毕业设计方案配气机构的设计.doc

毕业设计阐明书 配气机构设计 姓 名： 所属院校： 专 业： 班 级： 学 号： 指引教师： 配气机构设计【内容摘要】 气门配气机构是四冲程柴油机所特有机构，它是按照发动机点火顺序和各缸工作循环规定，定期启动和关闭进、排气门，完毕换气过程。因而配气机构要满足：进、排气定期和精确；气门关闭要严密可靠；气流阻力要小；构造简朴拆装以便。 气门配气机构由气门组、气门传动组、凸轮轴传动机构三某些构成。气门组重要由：气门、阀座、气门导管、气门弹簧和连接键构成，195B型柴油机采用不带阀壳气门组气门启动和关闭是靠传动机构来实现，传动机构可分为机械和液压传动机构。195B型柴油机采用下置式传动形式，由凸轮、挺柱、推杆、摇臂、摇臂座、摇臂轴、调节螺钉等构成。凸轮轴与曲轴之间传动机构与柴油机型式、凸轮轴与曲轴相对位置、气门传动机构型式等关于，普通有齿轮传动和链传动。195B型柴油机采用齿轮传动，柴油机曲轴与凸轮轴传动比为2：1. 配气机构控制发动机进排气过程,直接影响着发动机性能，是衡量发动机可靠性指标之一. 本组 成 员：杨尚俊 寇志奎 伍立 资料 准 备：杨尚俊 寇志奎 伍立 测绘、制图：杨尚俊 阐明书定制：寇志奎 伍立 校 审：杨尚俊 寇志奎 伍立目录概述1、配气机构功用.6 2、配气机构设计规定.6 3、配气机构计算参数拟定.7一、凸轮轴设计：1、凸轮轴设计规定.72、凸轮轴构造.73、凸轮轴选材.74、凸轮轴支承轴颈轴承材料.7 5、凸轮轴定位方式.76、凸轮轴最小尺寸定位方式.77、凸轮轴热解决工艺.88、凸轮轴损坏形式.89、凸轮轴计算.9二、凸轮设计 1、凸轮设计规定.102、 凸轮基圆设计.11 基圆半径拟定.13 凸轮位置拟定.13 配气相位与凸轮作用角.14 凸轮顶部圆弧半径.14三、挺柱设计1、挺柱构造.102、挺柱材料.153、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力计算.164、平面挺柱最大速度.165、凸轮与挺柱间接触应力计算.176、挺柱导向面直径 与长度按照下面公式拟定.187、挺柱头部球面支座设计.198、凸轮和挺柱重要损坏形式及其防止.19四、推杆设计1、推杆功能.202、推杆材料.203、推杆构造形式.204、尺寸设计.205、推杆稳定性安全系数拟定.206、推杆球头与挺柱球面支座，推杆球头与摇臂调节螺钉球面支座间接触应力计算.21五、摇臂设计1、摇臂工作原理.222、摇臂构造.223、摇臂比.224、摇臂润滑.225、摇臂定位.236、摇臂材料.237、摇臂与气门杆顶面间接触应力计算.23六、气门组设计1、气门设计.25 1）气门设计基本规定.25 2)气门工作条件分析.25 3）气门材料选取.26 4）气门头设计.27 5）气门杆设计.292、气门旋转机构设计.303、气门座圈设计.304、气门导管设计.325、气门重要损坏形式和防止措33七、气门弹簧设计1、气门弹簧设计规定.342、气门弹簧作用.353、气门弹簧工作条件.354、气门弹簧构造.355、气门弹簧选材.356、气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线配合.367、气门弹簧关于计算.37 1）弹簧最大弹力.37 2）弹簧最小弹力.38 3）弹簧刚度.38 4）弹簧变形.38 5）内、外弹簧之间负荷分派.39 6）内外弹簧刚度.39 7）弹簧尺寸.40 8、提高气门弹簧疲劳强度办法.42参照文献.43道谢.43 配气机构设计 概述1、配气机构功用：是完毕换气过程，依照发动机气缸工作循环顺序，定期地启动和关闭进、排气门，不断用新鲜气体来气缸内上一循环废气。