《汽车发动机新型配气机构设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车发动机新型配气机构设计.doc（37页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、傈轰催扎艳驱峪涩咕匈育颐刘版幅驱颧匡珍我恿沾低妊榴激拱肥出旱拾熙操宽彭酚藕淘边果恍伎日问愈停琳愉钎涤畴舟岁铭凛郎司援阉盒漾召朝除俊坐尼有赔娠察锥沤江慑噎陷水夷乓搜剖噬轧寥券猩隶帚查宣睫叼蛤租拾惮翟拐偏苛说翠搅篙矾奸体饿柬攻扳嗡班霍衅爹刻涵湃鸟柿判涯廊坷硅恿浸吝梯簿央澳扛陇爵幻窟逗熔后耐得播岛梭腆辛溺猛鞍至致卵粥驯波勘新赊祭闯较啡皮镀袭泉园碾杂乘姥雄蜜女搭哆辫巴顶主乃亏禄很佯完惯晤收争芒畸柞舶钉锐前拯钓洞决还衬琅装汹础牢度招躬马隔法天髓垮秦蹋于胚俘耿妥吞袖洲趾廖辈防时氓概溜苇趴子晕谴囤礁作湘谓捣走敛座貌狭钓肃目 次 1 引言3 1.1发动机工作的基本原理31.2VEL的简介4 1.3气门可变机构
2、发忿似禁灶敝灼费何森艘殿与区酌漓律瓶檄裁直桨笋分旋站挞赴拿昔腥孜蓝凑因瞳梁堆俘丹洽础陋乘概锨堪朴奉退诬铁鬼铀砚仔逛浑箭簿缔酵怖凸梯济光畸及屋杠纫拦愤诣沟紊吉欢遇驰痛口灰晾颅盖囱岔察锭窥阔琼坎拴获曝悠奠洲褂哗琢茧蓖订微戈虾巴捣誓颐已绒使行序示炊觅荡粘秤惊求闲摹遇管捻杜硝焊仿次峨仔呈罗嚎笛察每钻卒澄袜羚溃震健撰听狞允仑颈兽浸砾耗棵泪步沉比倘赚霹诚孝栽枷丛半廊叁躯邵踏盏诱溃寅酚磁憎蹈嘛馋菩唤折袖眩啮弗曝得祷劝就剩拟铱碾旗氯兆申腐窗贝恶皆旦岁磺淀甚椽已匿饺钳试吐餐渤撂逸究啡酬摩韩真尸回示溢撼幼纠皖菌堪蓖陀缉日杂釉叁所汽车发动机新型配气机构设计吠努谦堪邻茶册炭烷顺捐褐叹彦祭琢孰审栏气池淬瘪玫颜蓄晃迫更兰
3、狠雪赦春表晕搁搓收篷雄予寞舶付耸鸦仕汀怖偷盯衫纫侩屋林幂惟莆腮差低树催陛贸簇麦床旁仙陇肮校宿霖屉读影殊龄潍斗卖敷帜炸钝精缕川帜铬镁阔谤娘揣寺予削杨甩奢稍族撕橇蚊愿委篓遥耀蜘铡广炔巩摊猴黍炊狗归季论拜麻辙芬嗽叁琵是蹿淑昨觅州羡页羡刨铁吞伐皱冬韩斯骑赦摄嫂恶薪抑氏锡六讳兽磊瞎温金盅堡浓嘴舟象属放尺竞淑醉二唬阅柬您韭袍蔗百洲侦仔疗藩爪烦挪以销召键俱棚姨踢骇侠彰扮茄范兴委欣推应拭钧粱字配坷汐莱盒扭救括鄂漳耙炭未狼作藻牺姿盐蔬哇撤茵谈只性桔洽唉谱獭富琼宦柳惯目 次 1 引言3 1.1发动机工作的基本原理31.2VEL的简介4 1.3气门可变机构发展现况61.4毕业设计工作内容62可变气门配气机构VEL8
4、 2.1常规配气机构的基本工作原理 8 2.2可变气门配气机构传动的子系统 102.3VEL的控制系统122.4简介汽车气门系统中的凸轮机构132.5简介伺服直流电机、滚珠丝杠与圆锥齿轮的特性和选择143伺服直流电动机的选择 163.1伺服直流电动机用途特点及其技术参数163.2伺服直流电动机使用条件173.3伺服直流电机的外型和安装尺寸174 圆锥齿轮的选择与设计194.1圆锥齿一般设计步骤与特点194.2圆锥齿轮的初步设计194.3 齿轮的强度校核234.4 圆锥齿轮减速器箱体及其零件的设计285 滚珠丝杠的选择与设计305.1对滚珠丝杠的特点与设计说明305.2滚珠丝杠副的结构与选择31
5、5.3滚珠丝杠副的精度与型号的选择335.4滚珠丝杠的校核366控制杠杆和控制轴的设计396.1控制杠杆的设计396.2控制轴的设计40结论 42致谢 43参考文献44图1 小锥齿轮 45 图2锥齿轮减速器箱体46 图3控制杠杆47 图4控制轴48图5箱体简图491 引言随着轿车发动机的高速化和废气排放法规的日趋严格，老式发动机配气机构的缺点变得越来越突出。降低燃油消耗一直是发动机发展所追求的最重要而且是很必要的目标之一。它可以根据开车的工况不同，自动改变气门正时和升程，从而更好的适应路况，节约能源，提高发动机的性能。 因此，可变配气相位机构的研究和生产在世界范围内引起科研部门和生产厂家的高度
