中北大学2015届毕业设计说明书
3 可变气门升程机构设计
3.1可变气门升程技术
可变气门升程另一种说法，即VVT技术。普通的的汽油发动机的气门升程是不可变的。即凸轮轴的凸轮型线只有一种。这就使该升程不可能使发动机在高速范围和低速范围都获得良好响应。普通汽油发动机的气门升程——凸轮型线设计是对发动机在全工况下的平衡性选择。其结果是发动机既获得不了最佳的高速效率，也得不到最佳的低速扭矩，但可以得到全工况下最平衡的性能。
VVT的采用，让发动机的气门升程在高速区和低速区都能得了满足，从而发动机高速功率和低速扭矩也得到了改善。 3.2.可变气门升程机构
如图3.1，图3.2所示为可变气门升程的原理图，同传统的凸轮连杆控制结构不同，虽也是样采用凸轮轴和摇臂等元件，但凸轮与摇臂的数目及控制方法和传统发动机相比有很大不同。除了基本的2个气门的一对凸轮和和一对摇臂外，该系统增加了一个较高的中间凸轮及相
图3.1凸轮轮廓 图3.2可变气门升程机构
应的摇臂，液压控制移动的小活塞装在摇臂内部。发动机以较低速度运行时，小活塞处于不动，此时3个摇臂分离，左右2个凸轮分别推动与之相应的摇臂，来控制2个进气门的开闭，此时的气门升程较小。由于中间摇臂已与左右两臂分离，因此这两个臂不受它的控制，所以气门的开闭状态不会受其影响。但当发动机的转速比较大时，发动机电脑会指挥电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使3个摇臂形成一个整体体，这
第 6 页 共 6 页
中北大学2015届毕业设计说明书
样左右两边凸轮处于轮空状态，整个由中间凸轮带动。因为中间凸轮比左右凸轮高，升程大，所以进气门开启时间延长，升程也随之增大。当发动机转速比较小于设定值时，摇臂内的液压会降低，电脑控制活回位弹簧作用在活塞上，活塞回到原位，3个摇臂分开。
发动机电脑控制整个机构，转速、进气压力、车速及冷却液温度等信息传到电脑并由电脑进行处理，输出对应的信号，由电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，改变进气门的开度和时间，来控制气门升程的大小。
3.2.1凸轮的设计
1、设计凸轮时应该有如下几点要求：
1) 配气相位要合适。它能顾及到发动机功率、扭矩、转速、燃油消耗量、怠速和启动等各方面的性能要求。
2) 时间面积值应尽可能大些，这样发动机会具有良好的充气性能。 3) 应该有连续变化的加速度，并且加速度不宜太大。
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到最小程度。
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。 2.凸轮的选材
凸轮轴各部分工作条件不同，因此所要求的材料机械性能也不尽相同。例如凸轮工作时与挺住接触，受到挤压和磨损，要求耐疲劳耐磨损并能与挺住材料匹配。对于整体凸轮轴材料料根据凸轮的要求来选择。
凸轮轴的材料科选用45、45Mn等中碳钢或20、20Mn等低碳钢。对于强化内燃机一般用18CrMnTi、20Cr、22CrMnMo等低碳合金钢或50Mn中碳钢制造。对于中碳钢凸轮工作表面要进行中频淬火，低碳合金钢应进行表面渗碳淬火，使表面硬度达到HRC52~63。为了保证凸轮轴本身有一定的韧性，其表面及中心硬度不大于HRC30~40。当凸轮轴用钢
第 7 页 共 7 页
中北大学2015届毕业设计说明书
制造时，挺住工作面乳痈冷激硬化合金铸铁制造，则匹配工作性能较好。本设计中选用冷激铸铁
3.凸轮的主要参数
凸轮的主要参数有凸轮作用角?c、挺住最大升程htmax、基圆半径r0、气门间隙△，挺住滚子直径D0。
1.凸轮作用角?c
凸轮作用角指凸轮工作段所占凸轮基圆圆周角，它是由配气正时要求决定的，可根据热
c。由于
四冲程内燃机的凸轮转速时曲轴的一半，故：
12?a—进（排）气门提前开启角（曲轴转角）；
?c?（180??a??d）?d—进（排）气门迟后关闭角（曲轴转角）。
??查表可得?
