摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)搖臂設(shè)計(jì)與有限元分析-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)搖臂設(shè)計(jì)與有限元分析 院 （系） 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱 高 工 評閱教師 職稱 講 師 201_年 月 日 注 意 事 項(xiàng) 1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.

2、附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 本人以信譽(yù)聲明

3、：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的設(shè)計(jì)（研究）工作及取得的成果，設(shè)計(jì)（論文）中引用他（她）人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨(dú)立完成，不包含他人成果及為獲得重慶科技學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用其材料。與我一同工作的同志對本設(shè)計(jì)（研究）所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作者（簽字）： 年 月 日 摘要 摘 要可變配氣技術(shù)（VVT）屬于當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)發(fā)展方向之一。本文針對某單頂置凸輪軸型的125ml汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行可變配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。在國內(nèi)外VVT 技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種適合中、小排量摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)單頂置凸

4、輪軸VVT 機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由雙進(jìn)氣凸輪、雙進(jìn)氣搖臂及其正時(shí)切換機(jī)構(gòu)組成,低速凸輪在發(fā)動(dòng)機(jī)低速、低負(fù)荷工況時(shí)驅(qū)動(dòng)低速搖臂控制進(jìn)氣門,高速凸輪在發(fā)動(dòng)機(jī)高速、高負(fù)荷工況時(shí)驅(qū)動(dòng)高速搖臂控制進(jìn)氣門。主要完成VVT機(jī)構(gòu)的搖臂設(shè)計(jì)，包括進(jìn)氣低速搖臂設(shè)計(jì)、進(jìn)氣高速搖臂設(shè)計(jì)與排氣搖臂的設(shè)計(jì)；同時(shí)對該可變配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣低速搖臂、進(jìn)氣高速搖臂進(jìn)行有限元分析，著重分析搖臂在高低速工況及其切換時(shí)所受的沖擊力以及對搖臂和整個(gè)可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)的影響。最后根據(jù)分析結(jié)果提出搖臂改進(jìn)措施，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：可變配氣機(jī)構(gòu) 進(jìn)氣低速搖臂 進(jìn)氣高速搖臂 有限元分析 優(yōu)化設(shè)計(jì) I ABSTRACT ABSTRACTNow Vari

5、able Valve Timing(VVT) is becoming the development direction of new engine technology. Variable value mechanism is designed according to the 125ml gasoline engine with single overhead cam shaft. On the basis of VVT technology at home and abroad, one VVT mechanism has been designed with single overhe

6、ad camshaft that meets the engines of small and medial displacement. The mechanism mainly includes double inlet cams, double arms, and timing switching mechanism. When it is at low load and low engine speed, low speed cam drives low-speed rocker to control the intake valve. When it is at high load a

7、nd high engine speed, high speed cam drives high-speed rocker to control the intake valve. This work includes VVT mechanism rocker design which contains intake rocker design of low speed and high speed and exhaust rocker design, the rocker force at low speed and high speed by finite element analysis

8、, the influence between the rocker and the switching mechanism. Finally, optimization design is finished according to analysis result.Keywords: Variable Valve; Low intake rocker; High-speed intake rocker; Finite Element Analysis; Optimized design II 目錄目錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.1 VVT技術(shù)發(fā)展11.1.1 VVT技術(shù)11.

9、1.2 國內(nèi)外VVT發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀11.2 可變配氣正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)（VVT）的基本技術(shù)和原理21.2.1可變配氣正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)（VVT）基本技術(shù)和原理21.3 VVT技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響41.4 可變配氣正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)(VVT)改進(jìn)措施41.4.1 無凸輪軸可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)41.4.2 變換凸輪型線的可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)61.4.3 改變凸輪軸相角的可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)61.4.4 改變凸輪與氣門之間聯(lián)結(jié)的可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)71.4.5 電控液壓挺柱式可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)91.4.6 其它可行機(jī)構(gòu)92 有限元分析理論102.1 有限元?jiǎng)恿Ψ治龊喗?02.1.1 有限單元法的特點(diǎn)102.2 平面結(jié)構(gòu)問題的有限元分析1