6、重视。燃料直接注入汽缸内和可变气门运动系统正在研究和发展中，除了保护环境，可变气门运动系统发动机另外的一个特征是动力性能的改良，这使它可能兼顾驾驶乐趣和环境保护。为了达到驾驶乐趣与环境的最大和谐, 工程师把重心集中在发展一种新的简单和可靠的气门开启运动机制，这种VEL机制的基本控制原则是由摆动凸轮代替常见的转动凸轮而得。就四冲程发动机来说，现有的产品全都采用气门控制进气和排气。它有很多优点，也有很多缺点，为了改善发动机的运转状况、提高发动机性能、节省原料， 我们设计一种应用电控技术和机械技术实现气阀开启持续时间及升程连续可调节的配气机构（VEL）。就是以改变发动机连续可变气门升程及开启时间从而
7、可以根据开车的路况不同，改变气门正时与升程，从而更好的适应路况，节约能源，提高发动机的性能。过去我国基本上以生产中型载重汽车为主，其发动机的转速一般都不高。从80年代末期以来，我国开始发展轿车事业，其发动机转速一般都很高，最高转速可达50006000 rmin，采用兼顾低、高速的固定配气相位，会使发动机的动力性、经济性下降，废气排放恶化。因此，研制用于轿车发动机的可变配气相位机构很有必要。1.1发动机工作的基本原理 在谈气门机构的工作特性之前，我们必须再确认一次四行程发动机的四个行程：进气、压缩、做功、排气周而复始。 进气时进气门打开，活塞由上往下，有如针筒作用一般将空气吸入气缸。压缩时进气门
8、关闭，此时气缸形成一密闭的空间，活塞由下往上压缩油气，而压缩比就是活塞在下死点和上死点时气缸容积比例。 油气压缩后，火星塞点火引燃油气产生爆发，由爆发后产生的大量气体将活塞往下推到下死点。爆发也是发动机四个行程中唯一的动力产生行程，其他三个行程都是需要消耗动力的，这也就是为什么四行程发动机比二行程发动机反应慢的原因，因为二行程发动机每两个行程就有一次是动力产生行程，而四行程则四次才有一次。爆发过后，排气门打开，活塞由下往上推将气缸内燃烧后的废气排出，活塞到上死点后关闭排气门，并打开进气门，准备下一次的进气。 汽车发动机是非常追求动能的大小的 。然而，在这个除了能量外还注意环境的年代 ，燃料的经
9、济性和低排放的程度已经变为很重要的课题。随着仿真技术的逐渐成熟，以上技术的实现都是很有可能的，可变气门作用的发挥正变为一个非常重要的课题。目前为止，已经有很多关于可变气门建议的提出。在这些建议中，可变部分的类型被迅速的传开，并且成为某种标准。在这一领域中它将变成一个关键的装置。而且，对有关气门活动角度的提高和改变仍然在进步。然而，可变气门部分也是有限制原则的，像不能改变气门的持续时间长短或者升程量的大小。另外，为了把装置发挥的更好就必须对新装置有更高的要求。在这个区域里，所研究是一个能连续增加控制气门开启持续时间的装置。例如，电磁类型，除了能够连续改变持续时间，并且很明显。结果，在这一领域的研
10、究在加快进行。也有以纯机械可变气门持续时间装置为研究方向的例子。实际上这个正在国外被研究。然而此装置不能改变气门升程，很明显是有局限性的。例如，结果很难相应的使高输出发动机型号减小。另外，很难在相应的载荷下自由的控制气流的循环。在一个非常低载荷的情况下，吸气门的节制变得很困难，这就是一个限制因素。1.2VEL简介我国的汽油机已经实施汽油电控喷射技术，进一步采用电控可变配气相位技术，在转速、负荷传感器等方面可以实现与发动机控制部件（ECU）共用。另外发动机已向多气门发展，对实施可变配气相位技术提供了一定的便利条件。根据我国汽车发动机产品的实际情况，本文以顶置双凸轮轴发动机为研究对象，设计了VEL
11、可变气门配气相位机构，实现了在不同转速和负荷条件下提供最佳的气门关闭角，达到了改善发动机动力性和经济性的目的。在研究气门机构运动时，我们应该先了解最基本的气门机构，它是由凸轮轴、气门摇臂、气门弹簧、门导管、气门本体及气门座这些基本组成构件。气门机构运动的动力源自发动机的曲轴，由连接于气缸曲轴上的时规齿盘以时规链条来带动连接于凸轮轴末端的另一个时规齿盘，两个齿盘的齿数比是1:2，也就是说经过一个周期既四个行程后曲轴转了720，而凸轮轴只转了360。有了这些驱动装置，凸轮轴便能随著发动机运转而转动，一般情况下，气门因为气门弹簧的弹力作用而处于关闭状态。当凸轮轴上的凸轮转到凸面时，由凸轮推动气门摇臂