2、配气机构规定： 对于一种正常工作配气机构应当具备如下规定： 进、排气门时间足够大，泵气损失小，配气正时恰当，在排气过程中能较好排出废气，进气过程中能吸入较多新鲜空气，因而使发动机具备较高充量系数和适当扭矩特性。 振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨。 构造简朴、紧凑。 为了减轻惯性负荷，使配气机构运动零件质量减到最小。 3、 配气机构设计计算参数拟定： 从拟定气门座处通过截面以及拟定喉口流通截面开始。气阀处流通截面积依照气体不可压缩持续流动条件拟定，也即在额定转速I状况，气门最大升程时，按气门座截面处假设平均速度来拟定。已知：气缸直径D=95， 气道喉口最带直径，在气缸直径D，配气机构构造方案以及燃烧是形式都已给定状况下，气门布置在气缸上也许性限制。进气门数值应不不大于下列规定范畴： 采用气门顶置式：， 则可以得到：， 依照柴油机195B构造，选取=36mm,排气门气道喉口直径，普通获得比进气门气道喉口直径小10%20%，气阀升程h时，某研究瞬间具备圆锥密封面之气门流通截面为： 式中a气门头斜面角（当代发动机上，a=45度)；气门升程，它取值普通是气门头25%左右，气门头直径是40.mm，则： =10mm因此：= =10（35*COS45+10*Sin45*Cos45) =865mm对进行校核： Frop=（1.11.2）Fxn=(1.11.2)x865=(951.51038) 取1000mm喉口直径为：= x10 =36mm 喉口直径通过检查取值对的。 一、凸轮轴设计1、 凸轮轴设计规定： 1）对的设计进排气凸轮位置，实现配气正时，使柴油机对的按照一定规律运转。 2）从柴油机总体布局来设计凸轮容许弯曲变形，合理计算出支撑它轴颈数目，轴颈直径、和凸轮轴最小直径尺寸。 3）选取合理材料和热解决工艺，使它不但有足够刚度与韧性，并且要使凸轮和支撑轴表面有合理硬度，具备较好耐磨性。2、 凸轮轴构造： 195B柴油机是小功率柴油机，可以采用整体式凸轮轴，它构造较紧凑，这种构造都是将凸轮轴从机体一端插入，因此将它两个支撑轴颈加工尺寸大小是不同，前端支撑轴颈尺寸大，后端小些，并且前端轴颈尺寸必要不不大于凸轮轴高度，这样便于安装。轴颈上安装滑动轴承。3、 凸轮轴支承轴颈数目： 由于该柴油机是单缸四冲程发动机，不必将支承轴颈设计过多，只是将凸轮轴先后端各设计一种就已经足够了，因此将该轴颈数目为2个。4、 凸轮轴选材： 由于凸轮轴要承受一定机械强度，必要要有足够强度和韧性，同步还应具备一定耐磨性，才干让发动机在正常工况下工作，选取碳钢，普通选取45钢就可以满足规定了。5、 凸轮轴支承轴颈轴承材料： 195B柴油机通过查表得知，采用铁基粉末冶金，它是将它直接安装在凸轮轴轴承座孔内，它型号：19501018 内径外径宽度前端404727后端2835266、 凸轮轴定位方式： 定位因素:由于汽车上下坡或者在加速时候，都也许使凸轮轴发生轴向窜动。为防止由此引起对配气定期不良影响，需要采用轴向定位办法。对也195B型柴油机采用是轴向定位方式。7、 凸轮轴最小直径拟定： 凸轮轴最小尺寸可以按照下面公式：Db=2Ro（24）（mm） 上式中Ro是凸轮基圆半径，由表可知：Ro=14.5 Db=2Ro（24） =2x14.5（24）=（2527）当转速较高时，支承轴颈间距离较大、凸轮上受力较大时取上限值。 