中北大学2015届毕业设计说明书
1 引言
现在，能源的枯竭和环境的污染正困扰着汽车工业的发展前景。汽车发动机的配气相位对其动力性、经济性以及排气污染都有重要的影响，对于普通汽车发动机，发动机转速改变将会引起气流的速度和进排气门早开迟闭的绝对时间的变化，因为凸轮轴驱动发动机驱动气门，进气门、排气门的早开角、迟闭角保持不变，这将导致发动机只能在一个转速范围内保持配气机构的最佳相位，而在发动机处于极低转速或者极高转速时，其配气相位处于不太合适的位置。发动机低速运转时，会由于气门叠开角大于理想值，导致废气带走部分新鲜混合气，从而油耗和排污将增加；高速运转时，因为气门叠开角比理想值小，进气量不足，发动机的最大功率将会被限制。
为了保护环境，人类的可持续发展，低能源和低能耗将是汽车发展的方向，这对发动机在保证良好动力性的同时，又要使燃油的消耗量降低提出了要求。因此我们需要设计出一套可变气门驱动机构对气门正时、气门开启持续时间及气门升程等参数中的一个或多个随发动机的工况变化进行随时调节，即同时也要改变配气相位角。当位于最佳的配气相位时，发动机能在很短的换气时间内充入最多的新鲜空气（可燃混合气），排气阻力也会减小，废气残留量也会最少，从而使燃油经济性提高，扭矩和功率特性将会变高，汽车怠速稳定性也会变高，尾气排放降低。
配气相位是指发动机的进气门和排气门的开启开始与关闭终止的时刻，一般用曲轴转角来表示。发动机运行时的转速很高，对于四冲程发动机来说，一个工作行程仅需千分之几秒，这么短暂的时间往往会导致发动机进气不充足，排气不干净，从而使功率下降。为了解决这个难题，设计师想出了一个办法：采用进，排气门的开启时间变长，气体的进出容量增大来改善进，排气门的工作状态，从而使发动机的性能提高。
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图1.配气相位图
从上图配气相位图上我们可以看到活塞从上止点移到下正点的进气过程中（绿色），进气门会提前开启（α）和延迟关闭（β）。当发动机作功完毕，活塞从下止点移到上止点的排气过程中（桔色），排气门会提前开启（γ）和延迟关闭（δ）。
显而易见，使气门开启时间延长的做法，将会使一个进气门和排气门同时开启，这种情况配气相位上称为“重叠阶段”，可能会导致废气倒流。尤其是在在发动机的转速低于1000转以下的怠速时候最明显（怠速工作下的“重叠阶段”时间是中等速度工作条件下的7倍）。很容易造成怠速工作不畅顺，振动过大，功率下降等问题。特别是有的采用四气门的发动机，由于“帘区”值过大，“重叠阶段”更容易造成怠速运转不畅顺的现象。为了解决这个问题，工程师就以“变”对“变”，提出了“可变式”的气门驱动机构。本次我在查阅资料的基础上设计了这样一套驱动系统，来对气门正时和气门升程，气门开启速度进行灵活控制。
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2 可变气门正时控制机构的设计
2.1气门正时技术
汽车发动机的配气相位对其动力性、经济性以及排气污染都有重要的影响，对于普通汽车发动机，发动机转速改变将会引起气流的速度和进排气门早开迟闭的绝对时间的变化，因为凸轮轴驱动发动机驱动气门，进气门、排气门的早开角、迟闭角保持不变，这将导致发动机只能在一个转速范围内保持配气机构的最佳相位，而在发动机处于极低转速或者极高转速时，其配气相位处于不太合适的位置。发动机低速运转时，会由于气门叠开角大于理想值，导致废气带走部分新鲜混合气，从而油耗和排污将增加；高速运转时，因为气门叠开角比理想值小，进气量不足，发动机的最大功率将会被限制。为了改变这种现状，工程师们提出了可变气门正时技术。
