机的重要组成部分。

它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃烧废气。

一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。

设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。

与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值.内燃机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的，配气机构的这些性能指标很大程度上取决于配气凸轮的结构。

本文从改进配气凸轮型线设计角度来进行配气机构优化设计研究。

1.2配气凸轮型线设计凸轮机构从动件滚子直接与凸轮轮廓而接触并产生相对运动，利用滚子的滚动以减小因相对运动产生的摩擦与磨损，以提高机构的寿命和可靠性。

在设计凸轮型线时首先满足从动件的运动规律。

从动件运动规律的应满足下列要求:①应保证能获得尽量大的时间断面值，气门开启和关闭要快以求在尽可能小的凸轮转角内气门接近全开位置。

②应保证配气机构各零件所受的冲击和振动尽可能小，以求大得配气机构工作得平稳性和可靠性。

为满足以上从动件的设计要求，一条良好的凸轮型线应能保证:①适宜的配气相位。

使配气相位符合发动机的特性要求，如功率、油耗、怠速及最大功率和扭矩时的转速等，保证配气机构获得尽可能大的时面值或丰满系数，以提高内燃机的充气效率和降低残余废气系数。

②使发动机具有较好的充气性能。

由于发动机的形式不同，需要的气门运动规律也就有所不同。

例如球形燃烧室内燃机希望进气门尽快开启使空气尽早流入;而高速汽油机希望进气开始时缓慢一些，以便更好的利用惯性充气。

③适宜的从动件加速度。

加速度不宜过大或者带突变，加速度曲线应尽可能连续。

第五章配气机构设计第一节配气机构的形式及评价第二节配气机构运动学和凸轮形线设计第三节配气机构动力学第四节配气机构主要零件设计要点第五节可变配气机构第一节配气机构形式及评价一、配气机构的设计要求基本要求：气缸换气良好，气门通过能力大，气门开启时面值大，气门开口面积大且快开快关。

惯性力↗负荷↗磨损↗振动↗噪声↗。

二、配气机构形式1、下置凸轮轴侧置气门2、下置凸轮轴顶置气门3、顶置凸轮轴顶置气门1、下置凸轮轴侧置气门：可靠，但充气系数小，抗爆性差，HC排放多，趋于淘汰。

2、下置凸轮轴顶置气门：充气系数大，但零件多，质量大，刚性差。

3、顶置凸轮轴顶置气门：动力性能好，但传动链长。

三、每缸气门数：一般一进一排；现在有：二进二排；三进二排；二进一排四、凸轮轴的传动：齿轮（正时）传动；链条传动；齿带传动。

最近出现了各种配气定时可调的内燃机，使之能在更宽的范围内保持较为有利的配气定时。

第二节配气机构运动学和凸轮形线一、凸轮设计与机构运动学：配气凸轮外形决定气门的通过能力和构件加速度变化规律。

一般设计过程：从动件加速度规律→从动件运动规律→凸轮外形生产中，配气凸轮外形都是用靠模机床加工的，而凸轮靠模往往是用展成法制造的。

二、凸轮挺柱的运动规律：凸轮升程丰满系数1.等加速减速凸轮这种凸轮存在冲击性惯性负荷，甚至“飞脱”2、复合正弦凸轮：用一个正半波大幅短周期正弦曲线和一个负1/4波小幅长周期正弦曲线组成半作用角的挺柱加速度曲线。

3.高次多项式凸轮：为得到高阶光滑，提出高次多项式凸轮。

各待定系数和幂指数根据边界条件计算。

二.气门间隙与缓冲段设计：由于存在气门间隙等因素，所以需设计缓冲段。

缓冲段主要参数：高度：0.15~0.3mm速度：0.006~0.025mm/(°)包角：15°~40°缓冲段形线的形式：（１）等加速－等速型（２）余弦型三、有关配气凸轮机构的一些几何问题：确定了挺柱的运动规律（升程表）后，凸轮外形设计就算完成。

内燃机课程设计凸轮说明书题目 90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计学院机电工程学院专业热能与动力工程专业班级热动1002 学号姓名指导老师刘军日期 2013-6-2590kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计前言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。

