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毕业设计说明书

配气机构的设计

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配气机构的设计
【内容摘要】
气门配气机构是四冲程柴油机所特有的机构，它是按照发动机的点火顺序和各缸工作循环的规定，定期启动和关闭进、排气门，完毕换气过程。因此配气机构要满足：进、排气的定期和准确；气门关闭要严密可靠；气流阻力要小；结构简朴拆装方便。
气门配气机构由气门组、气门传动组、凸轮轴传动机构三部分组成。气门组重要由：气门、阀座、气门导管、气门弹簧和连接键组成，195B型柴油机采用不带阀壳气门组气门的启动和关闭是靠传动机构来实现的，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、调整螺钉等组成。凸轮轴与曲轴之间的传动机构与柴油机的型式、凸轮轴与曲轴的相对位置、气门传动机构的型式等有关，一般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的传动比为2：1.
配气机构控制发动机进排气过程,直接影响着发动机的性能，是衡量发动机可靠性的指标之一.
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
说明书定制：寇志奎 伍立
校 审：杨尚俊 寇志奎 伍立
目录

概述
1、配气机构的功用……………………………………………….……............……….….….6
2、配气机构的设计规定…………………………………………..………........……….….6
3、配气机构计算参数的拟定……………………………….……………………...…....7
一、凸轮轴的设计：
1、凸轮轴的设计规定…………………………...………………………………...……...…..7
2、凸轮轴的结构…………………………………...……………………………………...…...…7
3、凸轮轴的选材…………………………………………………………….......………………7
4、凸轮轴的支承轴颈轴承的材料.............................………..............…………..……7
5、凸轮轴的定位方式………………………………………..……....…………………….…7
6、凸轮轴的最小尺寸定位方式.....................................................................................7
7、凸轮轴的热解决工艺...........................................................................................................8
8、凸轮轴的损坏形式................................................................................................................8
9、凸轮轴的计算............................................................................................................................9
二、凸轮的设计
1、凸轮设计的规定………………………………………………….……...................…….10
2、 凸轮基圆设计…………………………………………………….....................…..……....11
①　 基圆半径的拟定.....................................................................................................................13
②　 凸轮位置的拟定.....................................................................................................................13
③　 配气相位与凸轮的作用角................................................................................................14
④　 凸轮顶部的圆弧半径...........................................................................................................14
三、挺柱的设计
1、挺柱的结构………………………………………………………………………..….….….10
2、挺柱的材料……………………………………………………………………………..…...15
3、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计算................................16
4、平面挺柱的最大速度......................................................................................................16
5、凸轮与挺柱间接触应力的计算.............................................................................17
6、挺柱导向面直径 与长度按照下面的公式拟定........................18
7、挺柱头部球面支座的设计.........................................................................................19
8、凸轮和挺柱的重要损坏形式及其防止............................................................19
四、推杆的设计
1、推杆的功能………………………………….............………………………….……………20
2、推杆的材料…………………………….…………………....……................................….….20
3、推杆的结构形式..................................................................................................................20
4、尺寸设计.....................................................................................................................................20
5、推杆稳定性安全系数的拟定....................................................................................20
6、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的计算..........................................................................................................................21五、摇臂的设计
1、摇臂的工作原理………………………………………………..…………….….…………22
2、摇臂的结构………………………………………………….………..……………………….22
3、摇臂比…………………………………………..........................…….....……………...……….22
4、摇臂润滑………………………………………….....................................……..…..…………22
5、摇臂的定位..............................................................................................................................23
6、摇臂的材料...............................................................................................................................23
7、摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算...........................................................23
六、气门组的设计
1、气门的设计…………………………………………………………….....................…………25
Ø 1）气门设计的基本规定.................................................................................................25
Ø 2)气门的工作条件分析.................................................................................................25
Ø 3）气门材料的选择...........................................................................................................26
Ø 4）气门头的设计.................................................................................................................27
Ø 5）气门杆的设计.................................................................................................................29
2、气门旋转机构的设计…………………………………………….....…………………30
3、气门座圈的设计………………………………………………………..................………30
4、气门导管的设计…………………………………………………..................……………32
5、气门的重要损坏形式和防止措…………………………………………………33
七、气门弹簧的设计
1、气门弹簧的设计规定………………………………………………........………………34
2、气门弹簧的作用………………………………………………………………......………35
3、气门弹簧的工作条件……………………………………………………….........……35
4、气门弹簧的结构………………………………………………………......…..…….......…35
5、气门弹簧的选材……………………………………………….................……..….......…35
6、气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线的配合………..…….…....……36
7、气门弹簧的有关计算………………………………………..……........................……37
Ø 1）弹簧的最大弹力.......................................................................................................37
Ø 2）弹簧最小的弹力......................................................................................................38
Ø 3）弹簧的刚度...............................................................................................................38
Ø 4）弹簧变形.......................................................................................................................38
Ø 5）内、外弹簧之间的负荷分派............................................................................39
Ø 6）内外弹簧的刚度...................................................................................................39
Ø 7）弹簧的尺寸..............................................................................................................40
8、提高气门弹簧疲劳强度的措施...........................................................................42

