零件裝配與結(jié)構(gòu)組成 |
康明斯發(fā)動機氣門傳動組結(jié)構(gòu)及作用 |
摘要:柴油機凸輪軸凸輪優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到其動力性,經(jīng)濟性,可靠性,振動,噪聲與排放特性的好壞。凸輪的豐滿系數(shù)越大,則進氣量越多,柴油機的動力性能與經(jīng)濟性能越好,排氣煙度與熱負荷越底;凸輪形線的圓滑性越好,柴油機的振動與噪聲越??;凸輪與挺柱間的接觸應力越小;潤滑特性越好,柴油機配氣機構(gòu)的沖擊載荷及摩擦磨損越小。隨著柴油機不斷地向輕巧化,高速化,高性能與高壽命方向發(fā)展,對配氣凸輪設(shè)計與制造的要求越來越高。顯然,研究出具有n階導數(shù)連續(xù),自變量為柴油機主要結(jié)構(gòu)參數(shù),充氣性能好,振動小,噪聲低,設(shè)計簡單的新型配氣凸輪形線方程,是一個極其重要的研究課題。
一、凸輪軸結(jié)構(gòu)
凸輪軸由凸輪軸頸、正時齒輪、凸輪、驅(qū)動齒輪和偏心輪等組成。凸輪軸一般是由鑄鋼或鍛鋼制成的。凸輪和軸承表面經(jīng)過硬化處理,以提高抗磨能力。
1、凸輪
凸輪用來控制進、排氣門的開和關(guān),凸輪數(shù)等于進、排氣門個數(shù)。凸輪軸上通常有一些輔助設(shè)施。凸輪在凸輪軸上的相對位置,決定氣門開、閉時機,噴油泵凸輪相對位置和形狀決定供油規(guī)律和供油時機。另外,凸輪軸上還有一個齒輪,用于驅(qū)動分電器(如果使用)和機油泵。
凸輪軸通常通過凸輪軸正時齒輪由曲軸齒輪驅(qū)動。也有通過正時鏈條、傳動帶傳遞曲軸轉(zhuǎn)矩的。
2、凸輪的夾角
氣門間隙一定時,氣門的升程取決于凸輪的高度。氣門開啟時間取決于凸輪頭部的角度,也叫夾角。凸輪的夾角是指凸輪曲線的起點和終點分別與圓心連線的夾角。在理論上此夾角應是90°(六缸機120°,如圖1所示),由于進、排氣門需要早開晚關(guān),實際上都超過了90°。凸輪軸通過齒輪或鏈條由曲軸驅(qū)動。為減小磨損和噪聲,凸輪軸齒輪和曲軸齒輪多用不同材料制成,一般是曲軸齒輪用鋼,凸輪軸齒輪用鑄鐵或夾布膠木。
3、凸輪軸止推墊片
凸輪軸需要采取一些措施來控制其軸向推力。采用的方法之一是在凸輪軸齒輪和法蘭(加工在凸輪軸上)之間加一個止推墊片。止推墊片用螺栓擰在缸體上,以阻止凸輪軸發(fā)生任何軸向移動。在一些頂置凸輪軸的發(fā)動機上,止推墊片用螺栓直接擰在缸蓋上。圖2顯示了如何檢查凸輪軸和止推墊片之間的間隙。
圖1 柴油發(fā)電機凸輪軸的相對角位置 |
圖2 凸輪軸軸向間隙 |
二、凸輪的設(shè)計
1、凸輪設(shè)計
凸輪軸上的凸輪有多種設(shè)計。凸輪軸凸輪的輪廓決定了氣門打開和關(guān)閉的方式和時間,它們在容積效率方面起著重要的作用。氣門打開的速度和程度,以及氣門的關(guān)閉速度都是由凸輪的形狀控制的。
凸輪軸凸輪具有幾個設(shè)計部分,如圖3所示。氣門升程是由凸輪軸凸輪的輪廓形狀決定的,因為升程顯示了氣門將能打開多少,所以非常重要。凸輪軸升程是指從基圓直徑往上凸輪能夠到達的高度。凸輪軸周期測量的是氣門保持打開有多長時間。
2、凸輪的輪廓形狀
凸輪的輪廓形狀也就是它從基圓的何處開始以及到何處結(jié)束,決定了凸輪軸的周期。凸輪軸的周期用轉(zhuǎn)動的角度表示。凸輪軸凸輪上的打開和關(guān)閉凸面用于舉升氣門和允許氣門關(guān)閉。凸輪可能有多種輪廓,取決于氣門打開和關(guān)閉的速度需要。例如,對于有些凸輪軸,可能需要將氣門逐漸地打開,然后再緩慢地關(guān)閉,不能有突然的跳動。如圖4所示,夸大地顯示了幾種不同的凸面。