10、02.2.1 簡單三角形單元的位移模式103 VVT零件設(shè)計(jì)123.1摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)搖臂的設(shè)計(jì)123.1.1 搖臂的工作原理123.1.2 搖臂的結(jié)構(gòu)123.1.3 搖臂比123.1.4 搖臂潤滑123.1.5 搖臂材料的選用123.1.6 搖臂與凸輪軸間接觸應(yīng)力的計(jì)算124 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)有限元分析16 4.1 有限元分析模型164.2 未切換時(shí)低速搖臂受力最大時(shí)分析結(jié)果164.3 切換時(shí)高低速搖臂接觸受力分析結(jié)果175 結(jié)論19參考文獻(xiàn)20致 謝21附 錄22 緒論 1 緒 論1.1 VVT技術(shù)發(fā)展 1.1.1 VVT技術(shù)可變的配氣相位（VVT）技術(shù)改變了傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中配氣相

11、位固定不變的狀態(tài)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)提供最佳的配氣正時(shí)，解決了高低速，重負(fù)載和輕負(fù)載的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，同時(shí)在一定程度上改進(jìn)尾氣排放。最佳的配氣相位應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)在很短的換氣時(shí)間內(nèi)充入最多的新鮮空氣(可燃混合氣)，并使排氣阻力最小，廢氣殘留量最少。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，氣流速度和進(jìn)排氣門晚關(guān)早期和絕對時(shí)間的改變，因此，最佳的氣門正時(shí)應(yīng)該改變。普通發(fā)動(dòng)機(jī)氣門打開和關(guān)閉進(jìn)氣閥和排氣閥驅(qū)動(dòng)凸輪，早期開角，滯后角是固定的，它可以在最佳的時(shí)間在一個(gè)特定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很低或很高，其氣相處于不理想的狀態(tài)。例如：在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于閥重疊比理想值，使新鮮混合部分尾氣造成的燃料消耗量的增加和污染排放；

12、高轉(zhuǎn)速時(shí)，氣門疊開角比理想值小，進(jìn)氣量不足，限制了發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最大功率值。到目前為止，出現(xiàn)了各種各樣的配氣相位可變氣門裝置，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)和排氣污染有所改善。 1.1.2 國內(nèi)外VVT發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀（1）國外無凸輪軸VVT機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀此類機(jī)構(gòu)沒有凸輪軸,直接對氣門進(jìn)行控制,其優(yōu)點(diǎn)是在各種工況下能對氣門正時(shí)的所有因素進(jìn)行控制而獲取最佳氣門正時(shí)；此外，可以關(guān)閉閥截面柱，可變?nèi)萘俊Ｖ苯酉蜷y的控制，是理想的狀態(tài)，但這種控制機(jī)構(gòu)控制需要消耗較高的能量，如何減少這種機(jī)制的能量消耗是一個(gè)必須解決的問題。德國 FEV 電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)和美國福特公司與德國奔馳公司的無凸輪電控液壓可變配氣相

13、位機(jī)構(gòu)是該類型的典型機(jī)構(gòu)。FEV電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)已有產(chǎn)品出現(xiàn)。無凸輪電液可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)將在未來兩到三年內(nèi)將被應(yīng)用到汽車公司奔馳。雖然ECV福特在替補(bǔ)席上研究階段。（2）變換凸輪型線VVT機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)型研究現(xiàn)狀此類機(jī)構(gòu)可提供兩種以上凸輪型線,在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下,采用不同的凸輪型線驅(qū)動(dòng)氣門。三菱，菲亞特，Elrod和可變凸輪相位機(jī)構(gòu)尼爾森三維凸輪機(jī)構(gòu)屬于此類機(jī)構(gòu)。（3）改變凸輪軸的角VVT機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀此類機(jī)構(gòu)利用凸輪軸調(diào)相原理, 凸輪型線是固定的,而凸輪軸相對曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。配氣相位中影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能較大的是進(jìn)氣門關(guān)閉角和進(jìn)排氣重疊角 , 而多氣門雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上,單獨(dú)控制進(jìn)、排氣凸輪

14、軸,可以實(shí)現(xiàn)控制這兩個(gè)因素,改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。雖然這種機(jī)制可以在不改變氣門升程和時(shí)間，但其機(jī)制原理簡單，保持原有的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門系統(tǒng)不變的情況下，只有一個(gè)額外的機(jī)制，改變凸輪軸相位，小改變原機(jī)，使用方便,應(yīng)用較廣泛。屬于這種原理的機(jī)構(gòu)很多,主要是液壓式的。（4）改變凸輪和閥之間的連接VVT機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀這種機(jī)制主要是通過改變凸輪與挺桿閥之間的耦合機(jī)制，如，搖臂和推桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)凸輪廓線的變化間接作用。機(jī)械式的機(jī)制，也有液壓式，可以實(shí)現(xiàn)可變氣門正時(shí)技術(shù)，功能比較好;不足之處是該機(jī)構(gòu)最從動(dòng)件，氣門沖擊，一些結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。由于VVT發(fā)動(dòng)機(jī)可以確保穩(wěn)定的燃燒，減少燃料消耗，提高烴和氮氧化物的排放量，同時(shí)擴(kuò)大容積