参考文献……………………………………………………………………………………………...........43
致谢………………………………….....................................................................................…………………43

配气机构的设计
概述

1、配气机构的功用：是完毕换气过程，根据发动机气缸的工作循环顺序，定期地启动和关闭进、排气门，不断的用新鲜的气体来气缸内上一循环的的废气。

2、配气机构的规定：
对于一个正常工作的配气机构应当具有如下的规定：
①　 进、排气门的时间足够大，泵气损失小，配气正时恰当，在排气过程中能较好的排出废气，进气过程中能吸入较多的新鲜空气，因而使发动机具有较高的充量系数和合适的扭矩特性。
②　 振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨。
③　 结构简朴、紧凑。
④　 为了减轻惯性负荷，使配气机构运动零件的质量减到最小。
3、 配气机构设计的计算参数拟定：
从拟定气门座处的通过截面以及拟定喉口流通截面开始。气阀处的流通截面积根据气体不可压缩连续流动的条件拟定，也即在额定转速I情况，气门最大升程时，按气门座截面处假设的平均速度来拟定。

已知：气缸直径D=95，
气道喉口的最带直径，在气缸直径D，配气机构的结构方案以及燃烧是的形式都已给定的情况下，气门布置在气缸上也许性的限制。进气门的数值应大于下列规定的范围：
采用气门顶置式：， 则可以得到：， 根据柴油机的195B的结构，选择=36mm,
排气门的气道喉口的直径，通常取得比进气门的气道喉口直径小10%~~20%，气阀升程h时，某研究瞬间具有圆锥密封面之气门的流通截面为：
式中a—气门头斜面角（现代发动机上，a=45度); 气门的升程，它的取值一般是气门头的25%左右，气门头的直径是40.mm，
则： =10mm
所以: =
=10π（35*COS45+10*Sin45*Cos45)
=865mm
对进行校核：

∵Frop=（1.1~1.2）Fxn=(1.1~1.2)x865=(951.5~1038) 取1000mm

喉口的直径为：
= x10
=36mm
∴喉口的直径通过检查取值对的。
一、凸轮轴的设计
1、 凸轮轴设计的规定：
1）对的的设计进排气凸轮的位置，实现配气正时，使柴油机对的的按照一定规律运转。
2）从柴油机的总体布局来设计凸轮的允许弯曲变形，合理的计算出支撑它的轴颈数目，轴颈的直径、和凸轮轴的最小直径尺寸。
3）选择合理的材料和热解决工艺，使它不仅有足够的刚度与韧性，并且要使凸轮和支撑轴的表面有合理的硬度，具有较好的耐磨性。
2、 凸轮轴的结构：
195B柴油机是小功率柴油机，可以采用整体式凸轮轴，它的结构较紧凑，这种结构都是将凸轮轴从机体一端插入的，所以将它的两个支撑轴颈加工的尺寸大小是不同，前端的支撑轴颈尺寸大，后端的小些，并且前端轴颈的尺寸必须大于凸轮轴的高度，这样便于安装。轴颈上安装滑动轴承。
3、 凸轮轴支承轴颈的数目：
由于该柴油机是单缸四冲程发动机，不必将支承轴颈设计的过多，只是将凸轮轴的前后端各设计一个就已经足够了，所以将该轴颈数目为2个。
4、 凸轮轴的选材：
由于凸轮轴要承受一定的机械强度，必须要有足够的强度和韧性，同时还应具有一定的耐磨性，才干让发动机在正常的工况下工作，选择碳钢，一般选择45钢就可以满足规定了。
5、 凸轮轴的支承轴颈轴承的材料：
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，它的型号：195—01018