最近这些年，发动机可变气门正时技术(VVT, Variable Valve Timing)作为新技术中的一种被逐渐应用于汽车发动机上，发动机采用可变气门正时技术可以提高进气充量，增加充量系数增加，使发动机的扭矩和功率进一步提高。 2.2气门正时控制机构
该机构中，发动机进气凸轮的相位是可以变化的。图2所示为气门正时机构的简图
图2.1 气门正时机构简图
发动机曲轴的旋转通过正时带和正时带轮传到进排气凸轮轴。如图所示，本机构采用变频电机代替实际发动机驱动配气机构。在无凸轮发动机中，由于气门运动直接受电磁驱动机构控制，气门的运动性能受到气体燃烧的影响。在气门-凸轮式发动机中，为了防止弹簧反跳和飞脱，气门弹簧需设定一合适的初始压缩量(x0)，则弹簧恢复力
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F?k(x0?x)，其中k为气门弹簧刚度，x为凸轮运动时弹簧位移。弹簧力必须大于气门的惯性力，这主要取决于安全系数。因为发动机燃烧的影响被考虑在了安全系数之内，可以忽略不记，这就意味着在传统发动机中气门的运动规律只取决于凸轮轮廓。所以，用电机代替发动机来校核控制性能是可行的。
本系统中，正时带轮的内部是行星齿轮机构，并且通过该机构将正时带轮的转动传递到凸轮轴。因为太阳轮的一根轴与控制电机通过蜗轮传动机构相连，控制电机可以转动太阳轮，而由凸轮传向控制电机的力矩则被涡轮锁止。控制电机安装在发动机机体上，由于控制电机可以改变凸轮的转动角度，从而进排气门的相位得到控制。
紧凑的机构对于发动机而言是理想的。本文论述了一种结构紧凑且包含前文所述行星齿轮机构的气门正时控制机构，如图3所示。在带轮内部，两个行星齿轮与带轮的内齿相啮合，两行星齿轮的轴与一根有轴（图3所示输出轴）的连杆连接在一起，且该输出轴与凸轮轴相连。正时带轮的旋转按照一定的传动比传到凸轮轴。行星齿轮的内部与一个连接有涡轮的太阳轮啮合，涡轮与蜗杆（图3所示输入轴）相啮合，控制电机安装在台架（实际运用时为发动机）上并与蜗杆相连。因此，当控制电机转动时，旋转运动通过涡轮传到太阳轮，进排气门的相位就会改变。在该机构中，如果控制电机不转动，涡轮蜗杆机构就会将太阳轮锁止，因而曲轴的转动就会直接传到凸轮轴。当需要改变配气相位时，驱动电机就可以控制气门正时了。
图2.2 行星齿轮式带轮机构
通过查阅资料以及课本，给出了如下表一的数据。表1列出了行星齿轮的尺寸参数，Za表示太阳轮A的齿数，Zb指行星轮B的齿数，Zc指内齿轮C的齿数。当太阳轮固定时，内齿轮与连杆之间的传动比是i1?1/(Za/Zc?1)?0.8 。即，正时带轮每转动一
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圈，凸轮轴随之转动0.8圈。发动机内凸轮轴与曲轴的转速比应该是1/2，而驱动电机的带轮齿数为30。由于本系统拥有紧凑的齿轮减速机构，较之传统的发动机，其尺寸要小。
表1 行星齿轮机构尺寸
齿轮型式 模数 压力角（） 齿数 0太阳轮A，常规 Za 行星轮B, 常规 Zb 内齿轮C, 常规 Zc 带轮 XL型 1 20 16 1 20 24 24 1 20 64 64 —— —— 48 77.62 节圆直径（mm） 16 当内齿轮固定时，太阳轮与连杆之间的传动比：i2?1/(Zc/Za?1)?1/5。紧凑型的电机对发动机是有益的，并且行星齿轮的运动需由控制电机来锁止。考虑到这一情况以及控制运行速度的需要，涡杆与蜗轮的齿数比被设定为1/30。因此，当与太阳轮相连的控制轴转动150转时，凸轮轴只转动一周。
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