凸轮机构设计及应用-知识扩展DOC

凸轮机构的发展应用凸轮机构的应用自动机床进刀机构的应用（结构原理、实际机械）圆珠笔生产线、绕线机排线等速运动凸轮机构、圆柱凸轮送料机构圆柱凸轮间歇分度机构、蜗杆凸轮间歇分度机构转动-转动凸轮间歇机构（应用：PU-心軸型凸轮分度器）凸轮间歇分度器、圆柱凸轮电风扇摇头机构、实现点的轨迹（双凸轮组合机构）凸轮连杆组合：凸轮-连杆机构1、凸轮-连杆机构2、凸轮-连杆机构3工业应用（需剪部分视频拆分）、相位可调凸轮机构平底从动件顶杆式力封闭型配气凸轮机构、V型双缸发动机配气机构BMW S1000 RR 配气凸轮机构发动机配气机构的应用1. 摩托车发动机配气机构1） CB系列顶置式配气机构顶置式配气机构如图6所示，O1为曲轴回转中心，O2为凸轮回转中心，两者由链传动连接，其传动比为i12=0.5。（a）配气凸轮机构 (b) 摇臂CB系列顶置式配气机构CB系列顶置式配气机构设计分析设计最终归结为气门位移的配气定时，如图7所示。气门位移的配气定时排气提前角=55.284，进气提前角=29.674，排气迟闭角=45.716，进气迟闭角=46.326，而气门重叠角+=75.39。调整正时角和桃尖角，可改配气定时，后面谈到的可变气门正时技术，即是按此方式进行。对用于摩托车的高速发动机，为追求高转速时的大功率，应具有较大的气门重叠角。观察下述仿真分析软件知：CG配气定时仿真分析2） CG系列下置式配气机构下置式配气机构如图8所示，Oq为曲轴回转中心，O为凸轮回转中心，两者由一对齿轮传动连接，其传动比为i=0.5。凸轮驱动下摇臂，推动顶杆，由上摇臂实现对气门的打开与关闭。图8 CG系列下置式配气机构下置式配气机构对配气定时的要求与顶置式配气机构相同。CG系列顶置式配气机构设计分析CG配气定时仿真分析由配气定时仿真分析知：CG发动机配气机构的进气与排气摇臂均由同一凸轮驱动，这就产生了一个十分有趣的问题。由凸轮机构的设计理论知，进气凸轮机构为逆向设计，而排气凸轮机构为正向设计。在结构参数和运动规律均相同的条件下，理论上分别按逆向设计和正向设计所获得的两个凸轮的轮廓形状是不相同的，且相位位置也完全不同。摆动从动件盘形凸轮机构设计（提供参数文件，边讲解边运行软件）分别按正向和逆向设计所得到的2个凸轮及相位位置如图10所示。(a) 正向设计 (b) 逆向设计而CG发动机又是同一凸轮驱动，我国所有CG发动机源于日本的本田CG125，日本人是怎么进行设计的？破解：【宋立权，潘玉蕊，唐彬. 摩托车CG系列发动机配气凸轮机构最优尺度综合研究与应用J.机械工程学报.2007,43(7). p221-225】2. 汽车发动机四缸发动机配气及燃烧过程演示汽车发动机配气机构的发展如前所述，摩托车发动机为高速发动机，最高转速可达10000 rpm以上，最大功率一般在75008500 rpm，由于成本问题的限制，一般采用2气门（1进1排），且很少采用可变正时和可变升程技术。汽车发动机的最高工作转速一般在6500 rpm左右，常用工作转速一般在20003000 rpm，为节约燃油消耗、降低排放并提高发动机的升功率，对配气机构采用了可变气门正时和可变气门升程技术。可变气门正时技术发动机工作时的高转速，使四冲程发动机的一个工作行程仅需千分之几秒，短促的时间往往会引起发动机进气不足，排气不净，造成功率下降。因此，需要利用气流的进气惯性，气门要早开晚关，以达到进气充分，排气干净的要求。气门的配气正时是由凸轮的相位角决定的。对于没有可变气门正时技术的普通发动机而言，进、排气们开闭时间都是固定的，这种固定不变的气门正时很难顾及到发动机在不同转速工况时的工作需要。为了让发动机根据不同的负载情况能够自由调整“呼吸”，气门正时的可变性就发挥出了应有的作用，以达到提升发动机的动力和使燃烧更充分。重叠角较大的发动机在高转速下能发挥大的功率，在低转时的扭矩输出方面表现欠佳；而重叠角小的发动机是在牺牲了动力性能的前提下具有运转的平顺性和高转矩。