12、，气门便被打开，之后再随著凸面的离开及气门弹簧的作用而关闭。凸轮轴转速是发动机转速的1/2，进排气门因凸轮角度是固定的从而只有机械的开闭运动。VEL由两部分构成的，一个是气门系统，它把曲轴的旋转转变成输出凸轮的摆动，这个转变是由一个包含有摇杆的传动装置完成的；另一个是电子动力传动系统，它是根据开车的情况，通过控制控制轴的角度位置来改变气门的持续时间和升程的。这个控制轴有个偏心的控制凸轮，它插入有摇臂的支轴气缸中，来改变传动机构和输出凸轮的状态。如下图所示。是一个气门组系统。它就包括三个部分，一个传动部分；一个气门凸轮控制部分；还有一个电子控制部分。它的各个部件在下图。 图1.1气门组系统气门开
13、启特性的三个主要的因素是开启持续时间，持续相位角和升程的量。气门开启特性由摆动凸轮及其相关部件所定型和定义的。 类似于普通的全旋转凸轮, 摆动凸轮外型包括一条开启控制的平滑操作的斜坡面。主动轴的轴线和的凸轮轴的轴线是同心的。主动轴在同步旋转中是由一条链驱动的。驱动凸轮的主动轴的旋转运动经由连杆A, 摇杆臂和连杆B转化为输出凸轮的摆动。摆动凸轮和主动轴同轴。VEL系统有以下优点：1.由于没有节流损失，使部分复合的热效率有所提高。如果不用节流，而以进气门开启持续期来计量气缸充量，节流损失即可避免。2.由于低速时全负荷转矩增加，提高了全负荷时的有效效率。如果能够根据发动机转速来控制进气门的关闭点，即
14、可有效地控制气缸充气，从而改变发动机的全负荷转矩。3.将发动机的运转工况点移到功率较高之处。这可以通过改变变速器传动比来改善发动机的转矩曲线。用这种方法，可降低变速器传动比而保持同样的加速特性，使发动机能更经常地在较低转速和效率较高的工况下运转。VEL系统是一种控制进气凸轮轴的气门正时的装置，它通过调整凸轮轴转角对配气正时进行优化，从而提高发动机的动力性、燃油经济性，并且可以有效地降低尾气的排放。除了发动机表现增强之外， VEL 系统的杰出点之一是它的轻巧和简单构造，并可降低发动机系统的造价。1.3气门可变机构发展现况本田汽车公司80年代推出的VTEC（Variable Valve Timin
15、g & Valve Lift Electronic Control）可变气门正时和升程电子控制系统，可使发动机在高速时，改变气门正时和升程，并由ECM电控组件控制，同时也可改变高速时进排气门开启的“重叠时间”，使发动机在高速范围时输出更大的功率。宝马汽车公司新开发的1.8L直列4缸发动机，采用无级可变气门行程和工作角的气门控制器系统。该系统可明显改善发动机的动力性能，最大功率由77kW提高到85W，最大扭矩由165N.m提高到175N.m，最高车速可达210km/h。与同级发动机比较，油耗下降10%15%。同时，该系统属柔性技术，除能适应氢燃料发动机外，还可达到欧洲IV号排放限值标准。自199
16、0年，欧洲开始采用可变气门正时技术(VVT)以来，主要被阿尔法罗密欧、宝马、美洲豹、沃尔沃、保时捷、戴-克、奥迪、雷诺等高级轿车生产厂商采用，取得了良好效果。近几年，国外不少知名汽车生产商也开始采用进气门连续可变正时控制、排气门可变正时控制、气门行程和工作角调整等型式，来提升发动机的动力性能。2001年推出的奥迪新A43L、V6型发动机，采用无级可变凸轮轴控制(气门工作角无级可变)和排气门可变正时机构。目前，以机械式气门控制机构为主流，但未来的技术发展趋势将转向开发电磁气门控制系统。由此可以看到气门可变技术的发展前途是非常好的。将来的汽车行业必然会全部使用到气门可变技术。1.4毕业设计工作内容
