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1、本科学生毕业设计基于PRO/E的进排气阀门的运动仿真分析全套CAD图纸，联系 153893706 院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机械08级3班 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲师 二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeMovement Simulation of Input Air and Outputair Valve of Engine based on Pro/eCandidate：Specialty：MechanicalDesign ManufacturingandAutomationClass：08-3Superv
2、isor：Lecturer Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin摘 要配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。本文对配气机构给零件形状、尺寸进行了设计，并且应用pro-enginee
3、r进行了实体建模，得到了配气机构的三维装配图。再将配气机构模型导入ADAMS软件进行约束的建立以及驱动的添加，使得配气机构能够在ADAMS软件中进行仿真，从而得到各种数据曲线对整个机构的性能进行分析，根据各种数据分析得到配气机构的最优设计。关键词：内燃机；配气机构；虚拟样机技术；建模；仿真 ABSTRACTThe valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting
4、the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engines high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high s
5、peed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design. Simulation calculation and experimentation res
6、earch are two important ways to carry out research and development on valve train of internal-combustion engine. This thesis devise the parts shape and dimension for the valve train, obtain the 3D assembly diagram base on model entities by pro-engineer. Importing the valve train to ADAMS software, t
7、hen creating the constraints and adding drives. Sequentially, analyze the whole organization performance, after get the various data curve from valve train be capable simulation in ADAMS software. Finally, obtain the optimum design of valve train according to various data analysis. Key words: Intern