因此，需要在设计时，充分考虑到凸轮形状和正时的设计，使发动机在不同转速下均具有优良的动力特性。为了解决这个问题，要求“气门重叠角”的大小可以根据转速和负载的不同进行调节，使高、低转速下都可以获得理想的进气量从而提升发动机燃烧效率和减少减少NOx的排放，这就是可变气门正时技术开发的目的。发动机可变气门正时技术的英文缩写是“VVT”（Variable Valve Timing），是“可变气门正时”的通称。可变气门正时的原理是根据发动机的运行情况，调整进气、排气的量，控制气门开合的时间和角度，使进入的空气量达到最佳，从而提高燃烧效率。CVVT连续可变气门正时技术,是一种通过电子液压控制系统控制打开进气门的时间早晚，从而控制所需的气门重叠角的技术。这项技术根据发动机的工作状态，来延迟或提前进气门的打开时间，特点是能够稳定燃烧状态，提高发动机工作效率，降低污染排放，提高燃油经济性。例如伊兰特采用CVVT发动机后减少了油耗8%以上。双CVVT技术是发动机技术的进步，它分别控制发动机的进气系统和排气系统，其效果如同一个较小的涡轮增压器，能有效地提升发动机动力。与单CVVT相比，由于进气量的的加大，并使得汽油的燃烧更加完全，更省油，同时实现了低排放的目的。如北京现代09款中高端轿车领翔发动机就采用该项技术，大大提高了整车的科技性。图11为通过调整凸轮的相位角来达到改变配气定时的目的图11 调整凸轮的相位角VVT系统通过在凸轮轴的传动端加装一套液力机构，从而实现凸轮轴在一定范围内的角度调节，即于气门的开启和关闭时刻进行调整，其内部结构如图12所示。图中，内转子与凸轮轴相连，内转子在外转子的推动下旋转，同时内转子在油压的作用下可实现一定范围内的角度提前和延后。图12 角度调整的液力机构图13所示为采用可变气门正时系统的发动机。图13采用可变气门正时系统的发动机最先将气门正时技术应用的公司是意大利的阿尔法罗密欧。作为第一个开发出了双凸轮轴量产发动机的厂商，用两根不同的凸轮轴来控制进气门和排气门的开闭时间，从而达到了比单凸轮轴更为有效的效果。该装置由名叫Giampaolo Garcea的工程师发明，在进气凸轮轴的主动链轮里加上一个装置，并由螺旋键槽将其与凸轮相连接，来改变气门的正时效果，并在增大了气门重叠角后获得了更好的燃油经济性。结构如图14所示。图14可变气门正时系统结构日产和本田公司分别在1987年和1989年，研发出了自己的双顶置凸轮轴系统，即NVCS(Nissan Valve Timing Control System日产可变气门正时系统)和VTEC（Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System可变气门正时及升程电子控制系统）系统。1992年，宝马公司开发出Vanos系统，最先被应用在了进气凸轮轴上，并在1998年，推出了双Vanos系统。丰田的VVTi（i的英文为Intake，意为“进气”可变）技术的工作原理为：系统由ECU（引擎电子控制单元）协调控制，来自发动机各部位的传感器随时向ECU报告运转工况，在ECU中储存有气门最佳正时参数，ECU会随时控制凸轮轴，根据发动机转速调整气门的开启时间，以达到可变正时的目的。可变气门升程技术VVT或CVVT技术通过合理的分配气门开启的时间可以有效提高发动机的效率和经济性，但是对发动机功率转矩等性能的提升作用不明显。发动机的动力表现主要取决与单位时间内的进气量，气门正时所体现的是气门开启的时间，而气门升程则代表了气门开启的大小。从原理上看，可变气门正时技术也是通过改变进气量来改善动力表现的，但是气门正时只能增加或者缩小气门开启时间，并不能有效改善汽缸内单位时间的进气量，因此对发动机动力性的帮助并不大，而可变气门升程技术并结合VVT（CVVT）技术则圆满地解决了这个问题。可变气门升程技术可以在发动机不同转速下匹配合适的气门升程，使得低转速下转矩充沛，而高转速时动力强劲。