凸輪的頂部被稱作凸頂,它的長度決定了氣門將在完全打開的位置保持多長時間。凸頂可能有多種不同的輪廓形狀,取決于氣門需要在完全打開的位置保持多久。凸輪軸的凸跟是指凸輪軸外形的底部部分。當挺桿或氣門在凸跟部分移動時,氣門處于完全關(guān)閉狀態(tài)。凸輪的這些外形特征決定了氣門打開過程的具體特性,即時間和速度。
圖3 凸輪圖及輪廓線 |
圖4 凸輪輪廓形狀圖 |
三、氣門正時
1、配氣正時和相位原理
進氣門和排氣門在哪個精確的時刻打開和關(guān)閉對于發(fā)動機獲得最大效率至關(guān)重要。例如,進氣門在排氣門關(guān)閉之前稍稍提前一點打開,這一點就十分重要。
配氣相位圖反映了發(fā)動機配氣時機,如圖5(a)所示,圖中顯示了在發(fā)動機工作的整個四個沖程中何時打開和關(guān)閉進、排氣門。在本圖中,曲軸轉(zhuǎn)動了完整的兩周。通常,上止點(TDC)直接畫在相位圖的頂部,下止點(BDC)畫在相位圖的底部,并代表180°。進氣、壓縮、做功和排氣沖程用轉(zhuǎn)動的角度表示。注意:當活塞在排氣沖程向上運動時,進氣門在排氣門關(guān)閉之前開始打開。這段氣門重疊對發(fā)動機的正常工作十分重要。對于不同的發(fā)動機,重疊的度數(shù)有所不同。氣門重疊使得在高轉(zhuǎn)速時汽缸有較高的充氣效率。但是,氣門重疊也會導致發(fā)動機的真空度降低,以及在低轉(zhuǎn)速時的性能變差,怠速質(zhì)量和低轉(zhuǎn)速燃油經(jīng)濟性變差。另外需要注意的是:排氣門在下止點前57打開。當然,排氣門的打開時間決定了有效做功行程的終止時間。
配氣正時的精確實現(xiàn)是由凸輪軸上的凸輪及凸輪軸驅(qū)動齒輪與曲軸齒輪的準確配合實現(xiàn)的。這項工作是在發(fā)動機制造廠進行大量實驗的基礎(chǔ)上確定的。在本書中主要是理解其原理,更好地維護發(fā)電機組。
柴油發(fā)電機的進、排氣門開始開啟和關(guān)閉終了的時刻,通常用相對于上、下止點時曲軸位置的轉(zhuǎn)角來表示,稱為配氣相位或配氣定時。用環(huán)形圖表示,稱為配氣相位圖。
柴油發(fā)電機的曲軸轉(zhuǎn)速很高,每一活塞沖程經(jīng)歷時間很短,為了使汽缸內(nèi)充氣較充足,廢氣排除較干凈,要求盡可能延長進、排氣時間。所以,四沖程柴油發(fā)電機氣門開始開啟和關(guān)閉終了時刻,并不正好在活塞的上、下止點,而是分別提前和延遲一些。氣門在上止點以前開啟時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角叫提前角。氣門在上止點以后關(guān)閉時所對應的曲軸轉(zhuǎn)角叫延遲角(也稱遲閉角)。
由圖5(a)可見,由于進氣門在上止點前開啟,而排氣門在上止點后才關(guān)閉,排氣和進氣又是兩個相鄰的連續(xù)過程,這就出現(xiàn)了在一段時間內(nèi)排氣門和進氣門同時開啟的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為氣門重疊。由于新鮮氣流和廢氣氣流的流動慣性,在短時間內(nèi)不會改變流向,只要氣門重疊角度選擇適當,就不會有廢氣倒流入進氣管,新鮮氣體也不會隨同廢氣排出去,反而有利于換氣。
2、正時標記