内径
外径
宽度
前端
40
47
27
后端
28
35
26

6、 凸轮轴的定位方式：
定位的因素:由于汽车的上下坡或者在加速的时候，都也许使凸轮轴发生轴向窜动。为防止由此引起的对配气定期的不良影响，需要采用轴向定位措施。对也195B型柴油机的采用的是轴向定位方式。
7、 凸轮轴的最小直径拟定：
凸轮轴的最小尺寸可以按照下面的公式：Db=2Ro—（2~4）（mm）

上式中的Ro是凸轮的基圆半径，由表可知：Ro=14.5
Db=2Ro—（2~4） =2x14.5—（2~4）=（25~27）
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一般在0.02~0.03mm，范围内，轴向间隙为0.01~0.25mm。
8、凸轮轴的热解决工艺：
a 渗碳；
b 渗碳；
c 机械加工；
d 高频淬火（回火）；
f 机械加工；
9、凸轮轴的损坏形式：
（1）支承轴颈的磨损。
（2）凸轮表面的磨损、刮伤和点蚀。
10、凸轮轴的计算：
根据气门弹簧和配气的计算的：配气机构运动零件的质量Mkn=115g， Mn=75g Mr=0/
Mmr=0和Mn=120g，凸轮的尺寸Ro=14.5mm，R1=138 R2=8.3mm Htmax=7mm 摇臂的尺寸：Lr=46 L=32 凸轮轴的角速度ω=115rad/s弹簧的最小弹力是P=239牛顿，进气么的喉口直径d=36mm。
从排气门作用到凸轮上的最大的力为：
Prmax=[+π/4（Pr—）]Ln/Lr+Mr（r1—r2）

=[239+3.14*/4x（0.445—0.1）xx46/32+374xx（138—14.5）x=2539牛顿
注： 式中的=36mm为排气门的直径
=42mm为进气门的直径
0.445兆帕，是由指示功图而拟定
≈=0.1兆帕
Mr=（+/3）x（/+99=374g
=/3=120x/3x=81g
凸轮轴的弯曲量：
Y=0.8
=0.0003mm
式中 E=2.2*兆帕——钢的弹性模量;
L=a+b=26+70=96mm---凸轮轴跨距长度

根据结构总体布置来取：
---轴的外径
——轴的外径，选取时要考虑运用轴的外径向凸轮供应润滑油和保持轴具有足够的刚度。
挤压应力：

=0.418
=255兆帕
式中 ： =25mm—凸轮的宽度
二、凸轮的设计
虽然瞬时的打开和关闭气门可以获得最大的时间截面，但是这样做会使零件产生很大的惯性力。因此在设计配气机构时选用这样的凸轮型线，使它保证可以有足够的气缸冲量的同时，同时也保证运动零件的惯性力数值在允许的范围内。

1、凸轮的设计时应当满足以下的规定：
1) 具有合适的配气相位。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的性能规定。
2) 为使发动机具有良好的充气性能，因而时间面积值应尽也许大些。
3) 加速度不宜过大，并应连续变化。
4) 具有恰当的气门落座速度，以免气门和气门座的过度磨损和损坏。
5) 应使配气机构在所有工作转速范围内都在平稳工作，不产生脱离现象和过大的振动。
6) 工作时噪声较小。
7) 应使气门弹簧产生共振的倾向达成最小限度。
8) 应使配气机构各传动零件受力和磨损较小，工作可靠，使用期长。
上述这些规定往往互相矛盾，必须根据发动机的具体情况规定，抓住重要矛盾，协调各种因素，妥善解决。
凸轮线性通常根据所选的线型形成规律做出，这样保证制造比较简朴的凸轮线形。
2、凸轮的基圆设计：
凸轮型线从基圆开始绘制，从保证配气机构有足够刚性的条件出发选择它的基圆半径R，其值在R=（1.5~2.5）x 范围。
①　 基圆半径：R=(1.5~2.5)x10=15~25 对与195B柴油机取14.5mm。