低转速时系统使用较小的气门升程，这样有利于增加缸内紊流以提高燃烧速度，增加发动机低速输出转矩，而高转速时较大的气门升程则可以显著提高进气量，从而提升高转速时的功率输出。本田的iVTEC技术是最早将可变气门升程技术成功应用的厂家。本田工程师利用第三根摇臂和第三个凸轮即实现了看似复杂的气门升程变化，其工作原理如图15所示。图15本田K20Z3发动机的i-VTEC系统当发动机达到一定转速时，系统控制将两个进气摇臂和中间摇臂连接为一体，此时三个摇臂就会同时被高角度凸轮驱动，而气门升程也会随之加大，进气量增大，发动机动力增强。这种突然的动力爆发能够增加驾驶乐趣，缺点是动力输出不够线性，具有一定的冲击。奥迪、三菱和丰田等厂家也研发出可变气门升程技术，均是通过增加凸轮轴上的凸轮来实现了气门升程的分段可调。连续可变气门升程技术日产和宝马推出了连续可变气门升程技术，实现了气门升程的无级可调。英菲尼迪VVEL技术在驱动气门运动的摇臂增加了一组螺杆和螺套，螺套由一根连杆与控制杆相连，连杆和一个摇臂和控制杆相连带动气门顶端的凸轮。螺套的横向移动可以带动控制杆转动，控制杆转动时上面的摇臂随之转动，而摇臂又与link B相连，摇臂转动时带动link B去顶气门挺杆上端的输出凸轮，最后输出凸轮就会顶起气门来改变气门升程。日产通过这样一套连杆和螺杆的组合实现了气门升程的连续可调，如图16所示。图16连杆和螺杆的组合的连续可变气门升程技术相比分段可调的i-VTEC技术，连续可变的气门升程不仅提供全转速区域内更强的动力，也使得动力的输出更加线性，这项技术最先就被装备在G37的VQ37VHR发动机上。 VANOS是宝马开发的连续可变气门正时技术，宝马2.0升直列四缸发动机采用的是进气气门正时和排气气门正时同时可变的Double-VANOS双可变气门系统。Double-VANOS系统能够在大部分转速区内持续地调节进气门正时和排气门正时，并且还能够在各种工况下控制高温废气再循环进入进气歧管的流量，利用调节再循环废气量在低速时提高燃油经济性，在高速时产生最大输出功率。其连续可变气门正时技术与日产英菲尼迪VVEL技术类似。BMW连续可变气门正时技术演示3. 结束语配备在大众GTI上的2.0 T-FSI发动机（T涡轮增压，FSIFuel Stratified Injection燃油分层喷射），5100转时动力输出为147千瓦，升功率达到了73.5 kw/L。由于拥有直喷发动机燃油直接喷射的特征，还拥有涡轮增压器，所创造的动力强大和突出的扭矩输出区域，其卓越的响应提供给驾驶者完美的操控快感，也完全没有机械涡轮增压器动力滞后的现象，充分体现了现代技术的完美结合。直喷演示图17凯迪拉克D-VVT可变双气门技术直喷技术直喷演示画外音发动机根据发动机负荷工况，可以自动选择两种运行模式。在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时则为均质燃烧。 低负荷时，油门为半开状态，燃油系统在发动机压缩冲程喷注燃油，特别的活塞顶设计（弯曲顶面活塞）使吸入的空气和喷入的燃油形成滚流，仅在火花塞周围形成达到理论空燃比、足以燃烧的空燃混合气，来引燃整个燃烧室内的混合气，而在燃烧室的其他地方则为富含空气的高空燃比混合气，以此形成稀薄燃烧。全负荷时，根据吸入空气量精确控制地燃油的喷注量，燃油与空气同步注入汽缸并充分雾化混合，使符合理论空燃比的混合气均匀地充满燃烧室，即，形成匀质燃烧， 充分的燃烧使发动机动力得到淋漓尽致的发挥。而燃油的蒸发又使混合气降温去除了爆震的产生，即在均匀燃烧情况和获得高动力输出和扭矩的同时付出了较低的燃油消耗。结合可变气门技术和发动机涡轮增压技术、直喷技术以及气道和燃烧室的优化，不仅使得发动机具有低排放、低能耗，并具有更强劲的动力输出。这些技术能够让发动机对驾驶者的意图做出更迅捷的反馈，同时通过发动机管理系统对气门升程的精确控制，实现了车辆在各种工况和负荷下的最佳动力匹配。