為了讓氣門的開、閉與曲軸的位置保持正確的關(guān)系,凸輪軸必須根據(jù)曲軸設(shè)定正時。也就是說,在裝配曲軸和凸輪軸時,一定要保證凸輪在精確的時間打開氣門,而且與活塞和曲軸的位置有正確的關(guān)系。為了達到這個目的,柴油機廠家采用了多種方法確定準確配氣。
① 采用正時齒輪。
裝在曲軸上的齒輪與裝在凸輪軸上的齒輪準確配合。這些齒輪通過鍵銷連接安裝在曲軸和凸輪軸上,鍵銷將齒輪保持在軸上的正確位置。在裝配凸輪軸和曲軸時,要對齊這兩個齒輪上的兩個點,如圖4(b)所示。如果凸輪軸和曲軸是這樣裝配的,相互之間正時匹配就是正確的。
因為發(fā)動機是四沖程設(shè)計,凸輪軸的轉(zhuǎn)速總是曲軸的一半。
② 發(fā)動機采用正時鏈條連接凸輪軸和曲軸。
在這種情況下,在裝配時也要對齊兩個標記,如圖6(a)所示。當在發(fā)動機上采用鏈條傳動時,要用一個緩沖墊來保持鏈條的張緊狀態(tài)。鏈條張緊裝置是為了保持鏈條的張緊度。頂置凸輪軸也是通過對齊軸上的標記來設(shè)置正時的,如圖6(b)所示。
如果在重新裝配后正時標記沒有正確對齊,凸輪軸和曲軸將無法按照正確的正時工作。如果出現(xiàn)這種情況,發(fā)動機在重新裝配后起動時,氣門將無法在正確的時刻打開和關(guān)閉。造成的一種結(jié)果是:活塞向上運動頂彎氣門。有時,當鏈條磨損或松動時,它可能會跳過一個齒,這也會破壞發(fā)動機的正時,并可能導致氣門被頂彎。
圖5 柴油機配氣正時圖 |
圖6 配氣正時標記 |
四、襯套與雙凸輪設(shè)計
(1)凸輪軸在缸體內(nèi)由幾個襯套進行支撐。這些襯套是摩擦型軸承,也稱為凸輪軸軸承,如圖7(a)所示。它們是一個整片結(jié)構(gòu),通常被壓裝在缸體上的凸輪軸座孔中,
(2)有些發(fā)動機采用兩個凸輪軸,這種發(fā)動機被稱為雙凸輪軸發(fā)動機。
雙凸輪軸發(fā)動機的設(shè)計:一根凸輪軸驅(qū)動進氣門,另二根凸輪軸驅(qū)動排氣門,如圖8所示。許多進口發(fā)動機采用雙頂置凸輪軸(DOHC)的發(fā)動機,如圖7(b)所示,進一步改善燃燒效率。設(shè)計出了每一側(cè)有兩個頂置凸輪軸的V形發(fā)動機就是最成功的典范。
圖7 雙凸輪軸與軸承布置圖 |
圖8 柴油機雙凸輪結(jié)構(gòu)形式 |
總結(jié):
凸輪機構(gòu)是工程中用以實現(xiàn)機械和自動化的一種主要驅(qū)動和控制機構(gòu)。以在輕工、紡織、食品、醫(yī)藥、印刷、標準零件制造、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域運行的工作機械中獲得廣泛應用。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率。就凸輪而言,必須進一步提高其設(shè)計水平。在解析法設(shè)計的基礎(chǔ)上開展計算機輔助設(shè)計的研究和推廣應用。為適應高速凸輪機構(gòu)分析和設(shè)計的需要,我在凸輪輪廓曲線方程試上對各指數(shù)和系數(shù)進行了外部輸入。從而提高了設(shè)計工作效率和設(shè)計計算準確性。同時還對各系統(tǒng)與凸輪輸出數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系進行了研究,掌握了某些基本規(guī)律,對凸輪設(shè)計優(yōu)化起到了很好的效果。
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