15、效率，改善燃燒性能。所以在國內(nèi)也推出的研究也進(jìn)行了研究，但該技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外對這一技術(shù)的研究。海馬，力帆，長城，捷克汽車制造商已經(jīng)掌握了技術(shù)，并開始制造這種新型汽車。海馬，力帆汽車制造商最近推出了這一技術(shù)的汽車。海馬推出的新車型中發(fā)動(dòng)機(jī)具有鮮明的“雙峰值”扭矩特性,在中低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的情況下（2300rpm），可提供接近最大輸出的扭矩的90%，在此狀態(tài)下，車輛啟動(dòng)時(shí)不需要踩油門加速深可以獲得足夠的權(quán)力，而且還處于初始階段，以避免不必要的燃油消耗。此外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到時(shí)可以得到158N.M的最大輸出扭矩，使汽車具有良好的加速高速。這個(gè)引擎是完全能夠滿足日常駕駛需求，減少燃料消耗。而力帆汽車廠家

16、的1.8L發(fā)動(dòng)機(jī)是其耗費(fèi)兩年時(shí)間自主研發(fā)完成,具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該款發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為B4L18，采用水冷型四沖程，DOHC(雙頂凸輪軸)，最大扭距172 N.m/r，最大功率為100KW，符合歐的排放標(biāo)準(zhǔn)，并采用了可變氣門正時(shí)技術(shù)，成為中國首款VVT技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)。在提高車用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和降低排污方面有著突出的作用。該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在外形設(shè)計(jì)和鑄造工藝上，采用國際級(jí)先進(jìn)技術(shù)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。然而還有很多國內(nèi)汽車廠家至今還沒推出含有VVT技術(shù)的車型。1.2 可變配氣正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)（VVT）的基本技術(shù)和原理 1.2.1 可變配氣正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)（VVT）基本技術(shù)和原理為了滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)和車主們油耗

17、低動(dòng)力足的要求，越來越多的新技術(shù)被各大汽車廠商加快步伐開發(fā)和應(yīng)用。VVT-i，VTEC，DVVT，這些汽車的“核心”總物概要說明。結(jié)構(gòu)及工作原理：為了更好地理解這些技術(shù)，首先對發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)及相關(guān)術(shù)語進(jìn)行簡單介紹： 配氣機(jī)構(gòu)：它是控制氣門開閉的機(jī)構(gòu)，它通常由凸輪軸、凸輪、氣門挺桿、氣門和氣門彈簧組成。 工作過程：曲軸通過鏈條或者皮帶帶動(dòng)凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)，凸輪工作面的旋轉(zhuǎn)過程會(huì)頂壓氣門挺桿，隨后氣門頂桿就會(huì)推動(dòng)氣門向氣缸內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而氣門被開打；凸輪工作面后，閥門將氣門彈簧閥關(guān)閉。 圖1-1 4缸DOHC（雙頂置凸輪軸）式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)氣門正時(shí)與升程：氣門的開閉決定了氣門正時(shí)（進(jìn)排氣門開閉的時(shí)間

18、）與氣門升程（氣門打開的程度），這兩個(gè)參數(shù)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和充氣效率的重要因素。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，高速度和低轉(zhuǎn)速對氣門正時(shí)的要求是不同的，如圖1-2所示，低的速度應(yīng)該是一個(gè)小的氣門重疊角和升降油缸，防止新鮮的空氣流量，從而在低轉(zhuǎn)速增大扭矩，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，而高速時(shí)卻希望有大的氣門升程氣門重疊角，以便進(jìn)入更多的混合氣以滿足高速時(shí)的動(dòng)力性要求。 圖1-2 低速與高速時(shí)的氣門重疊角1.3 VVT技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響VVT技術(shù)可以用來減少發(fā)動(dòng)機(jī)泵氣損失，加快進(jìn)氣速度，改善混合氣質(zhì)量，改變殘余廢氣系數(shù)，提高進(jìn)氣效率，最終改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程，使動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性以及響應(yīng)性能得到綜合提高。至于VVT