8、al combustion engine; Valve train VPT; Virtual prototyping technology; Modeling; Simulation目 录 摘要Abstract 第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义1 1.1.1 设计的目的 1 1.1.2 设计的意义 11.2 柴油机配气机构现状11.3 设计内容21.4 用计算机辅助配气机构设计分析31.5本文研究内容3第2章 配气机构零部件设计52.1气门5 2.1.1 气门设计的基本要求 5 2.1.2气门的工作条件分析及材料的选择 5 2.1.3 气门头的设计 6 2.1.4气门杆的设计 7 2
9、.1.5 气门的主要损坏形式和预防措施 82.2气门弹簧的设计9 2.2.1 气门弹簧的设计要求 9 2.2.2弹簧介绍 9 2.2.3 气门弹簧的有关计算112.3摇臂的设计13 2.3.1 摇臂的工作原理13 2.3.2摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算14 2.4推杆的设计14 2.4.1 推杆的功能结构形式14 2.4.2尺寸设计14 2.5 挺柱的设计16 2.5.1 挺柱的结构16 2.5.2平面挺柱导向面与导向孔之间的挤压应力的计算16 2.5.3 平面挺柱的最大速度16 2.5.4凸轮与挺柱间接触应力的计算17 2.6凸轮的设计182.7 凸轮轴的设计19 2.7.1 凸轮轴基本
10、要求19 2.7.2凸轮轴计算20 2.8本章小结21第3章Pro-engineer和Adams软件理论基础233.1虚拟样机技术介绍233.2虚拟样机强有力的工具243.3 用Proe和Adams开发虚拟样机的主要流程243.4 多体动力学253.5本章小结28第4章 建模与仿真294.1 Proe实体建模294.2建立Proe装配图324.3将装配图导入Adams344.4配气机构多体动力学仿真结果及分析354.5本章小结42结论43参考文献 44致谢46第1章 绪 论1.1 课题研究的目的和意义1.1.1设计的目的建立在计算机实体建模及可视化基础上的虚拟样机技术是应用于现代工程设计领域的
11、数字化设计及分析工具。应用计算机技术对柴油机配气机构进行仿真分析，从而得到发动机在供作时，配气机构中个零件的参数。为配气机构的设计提供便利。1.1.2设计的意义气门机构是发动机进/排气系统的重要组成部分。同时，进排气阀门噪声也是发动机噪声的主要来源之一。随着发动机转速不断提高以及广泛采用的多气门方案都可能导致发动机进排气阀门噪声的增加。在发动机噪声法规的日益严格的今天，对发动机进排气阀门的运动分析是很有意义的。计算机辅助设计也是意义重大。现代社会分工中，设计工作是一项各行业都需要的重要工作，其对行业的发展、各项工作的开展都有着重要的积极。服装设计、机械设计、工程设计、汽车设计、图形图像设计等已
12、经成为了行业工作所必须的工作。计算机辅助系统的出现为设计人员的工作带来了巨大的变化，其极大的缓解了传统手工制图设计存在的劳动量大、不易修改等缺点，促进了设计工作的改革以及工作效率的提高。科学的分析计算机辅助设计对设计工作的重要意义有助于相关软件企业针对行业应用细化计算机辅助设计系统，为设计工作提供更加便捷、稳定的辅助设计系统。1.2柴油机配气机构现状过去的配气机构设计，只单一研究凸轮，而没有考虑其他零部件产生的影响。由于配气机构是一个弹性系统，它由许许多多的零部件所组成，往往一个成功柴油机所采用的凸轮应用于其他类型的柴油机上不一定效果会好，凸轮必须和整个配气机构系统结合在一起进行考虑，良好的凸
13、轮设计也必须与系统的其他零部件正确匹配，才能达到希望的效果图14。 为了准确研究配气机构的动态性能，了解气门的实际运动规律，在机构动力学仿真分析方面，目前已采用了多种 分析模型。其中比较基础的是单自由度质量模型。它是将机构简化成由一个质点、弹簧及阻尼器组成的系统，它把机构的质量简化到一个质点上，把机构的弹性等加到一个等刚度无质量的弹簧上，阻尼等效到阻尼器上，该模型具有简单、方便等特点，可以满足一般的低、中速柴油机的要求，但由于把质量和刚度都等效到一个点上，不能求出机构各部件的运动和受力情况，不能判断机构零件之间是否发生飞脱，也无法得知弹簧的振动情况。为了克服单自由度模型存在的不足，发展了多自由