105B柴油机的配气相位角根据手册可以得到：
进气提前角

进气滞后角

排气提前角

排气滞后角

②　 凸轮的布置：（进排气的夹角）

=90+1/4（47-21+49-19）

=104
③　 配气相位与凸轮的作用角：
Φ=0.5（180

式中分别为进排气的提前启动角、进排气的滞后关闭角。
Φ=0.5（180
=
=
④　 凸轮顶部的圆弧半径：
=
=14.5—

=8.3

=

=138
为了保证气门的间隙，凸轮的背面部分的半径加工的比小一个间隙 值中涉及了配气机构的温度间隙及弹性变形量。对于进气=（0.25~0.35）mm，而排气门则=（0.35~0.50）mm。半径为r的圆与半径为r1的圆弧或者与直线（r1=∽）的接合，可以按抛物线或者按某给定半径的圆弧连接。
三、挺柱的设计
1、挺柱的结构：
挺柱的功能是按凸轮的运动规律推动传动机构，同时承受凸轮的侧向压力。特别是挺柱的底面，由于和凸轮表面接触的面积很小，接触应力很大，表面磨损很大，甚至也许刮伤，因此挺柱侧面以及底面规定耐磨。形状是筒型，这种结构可以减轻它的质量，从而达成减小它的往复惯性力。它的这种结构同时也保证凸轮轴在旋转时，挺柱底面所受的偏心切向力使挺柱产生旋转运动，保证工作表面的磨损时很均匀的挺柱的轴线相对于凸轮的轴线的偏移量为1~3，而195B柴油机的偏移量为2mm。
对于195B柴油机采用的是平面挺柱，它的特点是结构简朴，质量轻。对于高速发动机也是比较适合的。

2、挺柱的材料：
挺柱一般用的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。挺柱的材料和底面的硬度是和凸轮轴材质及凸轮表面的硬度相匹配的。对与295B柴油机的是20钢制造，底部堆焊合金，热解决的硬度≧HBC55。凸轮轴的材料为45钢，凸轮表面淬火处后，硬度为BRC54~65。
3、 平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计算：
最大挤压应力按下式计算：

上式中：——挺柱导向面直径（mm）；
L——在凸轮的计算位置是，挺柱插入导向孔中的长度（mm）；
——作用在凸轮上的最大力矩

=

=39.36
4、平面挺柱的最大速度：
平面挺柱最大速度受限于推柱端面直径，依据平面挺柱的凸轮机构运动学可知，挺柱与凸轮的接触点偏移量e与挺柱速度成正比：

因此，如挺柱端面直径， 由发动机的总体布置决定，则拟定挺柱的最大速度（时，必须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的计算：

平面挺柱接触应力的计算：

式中： F—作用在凸轮上的力（kgf）;
Ρ—凸轮廓线瞬时曲率半径（mm）；
B—凸轮与挺柱底面间的接触线宽度（mm）；
—分别为凸轮材料与挺柱材料的泊松比；
—分别为凸轮材料与挺柱材料的弹性模量（kgf/mm）
以上或当使用的材料为铸铁可取做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：

