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凸轮轴凸轮设计方法
第一章 下置凸轮轴配气机构凸轮型线设计
早期的凸轮型线设计 多采用圆弧凸轮和切线凸轮等 由于这些凸轮存在着
高速平稳性差的特点 已经被性能优越的各种函数凸轮所代替 函数凸轮型线很
多 如整体式函数凸轮 分段式组合函数凸轮 N 次谐波凸轮和高次多项式函数
凸轮等 随着车用发动机的转速越来越高 其配气机构的凸轮型线多数采用 N
次谐波或高次方多项式设计 这两种型线能保持较高阶导数的连续 使配气机构
的工作较平稳 不致有剧烈的振动
在发动机配气机构中 顶置凸轮轴的配气机构由凸轮直接作用于摇臂来驱动
气门运动 下置凸轮轴的配气机构由凸轮通过挺杆和推杆作用于摇臂来驱动气
门 所以两种配气机构的凸轮型线即使相同或相近 因为从动件的运动方式不同
其门运动规律也有很大不同 即使凸轮型线以凸轮顶点为中心大致对称 气门的
运动状况和所受到的作用力也有可能呈现严重的不对称 为改善气门的运动规律
和受力状况 从气门的运动和受力状况反求 可知凸轮型线必须作不对称设计
所以现在绝大多数发动机配气机构的凸轮型线不采用完全对称设计
当发动机缸盖的结构和尺寸确定之后 发动机配气系统的结构也基本确定
配气机构的改动设计只能从两方面进行 一方面 凸轮的升程曲线 重叠角和配
气相位 另一方面 摇臂的机构参数和气门间隙调节螺栓 配气机构是由各零件
组成的一个系统 各个零部件在系统中相互作用 相互影响 不能孤立地分析
分析和设计工作必须同时或交叉进行
本文所设计型线 都是用Matlab 编制M 程序 效率高 可视化性能好 避
免了C C++等编程效率低下问题
1.1 N 次谐波凸轮型线
1.1.1 配气机构的共振分析
采用N 次谐波设计凸轮型线 就必须考虑配气机构的共振问题 为了保证配
气机构能平稳的工作 先将配气机构当作单自由度振动模型来分析 图2- 1
图1-1 配气机构单自由度振动模型
气门运动用一个集中质量 M 来表示 M 包括气门质量及其它传动件换算到
气门的质量 M 通过刚度为 c 的气门弹簧与缸体联接 另一端联接一个刚度
为c 的 弹簧 c 代表整个传动链的弹性 此弹簧的上端由 当量凸轮 控制
此系统的自由振动频率为
1 c c
f = (Hz) (1- 1)
2p M
这里挺杆升程方程为
N
A cos iq 开启段 (1-2)
i
i 0
h(q ) = N
B cos iq 关闭段
i
i 0
1 p
其中 A B = h(q ) cosiqdq
i i
p p
如果 2-2 中某一项的振动频率与配气机构的自振频率(1- 1)一致 就会发
生共振
1 c c iw
= (1-3)
2p M 2p
通过选取合适的i 避免(2-3)式成立 则可防止配气机构共振
2.1.2 凸轮型线设计
设凸轮最高点对应的q =0 [ p 0]对应凸轮曲线的升程部分 [0 p ]对
应凸轮曲线的回程部分 根据(1-3)选择适当的i 确定 1-2 式的
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