配气机构是发动机的重要组成部分,一台发动机的经济性能是否优越,工作是否可靠,噪声与振动能否控制在较低的限度,常常与其配其机构的设计是否合理密切关系。特别对于高速大功率发动机,因对其较高性能指标的设计要求,配气机构的设计及其零部件的设计和制造就更加重要和严格。
C0、C2、C4、CP、CQ、CR、CS为方程待定系数,由边界条件建立的代数方程可解出。
C4=(0.1~0.2)hVmax,这样只有六个待定系数,需六个代数方程式,其边界条件为:
改变n和m可获得多组P、Q、R、S组合。在设计时,可对每一指数组合算出来凸轮的特征参数,如amax、amin、vmax、θm和ρmin等,从这些特征参数中判断凸轮的特性。
1)正确选择凸轮设计的原始参数,包括配气相位、凸轮过渡段和工作段升程、过渡段和工作段包角以及基圆半径等。这些参数的选择对设计好坏与否有决定性的意义。
式中,R0为凸轮基圆半径(mm);h(α)为凸轮升程(mm),d2h/dα2为升程的二阶导数(mm/rad2)。
式中,F为凸轮间的作用力,在静态计算中,F等于最大气门升程时弹簧力乘以摇臂比;ρmin为最小曲率半径(mm);B为凸轮宽度(mm);Em为凸轮挺柱的综合弹性模量(MP),即Em=2ECET/ECET; EC,ET为凸轮和挺柱的弹性模量。
多项动力凸轮属于整体式函数凸轮,但其设计思想与一般凸轮的设计思想不同,一般凸轮总是直接设计挺柱的升程规律。由于配气机构为一弹性系统,在凸轮工作中,在气门弹簧载荷及配气机构质量产生的动载荷的作用下,系统会发生变形,气门运动规律会离开凸轮规定的规律而发生畸变,产生不良的影响。基于这个思路,提出了动力凸轮的设计方法,即首先设计一理想的气门运动规律,预先考虑系统动、静变形的影响,计算出相应的挺柱运动规律。
只要确定hvmax、V0和αB以及选定一组P、Q、R、S和C4之值,就能由联立方程解得待定系数C2、CP、CQ、CR、CS,因而气门的升程方程就是确定了。求解代数联立方程常用消去法计算。计算得:(式中,Hvmax即是hvmax,C4即是C4,alphaB即是αB)
在多项动力凸轮设计中,使凸轮的最大超速转速为设计转速的1.1倍。例如发动机的额定转速为n,最大超速20%,则凸轮设计转速为
式中,α----为凸轮转角(°);αB----为凸轮基本工作段的半包角(°);
x----为转角比,在凸轮的上升阶段:x=1-α/αB,有α=0时,x=1,α=αB时,x=0;在下降阶段:x=α/αB-1。
C2x2----此项保证在气门升程最大处有一最大负加速度,因此要求C2 0;
本章主要介绍了多项动力凸轮设计的基本原理及其准则,并对CBR900发动机的凸轮型线进行了细致的分析和研究,在此基础上提出了LJ750发动机的配气机构。
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。
由于该发动机是一高速发动机,因此重点对高次多项式凸轮和多项动力凸轮进行分析对比。
高次多项式凸轮属于整体式函数凸轮,不仅升程、速度、加速度曲线连续,其高阶导数也是连续的,因而工作平稳性较好,可用于高转速的发动机中。
3)较好的充气性能,即要求挺柱升程曲线下的面积较大,或者丰满系数较大。在设计中应该优先考虑系统的平稳性,在良好平稳性的基础上尽可能提高充气性能。
4)改善气门及气门座的工作条件,使气门升起和落座发生在过渡段上。设计凸轮时,过渡段的高度要足够大。
5)最大挺柱速度受挺柱底面直径的限制。挺柱速度正比于凸轮月挺柱接触点的偏移量,接触点不应该超过挺柱低面圆周之外,满足下列关系式:
式中,x0为气门加速度有极值处的转角比,可以推出来。 为凸轮轴的角速度(rad/S),事先确定。
式中,h0为凸轮过度段升程;hv’’为气门升程的二阶导数;φ为静修正系数;为动修正系数;rR为摇臂比,对于凸轮直接驱动气门的机构来说,rR=1。
式中,CT为气门弹簧刚度(N/mm);C为配气机构系统刚度(N/mm);m为配气机构系统的当量质量(kg);nC为凸轮设计转速(r/min)。
5)对于限定变量的约束:8≤P<Q<R<S≤70,3≤n≤10,1≤m≤12
1.如果根据具体的机型的要求选取合理的函数凸轮型线并进行有关特性参数的计算和分析;
4.在设计过程中,需要考虑很多重要的因素,如配气相位,平稳性(包括气门速度,加速度,脉冲数值大小及有无飞脱,落座反跳等),充气性能,润滑性能,凸轮与挺拄之间的接触应力等问题;
因此,进行配气机构的设计往往需要很大的工作量,特别是为了获得一个最优的设计方案。为了简化工作量,在目前国内外的设计中,常常采用参考某些成功机型的方法,来获得设计一台新发动机所需要的配气机构。为此,在本设计了,参考了CBR900发动机的配气机构,通过对该机型配气机构的特性进行分析,并对提出的几种方案的凸轮型线进行的对比,最终获得了LJ750发动机配气机构的有关数据。对比的结果最终还是采用了和CBR900发动机相同的配气结构,因此涉及到配气结构的许多动力学计算在这里都略去了。
C4x4----自由项,C4可自由选取。用于控制气门负加速度的曲线形状,使其与气门弹簧特性很好配合。通常要求C4≥0,一般取C4=(0.1~0.2)hVmax,hVmax为最大气门升程。C4增加可使最小曲率半径向对称轴移动。
P、Q、R、S为多项式指数,均为正整数;在高次七项动力凸轮中,一般应保证:
2)配气机构工作平稳性好,即系统在工作中振动、噪声较小。常用周期比K这一参数来评价系统工作的平稳性,K越大,系统工作越平稳,但凸轮丰满系数降低。对于高次方,多项动力等凸轮,要求K在1.3左右。
式中,nC为凸轮轴的设计转速(r/min);θm为凸轮正加速度区间(°);fn为配气机构的固有频率(min-1)。
因此,多项动力凸轮的动力学性能较高次多项式凸轮更为优良,在高速发动机中获得广泛的应用。因此决定采用多项动力凸轮,以保证发动机优良的高速稳定性。
首先从设计期望的气门升程规律开始,其气门升程函数一般采用七次多项式,其形式为:
式中,dTA为挺柱底面直径(mm);emax为接触点最大偏心量(mm),当挺柱速度以mm/rad表示时,其数值与接触点的偏心量相同emax=vmax。
6)凸轮曲率半径的限制。为了便于加工及限制凸轮挺柱间过大的接触应力,曲率半径不能太小。凸轮曲率半径ρ(mm)可由下式求出。对于平面挺柱,补偿制动转速寿命估算