5.67x
6、 挺柱导向面直径 与长度按照下面的公式拟定：
=(0.15~0.20）D （mm）
=（0.15~0.20）*95
=(14.25~19) 取 16mm
式中 D—气缸直径(mm）
=（3.0~3.5） （mm）
=（3.0~3.5)*16
=(48~59)mm
根据195的结构取=58mm
挺柱导向面直径与挺柱孔间的径向间隙一般在0.02~0.08mm的范围内。
7、 挺柱头部球面支座的设计：
挺柱头部加工有凹形的球面支座，它是支撑推杆球头的。在这种球头与球面支座的配合副中，为了再两者之间形成楔形油膜，球面支座半径应比推杆的球头半径略大，但与也不应相差过大，否则将使接触应力剧增，一般，如图：
8、 凸轮和挺柱的重要损坏形式及其防止：
一、表面刮伤
刮伤的因素：由于凸轮和挺柱让润滑情况恶化引起的。
防止的方法：1、改善润滑：（1）保证在凸轮与挺柱面间经常供应黏度、成分、温度和数量均匀合适的润滑油；（2）采用品有特殊添加剂的润滑油；（3）使凸轮与挺柱的接触面光洁度尽也许的高一些；2、减少接触应力：（1）尽量减轻配气机构的往复运动质量；（2）增长凸轮的刚度;(3)采用弹性模量较小的但有较高硬度和强度的金属作为凸轮和挺柱的材料。3、表面磷化解决。4、凸轮、挺柱的化学成分及其金相组织的选择适当。5、采用热导性好的材料。
二、 表面蚀点
发生的重要因素：点蚀是金属的疲劳过程。
防止的措施：1、改善润滑；2、减少接触应力；3、减少残余应力；4、材料的化学成分和金相组织；4、采用热导性好的材料6、材料内部应尽量减少气泡。夹渣等缺陷。7、提高材料的抗疲劳强度和抗腐蚀能力。
三、 表面磨损
凸轮磨损有两种情况：（1）是一个缓慢的抛光过程，最后形成一个硬而光滑的摩擦表面。这种抛光的过程常开始于凸轮廓线零加速度的位置，而止于凸轮廓线的顶端之前，顶端不会被磨平。（2）随着时间逐渐或迅速磨损下去，直至影响发动机的性能。不正常的迅速磨损，严重者则在几个小时内即可将凸轮定磨平。
四、推杆的设计
1、推杆的功能：
把凸轮的运动从凸轮轴传至顶置气门处，完毕发动机的配气。
2、推杆的材料： 45钢。
3、推杆的结构形式：
它是一个细长杆，在工作时容易发生纵向弯曲，它是配气机构中刚度薄弱的环节。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的质量，减小往复惯性力。此外，缩短推杆的长度是减轻质量，提高纵向弯曲应力和整个配气机构刚度的有效办法。
4、 尺寸设计：
根据195B柴油机的结构，它的长设计为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的拟定
推杆的纵向弯曲按下列计算：

=
kgf
式中：P—作用于推杆上的临界力；
E—推杆材料的弹性模量；
J—推杆中央横断面的惯性力；

—推杆的外径
—空心推杆的孔径
L—推杆的长度

=2.5x/4

式中 —作用在推杆上的最大作用力
对于各种用途的发动机，在如下的范围：
（1）、高功率轻型发动机，=2.5~3
(2)、汽车拖拉机发动机。高速船用发动机，=3~5
（3）、固定式和船用发动机=4~6

6、 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的计算：
接触应力按下面的公式计算：

= 180
式中 —作用于推杆上的最大作用力（kgf）
Em—挺柱与推杆两种材料的平均弹量
—推杆的球头半径（mm）
—挺柱球面支座的半径（mm）
对于各种用途发动机的许用接触应力如下：
(1)汽车拖拉机发动机，=150~200
（2）固定式和船用发动机，=100~120
五、摇臂的设计
1、摇臂的工作原理：
摇臂是推杆和气门之间的传动件，它是推杆传来的力改变方向后作用于气门尾部以推开气门。

2、摇臂的结构：
摇臂的几何尺寸决定于气门和凸轮轴的相对位置。为了获得较轻的质量刚性好的结构，往往才有T字型的或者I字型的断面。195B柴油机采用的就是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。长臂推动气门的杆端，短臂端螺孔中装有气门间隙调节螺钉和锁紧螺母，气门间隙调节螺钉的球头与推杆上端凹球端头接触，195B柴油机的摇臂比：46/32=1..43。
4、摇臂润滑：
摇臂依靠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的衬套，然后从摇臂上油道上流出，滴落在摇臂两端进行润滑。
5、摇臂的定位：
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的拟定位置。在195B柴油机上，采用的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、摇臂的材料：
所采用的材料是QT60—2摇臂在与气门的尾部接触时既有滚动又有滑动，所以对材料的规定是要耐磨，为了防止磨损影响正常的配气相位，故该表面规定淬火热解决的工艺。
7、摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算：

式中 —气门杆顶面上的最大