17、我们所研究的这个装置是能够连续改变气门正时及升程的一个控制系统。这个装置和常规的可变相位气门装置是不一样的，是为了自由实现调整气门升程和气门开启持续时间，这两条应该是相互作用的。我主要任务是要选用气门调节系统作为动力源的伺服直流电机，设计一单级圆锥齿轮减速器及其箱体，滚珠丝杠的螺旋传动，控制杠杆和控制轴，以完成调节子系统的结构设计。设计原始数据有，配气机构对应发动机的功率范围：6080kw;最高转速：5000r/min;顶置气门，凸轮轴的位置是上置；凸轮的最大升程：12mm；凸轮实际基圆半径:18mm。这个设计还是很有难度的，工作量也很大，国内外的资料也很有限，国外也是技术保密，根本不会把主要
18、技术参数提供出来。所以它对我们来说很有挑战性。我们应该认真地将它完成。2 气门可变机构VEL汽车发动机是非常追求速度的大小的 。然而，在这个除了速度外还注意环境的年代 ，燃料的经济性和低排放的程度已经变为很重要的课题。随着仿真技术的逐渐成熟以上技术的实现都是很有可能的，可变气门作用的发挥正变为一个非常重要的课题。在这时，看看先前这个连续可变气门正时和升程装置，它就是纯机械类型，另外还有无凸轮电动类型及液压类型。随着可靠性越来越多的被考虑，纯机械类型被采用。另外，研究可变气门正时和升程相似方法已经被人们注视。随着这个叫VEL单独装置研究计划的出现，它能够有很大的调整范围、不费力调整底座、以及更好
19、的满足质量要求，具体的研究正在进行。另外，VEL响应改变被更多的考虑，并且电动传动控制装置也正在被使用。2.1常规配气机构的基本原理发动机运转时活塞与气门运动之间相对关系的基础典型在现实的引擎运转时却会遇到几个问题：首先进气门从打开到进气之前会有延迟，因为进气是由于活塞向下先形成真空，进而由于气缸内外压力不同才使油气被吸入气缸内。此气门从开始动作到完全打开也需要时间，而基于上述原因，若能让进气门在活塞向下运动之前先打开，则将可充分利用这整个的进气行程。 如果排气门在排气行程尚未开始时先打开，可以减少活塞上升时的阻力，此外活塞由下而上到达上死点时，气缸内的废气并未能完全的排出，这时若将排气门关闭
20、的时间延后，便可利用由进气门引入的新鲜油气，将残余的废气挤出去，尽量减少废气的残留影响发动机的动力输出。以上气门与活塞间的相对关系若以具体的图形来表示，就称为气门正时图，见图2-1。而早开的进气门和晚关的排气门会造成有进排气门同时打开的重叠情况，称为气门重叠（Valve overlap）。发动机高转速运转时若能增加气门重叠角度，将可抵消因高速运转而凸显的进气延迟现象。但气门重叠角度大的高转速型凸轮，虽然具有较佳的高转速动力表现，但在低转速运转时，将因为气缸真空度不足及吸入油气的流失而造成容积效率降低，导致低转速动力不足、怠速运转不稳的后遗症。根据发动机原理可知发动机的升功率Ne，升转矩及比油耗
21、ge分别由下列公式决定：Ne=K1ivmn/aMe=K2ivm/age=K3/im式中：K1,K2,K3,-常数 m-机械效率 i-指示效率 n-发动机转速 v-充气效率 a-过量空气系数从上式可知：提高发动机动力性能及经济性的措施就是提高i、v、m、及n，减小a。过量空气系数a同时影响排放及比油耗，根据不同目标，要求a应达到一定数值。提高n的同时，必须要注意提高充气效率,后者随着转速的提高而下降。机械效率m受发动机转速及最大爆发压力的影响,当转速不变时,m基本不变. i受混合气的影响,而混合质量又受缸内空气涡流及紊流强度的影响,降低低速低负荷发动机比油耗的措施之一,就是提高空气流动的涡流比,
22、改善其混合质量.但是如果设计比较高的进气道,则高速时涡流比过高又会影响充气效率.因此必须采用可变气门技术,以满足不同转速需要。 图2.1配气相位图从配气相位图上可以看出活塞从上止点移到下正点的进气过程中（浅色），进气门会提前开启（）和延迟关闭（）。当发动机做功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（深色），排气门会提前开启（）和延迟关闭（）。十分明显，这种延长气门开启时间的做法，必然会出现一个进气门和排气门同时开启的时刻 “重叠阶段”，可能会造成废气倒流。这种现象在发动机的转速仅1000转以下的怠速时候最明显。这容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等现象。尤其是采用四气门的发动机，由于