19、而言，VVT機(jī)構(gòu)由于氣門正時(shí)是可以改變的，可控制的自由度是最大的，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用最廣泛的功能，是一種理想的機(jī)制。綜合各類可變配氣相位機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對配氣相位中影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的各種因素予以剖析。1.4 可變配氣正時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)(VVT)改進(jìn)措施 1.4.1 無凸輪軸可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)該類機(jī)構(gòu)沒有凸輪軸，直接對氣門進(jìn)行控制，其優(yōu)點(diǎn)是在各種工況下能對氣門正時(shí)的所有因素進(jìn)行控制，獲取最佳氣門正時(shí)；此外，可以關(guān)閉閥截面柱，可變?nèi)萘?。直接向閥的控制，是理想的狀態(tài)，但這種控制機(jī)構(gòu)控制需要消耗較高的能量，如何減少這種機(jī)制的能量消耗是一個(gè)必須解決的問題。德國FEV電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)和美國福特公司與德國奔馳公司的無凸輪

20、電控液壓可變配氣相位機(jī)構(gòu)是屬于該類型的典型機(jī)構(gòu)。FEV電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)已有產(chǎn)品出現(xiàn)。奔馳公司的無凸輪電控液壓可變配氣相位機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)二、三年內(nèi)將應(yīng)用于車上。而福特的ECV機(jī)構(gòu)正處于研究階段。（1）德國FEV電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)圖1-3表示了FEV發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司的電磁控制氣門機(jī)構(gòu)。這是一個(gè)電磁鐵固定閥動(dòng)作結(jié)束的開啟時(shí)間可自由選擇。這樣，氣門正時(shí)和落座速度可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷自由選擇。在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，每個(gè)閥門的開啟和關(guān)閉的電能消耗約1J。其能量消耗值取決于氣門大小和發(fā)電機(jī)效率等發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。使用電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)可以控制無節(jié)氣的自由振動(dòng)系統(tǒng)。閥門打開（或關(guān)閉）的時(shí)間是約3ms。對

21、混合煤氣費(fèi)和殘余廢氣系數(shù)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的閥門。早期關(guān)閉進(jìn)氣閥控制混合氣可以減少氣體交換量的損失，降低燃料消耗。根據(jù)汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷調(diào)節(jié)節(jié)氣門正時(shí)，可以改變混合氣的成分，優(yōu)化燃燒過程。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)，汽油機(jī)可以提高全負(fù)荷平均有效壓力30%。電磁控制的全可變氣門機(jī)構(gòu)和氣門機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對簡單，少開車閥件，并可進(jìn)行綜合控制的氣門升程和時(shí)間。圖1-3 FEV電磁控制全可變氣門機(jī)構(gòu)（2）福特ECV無凸輪電控液壓可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu) 福特公司開發(fā)了無凸輪電液閥控制機(jī)構(gòu)，可控制無級(jí)變速范圍和速度上的氣門正時(shí)。利用液壓流體的彈性特征，在氣門開啟和關(guān)閉時(shí)對其加速或減速，簡稱液壓擺原理。隨著機(jī)械擺錘，液壓擺可以變換的流

22、體勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，然后再切換回勢能，其中只有一個(gè)小的能量損失。圖1-4所示的機(jī)制原理，它包括一個(gè)柱塞高壓，低壓蓄能器和在柱塞上部頂閥中的雙重角色的安裝，與高壓油源連接和低壓油源，低和高壓油源相連。柱塞上部的承壓面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部承壓面。開啟閥門時(shí)，壓力電磁閥打開，凈壓力雙柱塞趨于加速向下的壓力，當(dāng)電磁閥關(guān)閉，在壓力下降，同時(shí)柱塞，減速，推動(dòng)柱塞下部的高壓油流到高壓儲(chǔ)能器，低壓 油流經(jīng)低壓檢測閥進(jìn)入柱塞上風(fēng)部空間。當(dāng)閥停止向下運(yùn)動(dòng)，低壓力測試閥關(guān)閉時(shí)，閥門處于開啟位置。氣門關(guān)閉的過程與開啟相類似。低電壓電磁閥打開，活塞的壓力降低到低壓蓄能器壓力的上部，凈壓力雙柱塞下加速上升。然后，低壓螺線閥關(guān)閉，柱