14、度质量模型。多自由度质量模型具有比单自由度质量模型更为真实反映实际机构状况的优点，利用多自由度质量模型能精确地研究各传动部件的运动规律和受力情况，也能分析气门弹簧的振动情况510。对于多自由度质量模型，最主要的问题是计算的复杂性，随着计算机技术的发展和广泛应用，各种商业配气机构软件的推广，多自由度质量模型已逐渐成为配气机构动力学建模的主要方式。20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。19401950年航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。1960年计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。采用仿真技术，可以在计算
15、机内对内燃机产品的部件装配并进行机构运动仿真，由仿真运行可校核部件运动轨迹，及时发现运动中部件干涉隐患；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。通过几个五年计划的努力，我国仿真技术得到了快速发展，并取得了突破性成果。在国防工业领域，建成了不同类型的半实物仿真系统。在军事领域建立了指挥、作战、训练的仿真系统及半实物仿真试验室。我国的多媒体仿真技术正处于起步和发展时期，清华大学、北京大学、华中理工大学和一些部队院校已开始了有关这方面的研究。目前，国内大学和企业己进行了机构运动、动力学仿真方面
16、的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据。1.3设计内容气门-凸轮式配气是目前内燃机上应用最广泛的配气形式 ,本文采用的柴油机配气机构为下置凸轮轴式、滚轮随动件、叉型摇臂双气门配气机构，主要由凸轮轴、滚轮、推杆、挺柱、摇臂、气门垫块、气门、气门座等部件组成。用Pro/E软件对配气机构各零部件进行立体建模，根据各零部件之间的位置和约束关系建立起配气机构的装配模型。考虑到该模型进行仿真分析时的可视化效果，各机构模型均按照实际结构建立。各零部件的质量、转动惯量、质心位置等物理特性参数均由三维CAD软件Pro/E精
17、确计算得到1114。再将模型导入ADAMS软件进行多体动力学计算，MSC.ADAMS采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程。对于刚体i,采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，接着建立约束方程和作用力方程 ,并将它们都写成广义坐标的表达式，最后用拉格朗日乘子法建立系统的运动微分方程1518。1.4用计算机辅助配气机构设计分析在静态优化设计中，将配气机构看作绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形，用该方法设计凸轮型线，主要用以下三项指标来判别其好坏：（1）静态充气性能。通常用挺柱升程、丰满系数和时面值来表示，希望
18、此值越大越好。（2）静态加速度峰值。即挺柱的最大正负加速度值。其绝对值越小，凸轮轴的高速动态性能越好。（3）轮廓面最小曲率半径或凸轮与挺柱表面的接触应力。设计凸轮时，应避免凸轮曲率半径过小，否则会导致接触应力过大，使凸轮出现过早磨损。用静态优化设计的凸轮，虽然加速度曲线不连续，配气机构惯性力可能会产生突变，时面值较大。但当柴油机转速上升时，配气机构的弹性变形会引起气门的剧烈振动，严重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动、噪声和零件间的磨损，还会使充气效率下降，为了解决静态设计的不足，人们提出了动态设计的方法1925。在动态设计中，考虑到系统的弹性变形，气门在工作中会
19、产生振动，影响配气机构动力性能和平稳性，因此必须对配气机构在工作中的动态特性进行评估。在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线：（1）气门的动态加速度峰值：根据单质点振动模型或多质点振动模型计算出最大加速度峰值和第一个负加速度峰谷，以及落座后的气门动态响应。（2）动态充气性能：考虑进排气管压力波动、多缸机各缸的进气不均现象及配气相位对充气性能的影响。随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，一是当转速提高，吸气冲程时间缩短，进排气管压力波的动态响应增大；另外一方面气门发生脱离和反跳，破坏了正常的静态充气性能。