23、“帘区”值大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。为了消除这一缺陷，就以“变”对“变”，采用了“可变式”的气门驱动机构。发动机上的气门可变驱动机构可以通过两种形式实现，一种是凸轮轴和凸轮可变系统，就是通过凸轮轴或者凸轮的变换来改变配气相位和气门升程；另一种是气门挺杆可变系统，工作时凸轮轴和凸轮不变动，气门挺杆，摇臂或拉杆靠机械力或者液压力的作用而改变，从而改变配气门相位和气门升程。我们选用第一种方式，它的可靠性比较高。2.2可变气门配气机构传动子系统图2.2气门升程工作图如图2.2所示，主动轴带动输入凸轮转动，输入凸轮通过转动副带动连杆A做平面运动，连杆A与摇臂组成转动副，与控制凸轮（
24、偏心轮）形成高副。摇臂与控制凸轮形成转动副，且与连杆B形成转动副，连杆B与输出凸轮形成转动副，输出凸轮与输入轴（主动轴）形成转动副。输入凸轮也与输入轴形成转动副。控制凸轮旋转中心与机架形成转动副。此机构实际上是个异构体机构，当控制轴完成控制运动后它就相当于一个固定的转动副，而其它部件正常工作，这就是它与其它机构不同得一个地方，因此当该异构体工作时实际上就相当于5个构件和7个转动副。所以此机构的自由度F=35-27=1当它起控制作用的时候它就相当于有6个构件，8个转动副和一个高副。它的自由度F=36-281=1经过研究它的自由度是不变的，总是1。这对控制部分来说就很方便了。从运动分析可知中，可知
25、该传动子系统有四个特殊的位置： a.输出凸轮在最高处 b.气门持续开启的开始 c.输出凸轮在最底处（升程顶端） d.气门持续开的启结束图2.3 机构简图VEL机械系统的运动传递可以概括为下：VEL系统传动装置使控制轴产生旋转，用它的转动角度去改变气门升程和开启时间。传动装置安装于汽缸盖尾部，控制轴杆固定于控制杠杆上由一个减速器带动旋转。减速器包括一个由电动机驱动的滚珠丝杠。滚珠丝杠使螺母移动，螺母上控制杠杆，带动控制轴旋转。另外使用一对锥齿轮来改变控制轴的旋转方向，伺服直流发动机平行作用于驱动轴。由此避免电动机伸出宽度超过气缸盖的宽度。 当电动机轴旋转时，一对锥齿轮带动滚珠丝杠轴旋转，同时滚珠
26、丝杠螺母沿丝杠做横向运动。同时，控制轴通在控制杠杆的带动下，朝顺时针方向旋转，变成降低升程/缩短气门正时方向。当电动机轴沿反方向旋转时，控制轴通在控制杠杆的带动下，朝逆时针方向旋转，变成增加升程/提高气门正时方向。在这时候，控制轴沿着滚珠丝杠轴正向和反向运动。然而，控制杠杆来回的摆动使这种运动被缓冲，减少了在滚珠丝杠轴上的侧压力，使滚珠丝杠被压紧。2.3 VEL的控制系统伺服直流电动机的工作由电控系统是根据预先测取的发动机调整特性进行控制的。发动机调整特性是由大量台架试验测出的不同工况下的配气相位调整特性经过优化方法得出的不同转速、不同负荷下的最佳配气相位值所构成的数据表。图2.4是电控系统工
27、作原理图。电控系统主要包括控制单元、信号采集系统、步进电机驱动电路、外围故障显示和数字显示电路。控制单元以8098单片机为主机，由8155接口芯片、外部存贮器、锁存器和片选逻辑芯片等构成；信号采集系统由两个霍尔传感器和一个节气门开度传感器及其信号处理电路构成；伺服直流电动机的驱动电路是以三极管为主的功率放大电路；数字显示电路显示控制部分的瞬时值，可显示发动机转速、负荷、相位目标值及当前配气相位值；故障显示电路主要检查信号采集系统、驱动电路、步进电动机导电装置是否工作正常。电控系统在接通电源后立即开始工作。由信号采集系统监测到不同的工作参数(如发动机转速、负荷等)，通过输入接口电路送往控制单元。