23、塞上部壓力增加，柱塞減速的同時(shí)，推動(dòng)上部液壓油通過高壓檢測閥流回高壓儲(chǔ)能器。圖1-4 ECV無凸輪電控液壓可變配氣相位機(jī)構(gòu) 圖1-5 本田VTEC可變配氣相位機(jī)構(gòu) 1.4.2 變換凸輪型線的可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)這類機(jī)構(gòu)可以提供兩種以上凸輪型線,在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下,采用不同的凸輪型線驅(qū)動(dòng)氣門。Mitsubishi公司的MIVEC機(jī)構(gòu)、Fiat三維凸輪機(jī)構(gòu)、Elrod和Nelson可變凸輪相位機(jī)構(gòu)都屬于此類機(jī)構(gòu)類型。Mitsubishi公司的MIVEC機(jī)構(gòu)與三段式VTEC機(jī)構(gòu)原理很類似。它們都已成為產(chǎn)品在車上應(yīng)用,取得了較好的效果。 1.4.3 改變凸輪軸相角的可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)該類機(jī)構(gòu)利用凸輪軸調(diào)相原

24、理，凸輪型線是固定的，而凸輪軸相對曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。因?yàn)榕錃庀辔恢杏绊懓l(fā)動(dòng)機(jī)性能較大的是進(jìn)氣門關(guān)閉角和進(jìn)排氣重疊角，在多氣門雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上，單獨(dú)控制進(jìn)、排氣凸輪軸，可以實(shí)現(xiàn)對這兩個(gè)因素的控制，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。雖然這種機(jī)制可以在不改變氣門升程和時(shí)間，但其機(jī)制原理簡單，保持原有的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門系統(tǒng)不變的情況下，只有一個(gè)額外的機(jī)制，改變凸輪軸相位，小改變原機(jī)，使用方便，應(yīng)用較廣泛。屬于這種原理的機(jī)構(gòu)很多，主要是液壓式的。Nissan凸輪軸可變相位機(jī)構(gòu)，是日本Nissan公司開發(fā)的一種液壓機(jī)構(gòu)，用在雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)上，可改變進(jìn)氣凸輪軸相角，實(shí)現(xiàn)配氣相位可變。該機(jī)構(gòu)采用螺旋花鍵軸式凸輪調(diào)相原理，如

25、圖1-7所示，主要由凸輪軸、帶有斜齒的內(nèi)軸套、斜齒活塞、正時(shí)帶輪組成。正時(shí)帶輪與活塞之間、活塞與內(nèi)軸套之間分別有旋向相反的斜齒相嚙合聯(lián)結(jié)，正時(shí)帶輪相對曲軸的相位是固定不變的，當(dāng)控制閥打開時(shí)，活塞在高壓油作用下向右移動(dòng)，由于活塞內(nèi)外為斜齒，從而引起內(nèi)軸套帶動(dòng)凸輪軸相對于正時(shí)帶輪發(fā)生相對角位移；當(dāng)控制閥關(guān)閉時(shí)，活塞在回位彈簧的作用下左移，引起內(nèi)軸套帶動(dòng)凸輪軸相對于正時(shí)帶輪發(fā)生反向轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的高壓油來自發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系，所以不需要另一套機(jī)構(gòu)提供壓力油。圖1-7 Nissan凸輪軸可變相位機(jī)構(gòu)1.4.4 改變凸輪與氣門之間聯(lián)結(jié)的可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu) 這種機(jī)制主要是通過改變凸輪與挺桿閥之間的耦合機(jī)制，如，搖臂

26、和推桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)凸輪廓線的變化間接作用。這類機(jī)構(gòu)機(jī)械式的較多，也有液壓式的，可以實(shí)現(xiàn)可變氣門正時(shí)技術(shù)，功能比較好；不足之處是該機(jī)構(gòu)最從動(dòng)件，氣門沖擊，一些結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。（1）MEC可變配氣相位機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)一個(gè)簡單的活動(dòng)臂支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1-8所示，當(dāng)移動(dòng)的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相對固定架，搖臂，搖臂比的變化，相應(yīng)的變化，使閥門的連續(xù)過程或改變升力，相位角。搖臂平面用于承受移動(dòng)支點(diǎn)負(fù)荷，固定架限制搖臂發(fā)生在軸向方向。目前，這種機(jī)構(gòu)尚處于臺(tái)架研究階段，但該機(jī)構(gòu)成功的通過了200h連續(xù)測試，可以控制氣門升程由零變化到最大行程,有效持續(xù)期從0°260°，機(jī)構(gòu)簡單、可變范圍廣，是一種較為實(shí)用的機(jī)構(gòu)。