20、（3）挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况2630。1.5 本文研究内容本文主要对配气机构的个零件的形状和尺寸进行设计，得到个零件图的详细尺寸，再通过计算机软件即Pro-engineer进行三维的实体建模，得到个零件的三维图，将各个零件装配到一起，得到配气机构的装配图。通过三维转配模型导入ADAMS软件，通过ADAMS软件对配气机构进行仿真分析。主要内容如下：（1）通过对配气机构的运动学与动力学的分析与计算、配气机构杆构受力的分析与计算，建立S195型柴油机曲轴连杆机构的数学模型。（2）根据设计要求运用Pro/e三维绘图软件在计算机内建立准确的轴系各构件的实体模型，主要包括凸
21、轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门等。（3）对S195型柴油机曲轴连杆机构模型运用ADAMS多体动力学软件进行动态仿真。（4）根据仿真导出数据曲线，对曲线进行分析。 第2章 配气机构零部件设计2.1气门2.1.1气门设计的基本要求（1）材料方面气门的工作温度是确定气门材料的主要因素。在气门工作温度范围内材料应具有足够的强度。韧性和表面硬度。由于排气呢锥面磨损常为腐蚀磨损，因此在选择材料时候必须考虑化学腐蚀（主要是硫和磷）的性能。进气门锥面多属磨损摩擦，因此进气门侧重耐磨。（2）结构方面要求结构简单、加工方便，且颈部形状也要恰当，以便减少气体的流动阻力，增加其进气冲量。在保证足够的强度、刚度和耐磨性的
22、前提下的重量选择。2.1.2气门的工作条件分析及材料的选择 气门室发动机的重要零件之一。工作时需要承受较高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门，由于经常高温燃气的冲刷，因而易于产生漏气。腐蚀与烧损等现象，工作条件也更为严酷。气门工作时承受落座冲击负荷及燃气压力给以的静负荷，这种静负荷一般在4左右，而冲击负荷一般为11.6左右；气门的工作温度：进气门约为200450，而排气门则可达650850，甚至更高，下面是195 柴油机的排气门的温度场。 气门材料的选择必须考利到它的工作温度、腐蚀、冲击载荷以及气门杆部与端面的耐磨等因素。而且进、排气门的对材料的要求也是不同。就S195发动机的选材：进气门的材料
23、用40Cr；排气门的材料用40Cr9Si2。气门选择材料的方法： （1）马氏体钢 一般气门中采用铁素体合金钢，含碳量在0.350.80%之间，经淬火后可得到马氏体组织以上耐磨的要求，这种材料的机械性能加工性好，滑动性好，在工作温度超过650的排气门上广泛应用，如4crsi2、4Cr、10Si2Mn等。但在强化程度较高的发动机上，由于热负荷和机械负荷高，因而对气门锥面的耐磨、耐腐蚀性能提出更高的要求，这时，可采用堆焊气门，这是一种头部采用奥氏体钢，杆部采用马氏体钢的气门。可用摩擦焊或闪光焊来堆焊。堆焊气门设计的关键是正确地焊接部位。应从以下两个方面来考虑：首先界面处应在气门头部应力区之外并离颈部
24、顶圆弧中点附近的热点较远；其次耐热性较差的杆部材料不要受到高温燃气的侵蚀；焊接的部位以选在气门全开时界面与导管下端相齐或略高为宜。（2）奥氏体钢 这类钢在常温和工作温度下基本上全是奥氏体组织，不能淬硬。它的高温强度好，耐腐蚀性好、奥氏体钢用做高功率柴油机的排气门，其最高工作温度允许达870。国产奥氏体钢4Cr14NiW2Mo广泛用作机车和大型载重汽车的柴油机排气门。2.1.3气门头的设计 （1）气门头部的形状 气门头部的形状除了影响气体的流通特性之外，还会影响到气门的刚度、重量、导热性能以及制造成本等，同时也关系到气门的使用期限。因此根据不同发动机的不同情况进行具体的分析，然后确定合理的方法。