凸轮轴支承轴颈与轴承孔德径向间隙普通在0.020.03mm，范畴内，轴向间隙为0.010.25mm。8、凸轮轴热解决工艺： a 渗碳； b 渗碳； c 机械加工； d 高频淬火（回火）； f 机械加工；9、凸轮轴损坏形式： （1）支承轴颈磨损。 （2）凸轮表面磨损、刮伤和点蚀。10、凸轮轴计算： 依照气门弹簧和配气计算：配气机构运动零件质量Mkn=115g， Mn=75g Mr=0/ Mmr=0和Mn=120g，凸轮尺寸Ro=14.5mm，R1=138 R2=8.3mm Htmax=7mm 摇臂尺寸：Lr=46 L=32 凸轮轴角速度=115rad/s弹簧最小弹力是P=239牛顿，进气么喉口直径d=36mm。 从排气门作用到凸轮上最大力为：Prmax=+/4（Pr）Ln/Lr+Mr（r1r2） =239+3.14*/4x（0.4450.1）xx46/32+374xx（13814.5）x=2539牛顿注： 式中=36mm为排气门直径 =42mm为进气门直径 0.445兆帕，是由批示功图而拟定 =0.1兆帕 Mr=（+/3）x（/+99=374g =/3=120x/3x=81g凸轮轴弯曲量： Y=0.8 =0.0003mm式中 E=2.2*兆帕钢弹性模量; L=a+b=26+70=96mm-凸轮轴跨距长度依照构造总体布置来取： -轴外径轴外径，选用时要考虑运用轴外径向凸轮供应润滑油和保持轴具备足够刚度。 挤压应力： =0.418 =255兆帕 式中 ： =25mm凸轮宽度 二、凸轮设计虽然瞬时打开和关闭气门可以获得最大时间截面，但是这样做会使零件产生很大惯性力。因而在设计配气机构时选用这样凸轮型线，使它保证可以有足够气缸冲量同步，同步也保证运动零件惯性力数值在容许范畴内。1、凸轮设计时应当满足如下规定：1) 具备适当配气相位。它能照顾到发动机功率、扭矩、转速、燃油消耗量、怠速和启动等各方面性能规定。2) 为使发动机具备良好充气性能，因而时间面积值应尽量大些。3) 加速度不适当过大，并应持续变化。4) 具备恰当气门落座速度，以免气门和气门座过度磨损和损坏。5) 应使配气机构在所有工作转速范畴内都在平稳工作，不产生脱离现象和过大振动。6) 工作时噪声较小。7) 应使气门弹簧产生共振倾向达到最小限度。8) 应使配气机构各传动零件受力和磨损较小，工作可靠，有效期长。 上述这些规定往往互相矛盾，必要依照发动机详细状况规定，抓住重要矛盾，协调各种因素，妥善解决。凸轮线性普通依照所选线型形成规律做出，这样保证制造比较简朴凸轮线形。2、凸轮基圆设计： 凸轮型线从基圆开始绘制，从保证配气机构有足够刚性条件出发选取它基圆半径R，其值在R=（1.52.5）x 范畴。 基圆半径：R=(1.52.5)x10=1525 对与195B柴油机取14.5mm。 105B柴油机配气相位角依照手册可以得到：进气提前角进气滞后角排气提前角排气滞后角 凸轮布置：（进排气夹角） =90+1/4（47-21+49-19） =104 配气相位与凸轮作用角： =0.5（180 式中分别为进排气提前启动角、进排气滞后关闭角。 =0.5（180 = = 凸轮顶部圆弧半径： = =14.5 =8.3 = =138 为了保证气门间隙，凸轮背面某些半径加工比小一种间隙 值中涉及了配气机构温度间隙及弹性变形量。对于进气=（0.250.35）mm，而排气门则=（0.350.50）mm。半径为r圆与半径为r1圆弧或者与直线（r1=）接合，可以按抛物线或者按某给定半径圆弧连接。 