27、圖1-8 MEC可變配氣相位機(jī)構(gòu) 圖1-9 電控液壓挺柱式可變配氣相位機(jī)構(gòu) 1.4.5 電控液壓挺柱式可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)如圖1-9所示，當(dāng)電磁閥關(guān)閉時(shí)，凸輪推動(dòng)第一挺柱，由于挺柱室內(nèi)的液壓油不能溢出，油壓推動(dòng)第二挺柱，使氣門工作。當(dāng)電磁閥打開，液壓油的泄漏一部分到儲(chǔ)藏室，第二挺桿推動(dòng)閥延遲閥，后期或早期的間隙，氣門升程也可以減少。這種機(jī)構(gòu)比較簡單，只需改變液壓梃柱；當(dāng)液壓油泄漏到儲(chǔ)存足夠的空間，可以完全消除氣門升程，可變?nèi)萘俊?1.4.6 其它可行機(jī)構(gòu) 除了以上五種類型的機(jī)構(gòu)，以及兩個(gè)閥為一組進(jìn)氣控制，只有兩個(gè)所有閥門完全打開，進(jìn)氣口才打開；利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪的機(jī)構(gòu)等一些其它機(jī)構(gòu)。22 有限元分析

28、2 有限元分析理論2.1 有限元?jiǎng)恿Ψ治龊喗橛邢拊治鍪抢脭?shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡單和相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。 2.1.1 有限單元法的特點(diǎn)有限單元法的基本思想是里茲法加分片近似法。將原結(jié)構(gòu)劃分為許多小塊(單元)，用這些離散單元的集合體代替原結(jié)構(gòu)，用近似函數(shù)表示單元內(nèi)的真實(shí)場變量，從面給出離散模型的數(shù)值解。由于是分片近似，可采用較簡單的函數(shù)作為近似函數(shù)，有較好的靈活性、適應(yīng)性與通用性。當(dāng)然有限單元法也有其局限性，如對于應(yīng)力集中、裂縫體分析與無限域問題等的分析都存在缺陷。為此，人們又提出一些半解析方法如有

29、限條帶法與邊界元法等。在結(jié)構(gòu)分析中，從選擇基本未知量的角度來看，有限單元法可分為三類：位移法、力法與混合法。其中位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化(力法的單元插值函數(shù)也難以尋求)，應(yīng)用范圍最廣。根據(jù)單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)方法可將有限單元法的推理途徑分為直接法、變分法、加權(quán)殘數(shù)法與能量平衡法。直接法直接進(jìn)行物理推理，物理概念清楚，易于理解，但只能用于研究較簡單單元的特性。變分法是有限單元法的主要理論基礎(chǔ)之一，泛函極值問題，既適用于形狀簡單的單元，也適用于形狀復(fù)雜的單元。使有限單元法的應(yīng)用擴(kuò)展到類型更為廣泛的工程問題當(dāng)給定的問題存在經(jīng)典變分?jǐn)⑹鰰r(shí)，這是最方便的方法當(dāng)給定問題的經(jīng)典變分原理不行時(shí)，須采用更為一般的

30、方法。如加權(quán)殘數(shù)法或能量平衡法來推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃?。加?quán)殘數(shù)法由問題的基本微分方程出發(fā)而不依賴于泛函。可處理已知基本微分方程卻找不到泛函的問題。2.2 平面結(jié)構(gòu)問題的有限元分析 2.2.1 簡單三角形單元的位移模式1.位移模式與形函數(shù)這里的位移模式相當(dāng)于里茲法中的位移試函數(shù)，不同之處在于這里僅針對單元假定位移模式，且不涉及結(jié)構(gòu)的位移邊界條件，里茲法中的基本變量是等參數(shù)，有限單元法中的基本變量則是結(jié)點(diǎn)位移。 簡單三角形單元是一種簡單方便、對邊界適應(yīng)性強(qiáng)的單元，以三角形單元的三個(gè)頂點(diǎn)為結(jié)點(diǎn)，也稱為三結(jié)點(diǎn)三角形單元。這種單元本身計(jì)算精度較低，使用時(shí)需要細(xì)分網(wǎng)格，但仍然是一種較常用的單元。2.位移模式收