25、根据195柴油发动机的结构采用平底型气门。因为这种气门的结构简单、工艺性好、受热面小，具有一定的刚度， 图2.1平底型气门基本上式满足进排去的要求。这种型号在各类柴油机得到了广泛的运用。图2.1是平底型气门的示意图。（2）气门头部的直径 增大进、排气流通截面是减少进、排气阻力，提高进气量的途径，同时气门头部直径的选择还要考虑到燃烧室的形状，气缸盖进、排气门的布置，气道之间冷却水套的设计以及气门受热和冷却的均匀性等因素。综上的条件195柴油发动机的进、排气门的直径都取36mm。（2）气门锥面斜角 在气门开启初期及接近关闭时，气门锥面斜角的大小对于气体的流通断面有较大的影响。这时的流通断面大致与斜
26、角的余弦成正比。此外，气门与气门座之间的单位压力随斜角的增加而增大，而气门与气门座之间的相对滑移则随斜角的减小人减小，因此气门的确定必须根据发动机的综合情况而定，对于195柴油发动机的气门斜角都是45。（4）气门头部厚度及锥面宽度 气门头部厚度的设计，主要是从气门的刚度来考虑，气门在燃烧压力的作用下会引起变形，变形过大会使气门的密封性下降，锥面磨损加剧。由于头部厚度对气门的刚度影响比颈部圆弧要大得多，因此当需要增加气门刚度时首先考虑增加头部的厚度。如果还受到气门质量的限制，则常用适当减小颈部圆弧半径来得到弥补。厚度与气门头部的外径有一定的比例，一般 （2.1）式中，为气门头部锥面厚度，为气门头
27、部外圆直径。S195柴油机气门的头部厚度：取4.0mm。气门锥面的宽度与厚度有关，一般当时： （2.2）式中，为气门锥面的宽度。对于S195柴油机的气门锥面宽度mm。取为4.0mm注意提醒的是，并不是所有的b都参与了密封，真正起到密封的是一条位于宽度b中间附近的密封带，密封带的宽度b小得多，气门的大部分热量是通过这条密封带传出去的，密封带较宽则传热的效果就较好，气门的工作温度就较低，但气门的密封性就较差。反之，密封带太窄，虽然密封性较好，但散热不良，且接触压力较大，会加速气门的磨损，因此需综合这两个方面的因素来选取气门密封带的宽度，其宽度一般取1.53.0, S195柴油机的密封带宽度，经过查
28、表是2.3mm。2.1.4气门杆的设计（1）气门杆的结构 气门杆通常是做成实心的，但是为了减轻质量，对于高速发动机，它的温度很高，将气门杆做成空心，并在排气门的杆内充油金属钠进行冷却以降低热负荷，对也S195柴油机为了考虑到它的成本问题，就直接将它设计成实心气门杆。（2）气门杆颈气门杆的颈部选择决定也排气所需的耐久性，增加杆的颈部有利于气门的热量逸散。杆的颈部选择还决定于它在导管中运动时侧向力的大小。气门通过凸轮挺柱和摇臂来驱动时，杆部受到的侧向力就比较小。气门杆的颈部增大也会引起质量的增加，工作时的惯性力增加，落座时冲击负荷增加的一系列问题。根据经验公式，气门杆的颈部可取头部外径的（1625
29、）%。考虑到加工和维修的方便，一般进排气门杆的颈部取相等。195柴油机的气门杆的直径： mm。 （2.3）根据195型柴油机选取气门杆直径 mm。（3）气门杆长度气门杆长度决定于气缸盖和气门弹簧的设计，一般总希望短些，以便降低发动机的总高度，减小气门的质量，通常 （2.4）S195柴油机的 mm。（4）气门杆表面的热处理工艺 要经过淬火处理，要求的硬度不小于HRC50。才能满足其工作条件。（5）气门杆与弹簧的锁紧为了防止气门弹簧和气门锁夹断裂时气门落入气缸而引起严重的事故，可以在气门锁夹槽的下部增加一段凹槽，然后嵌入弹簧圈，凹槽的位置应能保证气门的下落量只比气门最大升程大12mm就可以。如图2
30、.2柴油机的锁紧的组合图。1- 气门 2 气门锁夹 3弹簧座 4气门弹簧 图2.2气门弹簧锁紧图2.1.5气门的主要损坏形式和预防措施 （1）排气门的烧损原因a. 材料的高温耐蚀性不够。b. 燃烧残渣沉积在锥面，不能自行排出，使气门与气门座之间的导热性变坏，造成锥面局部温度升高，促使气门材料烧损。c. 气门座由于热应力或装配不当产生扭曲，在高温和气体压力作用下气门头部变形，因而造成气门漏气。2.预防的措施：a. 选择在高温下耐腐蚀性好的材料。应考虑柴油中含硫、重油中含钒的影响。b. 在气门锥面堆焊基合金。c. 适当的增加气门头部厚度，借以减少气门在工作时的变形和在头部边缘的热积 蓄。d. 改善