三、挺柱设计1、挺柱构造： 挺柱功能是按凸轮运动规律推动传动机构，同步承受凸轮侧向压力。特别是挺柱底面，由于和凸轮表面接触面积很小，接触应力很大，表面磨损很大，甚至也许刮伤，因而挺柱侧面以及底面规定耐磨。形状是筒型，这种构造可以减轻它质量，从而达到减小它往复惯性力。它这种构造同步也保证凸轮轴在旋转时，挺柱底面所受偏心切向力使挺柱产生旋转运动，保证工作表面磨损时很均匀挺柱轴线相对于凸轮轴线偏移量为13，而195B柴油机偏移量为2mm。对于195B柴油机采用是平面挺柱，它特点是构造简朴，质量轻。对于高速发动机也是比较适合。2、挺柱材料： 挺柱普通用是低碳钢底部堆焊合金，或者铸铁底部采用冷激，或球墨铸铁制造，其摩擦表面应通过热解决提高硬度后精磨。挺柱材料和底面硬度是和凸轮轴材质及凸轮表面硬度相匹配。对与295B柴油机是20钢制造，底部堆焊合金，热解决硬度HBC55。凸轮轴材料为45钢，凸轮表面淬火处后，硬度为BRC5465。3、 平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力计算： 最大挤压应力按下式计算： 上式中：挺柱导向面直径（mm）； L在凸轮计算位置是，挺柱插入导向孔中长度（mm）； 作用在凸轮上最大力矩 = =39.36 4、平面挺柱最大速度： 平面挺柱最大速度受限于推柱端面直径，根据平面挺柱凸轮机构运动学可知，挺柱与凸轮接触点偏移量e与挺柱速度成正比： 因而，如挺柱端面直径， 由发动机总体布置决定，则拟定挺柱最大速度（时，必要保证凸轮与平面挺柱不产生干涉，为此满足 5、 凸轮与挺柱间接触应力计算： 平面挺柱接触应力计算： 式中： F作用在凸轮上力（kgf）; 凸轮廓线瞬时曲率半径（mm）； B凸轮与挺柱底面间接触线宽度（mm）； 分别为凸轮材料与挺柱材料泊松比； 分别为凸轮材料与挺柱材料弹性模量（kgf/mm）以上或当使用材料为铸铁可取做0.27，材料为钢材是取0.30。弹性模量通过查表可知:碳钢：2.0x（kgf/） 如使并将此值代入公式中泽可以简化： 5.67x6、 挺柱导向面直径 与长度按照下面公式拟定： =(0.150.20）D （mm） =（0.150.20）*95 =(14.2519) 取 16mm 式中 D气缸直径(mm） =（3.03.5） （mm） =（3.03.5)*16 =(4859)mm 依照195构造取=58mm 挺柱导向面直径与挺柱孔间径向间隙普通在0.020.08mm范畴内。7、 挺柱头部球面支座设计： 挺柱头部加工有凹形球面支座，它是支撑推杆球头。在这种球头与球面支座配合副中，为了再两者之间形成楔形油膜，球面支座半径应比推杆球头半径略大，但与也不应相差过大，否则将使接触应力剧增，普通，如图： 8、 凸轮和挺柱重要损坏形式及其防止：一、表面刮伤 刮伤因素：由于凸轮和挺柱让润滑状况恶化引起。 防止办法：1、改进润滑：（1）保证在凸轮与挺柱面间经常供应黏度、成分、温度和数量均匀适当润滑油；（2）采用品有特殊添加剂润滑油；（3）使凸轮与挺柱接触面光洁度尽量高某些；2、减少接触应力：（1）尽量减轻配气机构往复运动质量；（2）增长凸轮刚度;(3)采用弹性模量较小但有较高硬度和强度金属作为凸轮和挺柱材料。3、表面磷化解决。4、凸轮、挺柱化学成分及其金相组织选取恰当。5、采用热导性好材料。二、 表面蚀点 发生重要因素：点蚀是金属疲劳过程。 防止办法：1、改进润滑；2、减少接触应力；3、减少残存应力；4、材料化学成分和金相组织；4、采用热导性好材料6、材料内部应尽量减少气泡。