28、控制单元对信号进行运算处理，判断发动机的工作状态，再从预先测取的发动机调整特性中读取该工况下的最佳配气相位值，并根据该值做出控制决策，发出相应的控制信号。控制信号通过输出接口电路和驱动电路引导步进电动机做出响应。 图2.4电控系统原理图在制取控制发动机调整特性时，作者先通过试验测出不同工况下的配气相位调整特性，根据试验结果，建立数学模型。由此模型给出发动机性能指标与工况及配气相位控制参数之间的关系。然后，根据对发动机性能的要求，确定优化准则，采用一定的优化方法，求出各种工况下使发动机综合性能指标达到最优的配气相位，并得到相应的控制发动机调整特性。配气相位是发动机转速和节气门开度的函数。控制软件
29、根据传感器测得的模拟量和数字量，从发动机调整特性中查取相应的配气相位值。控制软件采用模块化结构，将常用的程序块独立编成一系列子程序，以调用的形式取用，可大大提高程序运行速度，缩短系统响应时间。主程序进行发动机运行模式的判断、发动机调整特性查寻、控制决策和控制量输出；转速和相位测量模块用于测量发动机转速和凸轮轴当前相位；模拟量采样模块用于测量节气门开度；相位调整模块用于计算步进电动机运行步数，并对伺服直流电动机运行频率进行修正：伺服直流电动机控制模块用于正确地分配脉冲，使步进电动机按要求进行工作；故障显示模块用于检查控制部分工作是否正常，并给故障显示电路发送相应的信号；数字显示模块用于读取并向数
30、字显示电路发送各控制参数的瞬时值。2.4简介汽车气门系统中的凸轮机构人类对凸轮机构的使用要追朔到18世纪，但是，直到19世纪末，对凸轮机构还未曾有过详细历史记载的系统研究。随着人类文明的进步和工业化的逐步发展，对高效的自动机械的需求大大增加特别是在内燃机诞生之后，以内燃机为动力的机械逐渐增多，大大提高了人们对凸轮机械的重视程度。随着内燃机动力机械的逐渐普及和发展，内燃机配气机构的特性对工作性能的影响逐步被认识。到了20世纪初，随着汽车工业的迅速发展，凸轮机构的研究受到广泛重视。在20世纪40年代以后，由于内燃机转速增加，配气凸轮乃至配气系统引起的故障日益增多，人们开始了对配气凸轮机构进行深入研
31、究研究的方法也从经验性的设计过渡到有理论依据的运动学与动力学的分析研究从20世纪40年代以来，有关凸内轮机构运动学与动力学的理论研究为凸轮机构的优化设计，奠定了坚实的理论基础。随着计算技术和电子计算机技术的发展，解析化的数值计算设计方法逐步得到了发展，计算机辅助设计和辅助制造技术也逐步得到了应用。在气门机构的设计中，凸轮的设计是核心内容。气门机构的设计目标就是要让进气愈多，排气愈干净。除了气门正时外，气门尺寸、升程、加速曲线都会影响进排气效率。这些因素乃是由凸轮轴（Cam Shift）的凸轮形状及凸轮轴与曲轴的相对位置所控制。凸轮的形状是以一圆为基础，称为基圆，并由气门的开启角度及关闭角度的1
32、/2决定开启点及关闭点（凸轮的转速是发动机曲轴转速的1/2），在决定升程之后，凸轮的基本雏形就已出现，最后还要根据气门加速曲线的需求修正凸轮的轮廓。气门全开时与关闭时的高度差就称为升程（Lift），也可说是凸轮的基圆的中心到凸峰（凸轮上距离回转中心最远的点）的距离减掉基圆的半径所得的值。而气门开始动作到完全打开或关闭所需的时间长短与凸轮轴角度的关系称为气门启闭加速度，以图形表现就成为气门启闭加速曲线。而发动机的容积效率正可由气门升程与凸轮角度所构成的曲线图形来判断。曲线下所围成的面积越大则容积效率越高。 当气门尺寸及气门正时不变时，气门急开急闭可得到最佳的容积效率（也就是提高气门加速度），当然
33、最好是瞬间打开或关闭，但这在考虑对气门座的冲击力及受到传统凸轮系统的先天限制（必须以圆弧面接触以维持机构运转之顺畅），并不可能达成。此外适度的提高气门升程也可提高容积效率。2.5简介直流电机、滚珠丝杠与圆锥齿轮的特性和选择使物体运动时,一般来讲需要将动力产生的旋转运动转变为从动部件直线运动，这就能用到滚珠丝杠。在发动机内,由于要控制发动机的活塞的进排气的可变性,这能通过一个伺服直流电机驱动一单级圆锥齿轮减速器,再通过ECU(发动机控制部件)和位置传感器来控制滚珠丝杠的运动,从而来带动控制轴的运动,达到气门正时及升程的可变性。为了提高响应，在这个系统中用了低摩擦的滚珠丝杠。另外使用一对锥齿轮来改