进气提前角 进气滞后角 排气提前角 排气滞后角 2.挺住最大升程htmax
挺住升程ht与气门升程hv之间存在摇臂比i的比例关系。气门升程增大使气门通流截面面积增加。如前所述，当气门通流截面的面积等于气道喉口截面面积时，气门通流截面对气流影响较小。因此，此时的气门通流截面面积为最大值，其对应的气门升程为最大升程hvmax，则htmax?hvmax/i ；摇臂比i=1.4
式中hvmax=11.6；（查表系列气门最大升程为8.3m） 3.凸轮基圆半径r0
20.25~0.35）d1，d1为缸径。 凸轮基圆半径r0?1/（26° 55° 66° 15° 4.气门间隙
为使气门在内燃机任何工况下能够紧密关闭，机构留有间隙△。
第 8 页 共 8 页
中北大学2015届毕业设计说明书
气门间隙的大小，与配气机构的结构形式，气缸及汽缸盖的材料和结构有关，一半
（0.03~0.05）htmax 气门冷态间隙为??气门间隙换算到凸轮上，则为实际基圆到工作段始点的挺住升程hr
hr??/i。 5.挺住滚子直径D0
一般D0=(0.8~1.5)htax，本设计中取的、D0=9mm。
6.应该使凸轮最小曲率半径?min不小于2mm，以保证接触应力较低，减少摩擦。 3.2.2缓冲曲线的设计
由于配气机构中的气门在很高的温度下工作，从冷态到热态将会产生较大的热变形，为保证气门关闭可靠，气门与摇臂间必须留有一定的间隙，一般配气机构间隙冷态时为0.03~0.05倍的气门最大有效升程，与此相对应，把凸轮的理论基圆半径减小0.2~0.4mm，形成实际基圆，再用一曲线光滑连接实际基圆和工作段，这段曲线称为缓冲曲线。设计缓冲曲线应保证缓冲曲线与基圆和工作段的光滑连接，即在接点处相切且在该点附近挺柱速度足够小，以减小配气机构的撞击，因此对气门落座速度应进行限制。但落座速度也不能过小，否则不利于气门撞碎气门座上的杂质; 此外，在缓冲段接近终点时，升程变化过于平缓，当配气机构间隙略有变化时，造成气门启闭时刻有较大变化。一般气门开启或关闭时的挺柱速度在0.0127~0.0524mm之间，缓冲曲线所占凸轮转角?0在15?~40?之间。选定的?0应与缓冲段终点处的挺柱升程hT0及缓冲段的函数表达式综合考虑。
常用的缓冲段曲线有：等加速型、等加速-等速型、余弦型及摆线型等。 接下来介绍下等加速-等速型缓冲曲线，挺住升程hT0、速度VT0和加速度AT0计算如下：
（0????1）等加速段
hT?hRB1?0(2?B1)2?2 （3.1）
第 9 页 共 9 页
中北大学2015届毕业设计说明书
?0? VT0?hT2hRB1?0(2?B1)2hR22? （3.2）
??? AT0?hT0等速段（?1????0)
hT0? （3.3） B1?0（2?B1）2hRBh??1R （3.4）
?（2?B102?B1)2hR (3.5)
?0(2?B1)?0? VT0?hT??0?0 (3.6) AT0?hT?0--------挺住升程对凸轮转角的一阶导数（mm/rad）； 式中 hT
2? h?T0--------挺住升程对凸轮转角的二阶导数（mm/rad）；
hR--------缓冲段终点的挺住升程（慢慢）； B1---------比例系数，B1??1/?0； ?0----------缓冲段张角（rad）。
一般高速强化发动机，应采用等加速—等速型缓冲曲线为宜。它具有以下的特点： （1） 缓冲段终点的加速度为零，冲击和噪声较小；
（2） 在气门的开启或关闭侧，气门间隙和配气机构刚度的变化不大； 影响挺柱的速度和加速度，对配气正时的影响也不明显；
（3） 缓冲段曲线终点时挺住升程对凸轮转角的二阶、三阶导数均为零，所以它可
以与凸轮基本轮廓线较好的衔接。
3.2.3 凸轮工作段运动曲线设计
发动机对配气凸轮外形设计的要求归根到底为对从动件运动规律的要求。而从动件升程规律的微小差异会导致加速度规律的很大变动，因此加速度规律的确定最为重要。如前所述，从动件运动规律型式有多种，在内燃机上常用的有多项式高次方型、复合正弦抛物线加速度型、多项式低次方型、复合摆线型、多项动力修正型、N次谐波型、样
第 10 页 共 10 页