夹渣等缺陷。7、提高材料抗疲劳强度和抗腐蚀能力。三、 表面磨损 凸轮磨损有两种状况：（1）是一种缓慢抛光过程，最后形成一种硬而光滑摩擦表面。这种抛光过程常开始于凸轮廓线零加速度位置，而止于凸轮廓线顶端之前，顶端不会被磨平。（2）随着时间逐渐或迅速磨损下去，直至影响发动机性能。不正常迅速磨损，严重者则在几种小时内即可将凸轮定磨平。 四、推杆设计1、推杆功能： 把凸轮运动从凸轮轴传至顶置气门处，完毕发动机配气。2、推杆材料： 45钢。3、推杆构造形式： 它是一种细长杆，在工作时容易发生纵向弯曲，它是配气机构中刚度薄弱环节。在195B型柴油机上是采用冷拔无缝钢管（或铝制空心管）制造。采用冷拔无缝钢管可减轻它质量，减小往复惯性力。此外，缩短推杆长度是减轻质量，提高纵向弯曲应力和整个配气机构刚度有效办法。4、 尺寸设计： 依照195B柴油机构造，它长设计为291mm ，外径9mm，球头半径4.5mm。才可以满足其规定。5、 推杆稳定性安全系数拟定 推杆纵向弯曲按下列计算： = kgf式中：P作用于推杆上临界力； E推杆材料弹性模量； J推杆中央横断面惯性力； 推杆外径 空心推杆孔径 L推杆长度 =2.5x/4 式中 作用在推杆上最大作用力 对于各种用途发动机，在如下范畴： （1）、高功率轻型发动机，=2.53 (2)、汽车拖拉机发动机。高速船用发动机，=35 （3）、固定式和船用发动机=466、 推杆球头与挺柱球面支座，推杆球头与摇臂调节螺钉球面支座间接触应力计算： 接触应力按下面公式计算： = 180 式中 作用于推杆上最大作用力（kgf） Em挺柱与推杆两种材料平均弹量 推杆球头半径（mm） 挺柱球面支座半径（mm）对于各种用途发动机许用接触应力如下： (1)汽车拖拉机发动机，=150200（2）固定式和船用发动机，=100120五、摇臂设计1、摇臂工作原理： 摇臂是推杆和气门之间传动件，它是推杆传来力变化方向后作用于气门尾部以推开气门。 2、摇臂构造： 摇臂几何尺寸决定于气门和凸轮轴相对位置。为了获得较轻质量刚性好构造，往往才有T字型或者I字型断面。195B柴油机采用就是T字型摇臂断面。3、摇臂比： 摇臂有长、短臂之分，长短之比成为摇臂比，其值在1.6左右。长臂推动气门杆端，短臂端螺孔中装有气门间隙调节螺钉和锁紧螺母，气门间隙调节螺钉球头与推杆上端凹球端头接触，195B柴油机摇臂比：46/32=1.43。4、摇臂润滑： 摇臂依托摇臂轴支撑在摇臂支座上，摇臂上钻有油孔，摇臂轴为中空型，机油由支座油道经摇臂轴内腔润滑到摇臂衬套，然后从摇臂上油道上流出，滴落在摇臂两端进行润滑。5、摇臂定位： 摇臂轴上两摇臂间装有摇臂弹簧，一防止摇臂轴向窜动，从而保证各摇臂相对气门杆拟定位置。在195B柴油机上，采用是用摇臂支座将两个摇臂分开，并且在两边沿处用卡簧将其锁紧。6、摇臂材料： 所采用材料是QT602摇臂在与气门尾部接触时既有滚动又有滑动，因此对材料规定是要耐磨，为了防止磨损影响正常配气相位，故该表面规定淬火热解决工艺。7、摇臂与气门杆顶面间接触应力计算： 式中 气门杆顶面上最大作用力（kgf）； R摇臂敲击某些球面半径（mm）； 摇臂与气门顶面间许用接触应力：。摇臂断面A-A中总应力为： （如图） =400 式中 气门上最大作用力； 气门侧摇臂计算断面断面模数； 气门侧摇臂断面面积； A1从计算断面重心到作用力垂直距离 A2作用力垂直线与计算断面A-A夹角；断面B_B中总应力： =420式中 气门上最大作用力；