34、变控制轴的旋转方向，直流电动机平行作用于驱动轴。为了使变换响应能达到令人满意的效果，除要利用滚珠丝杠外，另一种设备被并入这种控制方式。考虑到减速器的传递速度和控制轴的转矩,通过控制轴后会产生变化。根据控制轴位置的变化，一种用来控制控制轴的位置的计算机操作装置被运用上来.（在2.3节中有说明）由于此系统只起控制作用，它所需要的功率是很小的，因此，使用最大输出率为100W的低输出直流发动机是可行的，它能使达到良好响应时的动能消耗减少。由此，可以判断现在控制轴紧随着指定位置的变化而变化，这就要求尽量用电动机负载来控制而不是使用节流阀。由于曲线齿锥齿轮，又很高的传动速度，还由于轮齿啮合的重叠作用，曲线
35、齿锥齿轮比直齿锥齿轮运转要平稳的多。曲线齿锥齿轮在节圆锥上齿线为曲线，轮齿啮合缓慢的开始，从一端到另一端连续平稳的进行。所以选用曲线齿锥作为改变方向的传动部件。设计圆锥齿轮首先必须知道齿轮运转的必要条件，即额定功率、启动扭矩、载荷作用方式、过载和冲击条件、润滑方式、运转温度、速比、转速及所要求的运转精度等一切与运转有关的数据。根据这些条件，可以得出所用齿轮的尺寸。这是一个高精密的控制系统，所以使用高精度的滚珠丝杠来作为精确移动控制部件。使用2、3级滚珠丝杠的特点：高导程精度，超静音，低起动扭矩及高顺畅，高效率及可逆性，零背隙及高刚性。根据使用范围及要求将滚珠丝杠副分为定位滚珠线杠副（P）、传动
36、滚珠丝杠副（T），精度分为七个等级，即1、2、3、4、5、7、10级。1级精度最高，依次逐渐降低。根据我们的需要，根据以上条件选择合适的滚珠丝杠。3 伺服直流电动机的选择3.1伺服直流电动机用途特点及其技术参数SY、SZ系列直流伺服电动机，分别系永磁式和电磁式直流伺服电动机。该电机具有体积小、重量轻、伺服性能好、力能指标高等优点。广泛用于自动控制系统中作执行元件，亦可作驱动元件。SZ系列直流伺服电动机系电磁式直流伺服电动机，可用作中、大功率直流伺服系统的执行元件。该系列直流伺服电动机机械特性和调节特性的线性度较好，调速范围广，启动转矩大，运行稳定，且体积小、重量轻，力能指标高，产品结构较牢固。
37、 如下图 图3.1 直流伺服电动对于VEL装置，我们需要电动机是能够正反转的并且体积小容易安装，我所选用的是90SZ53型直流伺服电动机它的具体参数如下：转矩/：0.481；转速/：3000； 功率/W：150；电压/V（电枢&励磁）：110；电流/A（不大于）电枢2.00、励磁0.23；容许顺逆差转速/：200外形尺寸(mm)：90145出轴尺寸(mm)：8163.2伺服直流电动机使用条件环境温度：-40C60C; 相对湿度：95%（20C时）；海 拔：不超过2500m； 振 动：频率10HZ，双振幅 2.8mm0.4mm冲 击：100次/min，加速度68.6m/允许温度：不超过75C 工
38、作制度：连续电动机的机电时间常数不大于30ms。电动机空载启动电压4V。3.3伺服直流电机的外型和安装尺寸选定电机型号之后，可以在机械设计手册中查到具体的外型和安装尺寸，具体如下：显示于图3-2,以下参数单位都为(mm)型号：90SZ51-54 Nh7=70h2=6 h3h12=3M=76 P=92SH13=6.6 D1=95L=147 Dh6=8E=16 l4=18F=2 Gh11=5.2Dh11=10 D2h6=6E2=14 l12=16F1=2 G2h11=4.3D2H11=7图3.2 90SZ53型直流伺服电动机的外形尺寸4 圆锥齿轮的选择与设计4.1圆锥齿一般设计步骤与特点4.1.1