31、斂性質(zhì)的分析由于假定的位移模式是近似的。而單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)以位移模式為基礎(chǔ)進(jìn)行，因此,在有限元分析中，當(dāng)單元?jiǎng)澐衷絹碓叫r(shí)，答案是收斂于精確解的位移模式，顯然是由偉大的選擇之間的關(guān)系。根據(jù)彈性力學(xué)原理，位移模式應(yīng)滿足下列收斂性條件：（1)位移模式必須包含單元的常應(yīng)變狀態(tài) 每個(gè)單元的應(yīng)變一般包括兩部分。變量應(yīng)變與常量應(yīng)變，前者隨各點(diǎn)位置不同而變化，后者則保持為常量。當(dāng)單元尺寸逐步變小時(shí)，單元中各點(diǎn)的應(yīng)變趨于相等，則恒應(yīng)變?yōu)橹饕煞郑虼?，位移模型?yīng)該能夠反映恒應(yīng)變狀態(tài)。（2）位移模式必須包含單元?jiǎng)傮w位移每個(gè)單元的位移一般包含兩部分：由本單元變形引起的和由其他單元變形引起的位移，后者屬于單元的剛

32、體位移。在結(jié)構(gòu)中的某些部分，單元位移主要由其他單位變形的剛體位移。（3）位移模式應(yīng)盡可能反映位移的連續(xù)性為了保證彈性體受力變形后仍是連續(xù)體。要求所選擇的位移模式既能使單元內(nèi)部的位移保持連續(xù)，又能使相鄰單元之間的位移保持連續(xù)。后者是指單元之間不出現(xiàn)開裂和互相侵入的現(xiàn)象。簡單三角形單元的位移模式是多項(xiàng)式，是單值連續(xù)函數(shù)，可以保證單元內(nèi)部位移的連續(xù)性。關(guān)于相鄰單元之間位移的連續(xù)性，這里只要求公共的邊界具有相同的位移。如圖2-2所示，由于i、j結(jié)點(diǎn)是公共結(jié)點(diǎn)，而位移模式是線性函數(shù)，則變形后邊界仍然是連接結(jié)點(diǎn)i和i的一根直線，不會(huì)出現(xiàn)圖2-1那種現(xiàn)象。相鄰單元之間可保證位移的連續(xù)。這里對于連續(xù)性提出的要

33、求僅涉及位移模式本身歷涉及其導(dǎo)數(shù)，稱為連續(xù)函數(shù)。經(jīng)過上面分析，簡單三角形單元選取線性位移模式能夠滿足三個(gè)收斂性條件。在有限單元法中，滿足第一和第二兩個(gè)條件的單元稱為完備單元；滿足第三個(gè)條件的單元稱為協(xié)調(diào)單元或保續(xù)單元。第一和第二兩個(gè)條件是有限單元法收斂性的必要條件，加上第三個(gè)條件構(gòu)成充要條件。 VVT零件設(shè)計(jì)3 VVT零件設(shè)計(jì)3.1 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)搖臂的設(shè)計(jì)搖臂是一個(gè)雙臂杠桿，一端通過球頭與推桿上的球座靠緊，另一端頂住氣門尾部斷面。搖臂與推桿端接觸是靠擰在搖臂中的帶球頭的調(diào)整螺釘，它還用來調(diào)整氣門間隙，然后鎖住。搖臂的作用是將凸輪的運(yùn)動(dòng)傳遞給氣門。 3.1.1 搖臂的工作原理搖臂是進(jìn)排

34、氣凸輪和進(jìn)排氣門之間的運(yùn)動(dòng)件，它是將凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成氣門的直線運(yùn)動(dòng)的中間零件。 3.1.2 搖臂的結(jié)構(gòu)氣門與凸輪軸相互之間的位置決定了搖臂的幾何尺寸。為了獲得較輕質(zhì)量剛度好的結(jié)構(gòu)，往往采用T字形的或者I字形的斷面。此處采用I字形的搖臂斷面。 3.1.3 搖臂比搖臂長短臂之比，搖臂比一般在1.6上下。搖臂的短臂推動(dòng)氣門桿尾部，它的長臂由凸輪軸接觸驅(qū)動(dòng)。 3.1.4 搖臂潤滑搖臂的潤滑是通過在搖臂上鉆油孔，讓機(jī)油從搖臂上的油道流出，從而對搖臂的兩端進(jìn)行潤滑。 3.1.5 搖臂材料的選用本次選用的搖臂的材料是QT602，搖臂與凸輪之間有相對快速且劇烈的運(yùn)動(dòng)，因此在選用搖臂的材料的時(shí)候，最應(yīng)該考慮