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。

凸轮的设计1.给定的参数及要求（1）凸轮设计转速nc=4636r/min；（2）进气门开启角233°（曲轴转角），凸轮工作段包角116.5°；（3）排气门开启角220°（曲轴转角），凸轮工作段包角110°；（4）气门重叠角15°（曲轴转角），凸轮转角7.5°；（5）凸轮基圆直径 28mm；（6）进气门最大气门升程hvmax =8.2，排气门最大气门升程hvmax=8。

2.凸轮型线类型的选择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。

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。

序号：编码：重庆理工大学第二十四届“开拓杯〞学生课外学术科技作品竞赛参赛作品作品名称：配气凸轮型线设计作品类别： A类别：自然科学类学术论文科技创造制作C哲学社会科学类学术论文与社会调查报告配气凸轮型线设计摘要：配气机构是内燃机重要组成局部，它控制着内燃机的换气过程，其设计优劣直接影响着内燃机的动力性，经济性和排放性以及工作可靠性。

今年来随着内燃机的高速化，低排放化的趋势，人们对其配气机构的性能要求越来越高。

而凸轮型线配气机构的核心局部，其设计的合理性影响着配气机构的各个性能指标。

凸轮型线的设计既要保证获得尽可能的大时面值和饱满系数以提高换气效率，又要保证加速度曲线连续，、无突变。

本次论文针对以上情况，设计出一款缸径为68的配气凸轮，并对其性能做出相应的评价。

关键词：配气机构凸轮升程凸轮型线Abstract:Airdistribution mechanism is animportant part ofthe internal combustion engine,which controls the gasexchang e process of the internalcombustion engine,thedesignofwhich has a direct impact on theengine power,economy andemissions aswell aswork reliability.Thisyear,with the high speed of theinternal combustion engine,thetrend of lowemission,the performance requirements of thegasdistributionagenciesaregettinghigherandhigher.And thecorepartofthecamtypeairdistributionmechanism,the rationalityofitsdesignaffectstheperformanceindexesofthe airdistribution mechanism.The design of the cam profile is notonlytoensurethatthefacevalueandfullnesscoefficientareobtained asmuchas possible to improvethe ventilationefficienc y,but alsotoensure that the acceleration curveiscontinuous,andthereisnomutation.Thispaper,inviewofthe abovesituation,designabore68ofthecam,andmakethe correspondingevaluationonitsperformance.Keyword:Valvetrain Camlift Camprofile1.凸轮设计的根本原那么凸轮的设计即凸轮外轮廓线的设计，凸轮廓线有两种表示方法：1〕型线式，给出凸轮对应的挺柱升程曲线以及基圆半径，2〕外型式，给出轮廓形的几何形状和曲线方程。

凸轮机构设计1 概述凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。

但另一方面，由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。

1.1 凸轮机构的应用（工程应用案例）内燃机配气机构凸轮机构自动车床上的走刀机构分度转位机构靠模车削机构1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，常就凸轮和从动杆的端部形状及其运动形式的不同来分类。

(1) 按凸轮的形状分1)盘形凸轮(盘形凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转)尖顶移动从动杆盘形凸轮机构尖顶摆动从动杆盘形凸轮机构滚子移动从动杆盘形凸轮机构滚子摆动从动杆盘形凸轮机构平底移动从动杆盘形凸轮机构平底摆动从动杆盘形凸轮机构2)移动凸轮(移动凸轮可看作是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它作往复直线移动。

)移动从动杆移动凸轮机构摆动从动杆移动凸轮机构3)圆柱凸轮(圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。

)圆柱凸轮自动送料机构4)曲面凸轮按锁合方式的不同凸轮可分为：力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；形锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。

沟槽凸轮槽凸轮机构 (2) 按从动杆的端部形状分1) 尖顶这种从动杆的构造最简单，但易磨损，只适用于作用力不大和速度较低的场合(如用于仪表等机构中)。

2) 滚子滚子从动杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，磨损较小，故可用来传递较大的动力，因而应用较广。

3) 平底平底从动杆的优点是凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。

(3)按推杆的运动形式分1)移动往复直线运动。

在移动从动杆中，若其轴线通过凸轮的回转中心，则称其为对心移动从动杆，否则称为偏置移动从动杆。

2)摆动作往复摆动。

总结：凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。