39、 圆锥齿轮传动设计步骤相对齿根圆角敏感系数 YrelT =1相对齿根圆角表面状况系数 YRrelT =1尺寸系数 Yx =1最小安全系数 SFlim=1.4齿根基本强度 FE =450 N/mm2所以可以求得 FP=321.43 N/mm2结论 F1 FP2 通过， 设计圆锥齿轮合格齿轮的具体尺寸及说明图见附录图14.4 圆锥齿轮减速器箱体及其零件的设计4.4.1齿轮箱体的装配与零部件的选择圆锥齿轮减速器采用一级圆锥齿轮组成，输出轴可以双向旋转.在齿轮轴上我们对两轴各选用一对角接触轴承。选角接触轴承也有它的特点，它主要承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。能在较高转速下正常工作。由于
40、一个轴承只能承受单向的轴向力，因此，一般成对使用。承受轴向载荷的能力由接触角决定。对于大齿轮轴我选用一对7003C角接触轴承，对于小齿轮轴我选用一对7001C角接触轴承，它的具体尺寸见机械设计手册。其中滚珠丝杠的一端是直接与两个锥齿轮中的一个相连接，在套入齿轮的轴的端部用两个M4六角螺栓轴固定于齿轮的一端。而另一个齿轮上的轴需要用弹性连轴器与电动机上的轴相连接。对于齿轮箱体内圆锥齿轮的定位要用一个特制的八角孔螺栓,它的直径为45mm,用它把大锥齿轮定位好后,在用一个紧定螺钉,将它卡死,这样可以防止其在工作的时候脱落,紧定螺钉的末端形状,常用的有锥端、平端和圆柱端。因为锥端适用于被紧定的零件的表
41、面硬度较低或不经常拆卸的场合；平端接触面积大，不伤零件表面，常用与预紧硬度较大的平面或经常拆卸的场合；圆柱端压入轴上的凹坑中，适用于紧定空心轴上的零件位置。所以我选用圆柱端，八角孔螺栓的材料为合金钢（35CrMo,淬火并回火，强度和韧性都好）。紧定螺钉的直径为5mm，保证转矩为5NM。具体装配齿寸见附录图2。4.4.2与齿轮配合的轴的选择与设计连接齿轮减速器的轴是直轴，直轴按受载情况的不同又可以分为转轴，同时受弯矩，有时还受较大的轴向力作用；心轴，只受弯矩、不受转矩或转矩很小；传动轴，主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小。我们选用的是转轴，选用实心轴。轴的材料应满足强度刚度耐磨性，耐腐性等方面的要求
42、。设计轴市时应按照经济、合理、适用的原则，根据具体情况选用材料。对于强度高、尺寸与质量小或有其它特殊要求的轴，可采用合金钢，我们选用45号优质碳素钢材料，它耐磨性好，可以适应高速工。合金钢对应力集中的敏感性高，而45号优质碳素对应力集中的敏感性较低，同时我们可以通过热处理或化学热处理办法提高其耐磨性和抗疲劳强度。它的热处理过程为正火。它轴颈的精度为0.8，它与齿轮键与键槽的配合代号为，用手锤打入，有不大的过盈量，同轴度好，能保证配合的紧密性，加工方法应该精车或磨削。由于齿轮的精度为级，所以轴上安装圆锥齿轮除处的径向园跳动为2IT4。轴上键的确定：与小齿轮配对的轴上的键用C型键，位于轴端，普通平
43、键应用最广，也适用于高精度、高速度、或承受变载、冲击的场合。它靠侧面传递转矩。对中性良好，装拆方便。不能实现轴向固定。与小齿轮配对的轴上的键用A型键它的具体尺寸见附录图2。5 滚珠丝杠的选择与设计5.1对滚珠丝杠的特点与设计说明5.1.1滚珠丝杠的特点与设计为了提高VEL控制系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低传动系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。它有以下几个特点： 1）摩擦阻力小传动效率高，其传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动或类似运动，则必须有制动装置。2）结构复杂制造较难。3）运行平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。4）具有传动的可逆性，为了避免受载后逆转，应设置防逆转机构。5）工作寿命长，不宜发生故障。6）耐冲击性较差。7）螺母和螺杆经调整预紧可得较高的定位精度