35、的就是搖臂的耐磨性。在考慮到這樣的情況，所以，為了使磨損對搖臂的影響到最小，應(yīng)該對其表面進(jìn)行淬火熱處理。 3.1.6 搖臂與凸輪軸間接觸應(yīng)力的計(jì)算 式中 Pe氣門桿頂面上的最大作用力（） r搖臂敲擊部分球面半徑（mm） 搖臂和氣門頂面間的許用接觸應(yīng)力： r450（/) 搖臂斷面A-A處總應(yīng)力為： = 式中 氣門上的最大作用力 氣門側(cè)搖臂計(jì)算斷面的斷面模數(shù) 氣門側(cè)搖臂斷面的面積 A1斷面重心到作用力的垂直距離 A2作用力的垂直線與計(jì)算斷面A-A的夾角 斷面BB中的總應(yīng)力： = 式中 氣門上的最大作用力 氣門側(cè)搖臂計(jì)算斷面的斷面模數(shù) 氣門側(cè)搖臂斷面的面積 B1斷面重心到作用力的垂直距離 B2作用力

36、的垂直線與計(jì)算斷面B-B的夾角; 上述應(yīng)力G的許用值G如下： 鑄鋼： G500()VVT機(jī)構(gòu)進(jìn)氣低速搖臂、進(jìn)氣高速搖臂和排氣搖臂的零件二維圖如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。 圖4-1 進(jìn)氣低速搖臂二維圖 圖4-2 進(jìn)氣高速搖臂二維圖 圖4-3 排氣門搖臂二維圖由于在VVT機(jī)構(gòu)中，對進(jìn)氣門的控制是通過切換進(jìn)氣低速和高速搖臂來實(shí)現(xiàn)的，因此此機(jī)構(gòu)選取強(qiáng)度較高的20CrMo作為搖臂材料的同時(shí)，注意了零件厚度的選擇和倒角處的圓弧過渡問題，搖臂與氣門接觸的部分采用鍍硬鉻，鍍后去氫，以保證相對運(yùn)動(dòng)中接觸處耐磨強(qiáng)度和使用壽命問題。 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)有限元分析4 摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)有限元分析4.1

37、 有限元分析模型 圖5-1 搖臂有限元網(wǎng)格模型根據(jù)設(shè)計(jì)的搖臂二維尺寸，在UG中建模并采用Parasolid格式導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys中，采用四面體單元Solid 92（單元類型為十節(jié)點(diǎn)等參元）對低速搖臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖5-2所示。4.2 未切換時(shí)低速搖臂受力最大時(shí)分析結(jié)果343.661 MPa189.146 MPa68.942 MPaa 節(jié)點(diǎn)平均應(yīng)力分布b 低速搖臂剪切應(yīng)力c 節(jié)點(diǎn)變形圖圖5-2 低速搖臂最大接觸力情況下分析結(jié)果4.3 切換時(shí)高低速搖臂接觸受力分析結(jié)果高速搖臂切換時(shí)接觸面低速搖臂切換時(shí)接觸面 113.802 MPa70.285 MPa60.112 MPa圖5

38、-3 高低速搖臂接觸面應(yīng)力109.237 MPa29.308 MPa74.096 MPaa高速搖臂應(yīng)力分布b高速搖臂剪切應(yīng)力分布圖5-4 高速搖臂切換后分析結(jié)果從分析結(jié)果來看，低速搖臂存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中的地方就是應(yīng)力最大處，是整個(gè)搖臂最危險(xiǎn)處。但是，低速搖臂的安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)的許可安全系數(shù)。為了增加搖臂的安全系數(shù)，在低速搖臂的改進(jìn)設(shè)計(jì)中對其進(jìn)行了修改，增加了工藝圓角，使之更加安全、可靠。切換成高速搖臂后，高速搖臂的應(yīng)力比較小，安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。高、低速搖臂的無論切換前后，兩者的變形量均小于原配氣機(jī)構(gòu)的搖臂變形，可認(rèn)為研制的VVT機(jī)構(gòu)剛性滿足要求。 結(jié)論 5 結(jié) 論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是參與摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)搖臂的方案設(shè)計(jì)并對摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)VVT機(jī)構(gòu)搖臂進(jìn)行有限元分析。其中分析搖臂在高低速切換時(shí)所受的沖擊力及其對搖臂和整個(gè)可變配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)的影響，分析搖臂撞擊力在高、低轉(zhuǎn)速時(shí)開關(guān)上的搖臂和可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)等影響。通過有限元對搖臂的分析來看，低速搖臂存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中的地方就是應(yīng)力最大處，是整個(gè)搖臂最危險(xiǎn)處。但是，低速搖臂的安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)的許可安全系數(shù)。為了增加搖臂的安全系數(shù)，在低速搖臂的改進(jìn)