31、冷却水道的布置，适当的增加气门座圈的接触高度，以利充分散热，降低气门的工作温度。e. 采用气门选装机构。2.2气门弹簧的设计2.2.1气门弹簧的设计要求要使气门在气门座上严密的配合和在挺柱沿着基圆运动的整个周期内保持气门关闭状态密封；在挺柱带有负加速度时，在气门、挺柱和凸轮要保证不变的运动学关系。要保证气门严密配合： （2.5）式中，是在气门关闭时最小的弹簧力，为喉口的面积，及是排气管的压力和在进气时气缸内的压力，柴油机的压差为0.020.03MPa。 在气门机构零件之间运动学的关系保证在： （2.6）式中，K为储备系数（对柴油机机械离心式调速器时，取K=1.281.5,对化油器式发动机取K=
32、1.331.66；是在挺柱有负加速运动时，换算到气门一边的机构惯性力。2.2.2弹簧介绍（1）气门弹簧的作用气门关闭时，确保气门和气门座的闭合密封,气门开启时，使气门准确的随凸轮运动。（2）气门弹簧的工作条件气门弹簧承受高频交变载荷，工况恶劣，故需精心设计，才能使其长期可靠地工作。气门弹簧一旦断裂会造成严重的发动机事故。气门弹簧的设计常常受到尺寸上的限制，因此气门弹簧应有合理的结构与尺寸，弹簧材料应有较高的疲劳强度，制造上应保证一定的精度并尽力避免各种缺陷。（3）气门弹簧的结构气门弹簧通常采用圆柱螺旋压缩弹簧。目前在大多数柴油机上都是一个气门装两个气门弹簧，它既可充分利用空间，减小弹簧高度尺寸
33、，又易保证弹簧所需要的弹簧力，并且在一个弹簧万一断裂时，也有可能在一定时间内防止气门落入气缸。采用双弹簧时，内、外弹簧的螺旋方向应相反。此外，由于两个弹簧的自振率不相同，可以相反阻尼作用，从而减少共振危险。气门弹簧钢丝直径大多在（2.55.55）mm范围内，弹簧旋绕比 一般为69（为弹簧的中径）。 （4）气门弹簧的选材 气门弹簧在应的工作温度下承受交变载荷，为使弹簧能长期的可靠工作，要求弹簧材料不仅具有良好的机械性能，而且应有足够的抗应力温度松弛的能力，在工作中不致产生过大的弹力消失现象。一般认为弹簧力小于名义值的85%以下时，弹簧就已经失效，不能继续使用，这是决定弹簧使用期限的一个重要因素，
34、在弹簧设计时应根据弹簧的工作温度和应力大小合理的选择弹簧材料。气门弹簧材料一般为碳素弹簧钢丝（I、II、III组）、65mn和50CrVA弹簧钢丝等。 碳素弹簧钢丝有冷拉和油催化回火两种状态。对于195B柴油机的气门弹簧用的就是冷拉钢丝。因为冷拉钢丝有较高的抗拉强度（钢丝的直径越小，强度就越高），成本低廉，但是抗应力温度松弛能力较差，使用与中等负荷的发动机使用，对于油淬火钢丝的强度与钢丝直径关系不大，与冷拉钢丝相比较，直径在3mm左右的钢丝，它们的弹性极限大致相同，小于此直径的，冷拉钢丝强度高，反之，油催化回火钢丝强度高。油淬火回火钢丝的优点在于热稳定性较好，可适应用较高工作温度。对于各种弹簧
35、材料适用的最高工作温度见表2.2.1。表 2.1 各弹簧材料最高工作温度表材料最高工作温度（）碳素弹簧钢丝和65Mn弹簧钢丝120油淬火回火碳素弹簧钢丝15050CrVA弹簧钢丝210（5）气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线的配合在设计时首先作出气门升程曲线和发动机最高转速时的加速度曲线，将加速度的坐标乘以配气机构在气门端的总当量质量即得到气门惯性力曲线（实际惯性力应与加速度方向相反）、由气门运动规律测试表明，实际的气门惯性力变化如下图虚线所示的情况，在从正惯性力过渡到负惯性力的波动最大，最易发生系统的脱落，弹簧力应超过气门系数振动时的惯性力，并且有一定的余量。在初步选定了和后，在气门升程曲线右
36、方作出弹簧曲线方程，并在方程曲线上的C1、C2、C3 、C0等点处引水平线和垂直线，将水平线上截得的弹簧长度量到对应的垂直线上，在惯性力图上（图2.3） 得到弹簧力曲线，弹簧力至少要比惯性力大30%，在惯性力从正变负区域弹簧力的储备量还应更大一些，此时可对、作出适当的调整，以来满足要求。 图2.3弹簧惯性力2.2.3气门弹簧的有关计算已知：凸轮轴的转速，和凸轮轴的角速，进气门的最大升程，进气门喉口直径，圆弧凸轮线的尺寸： ，摇臂的尺寸：， 挺柱的升程、速度和加速度曲线图。弹簧的材料采用弹簧钢，=35，。弹簧的最大弹力 （2.7）式中 ，为单面气门机构总重量，为挺柱升程,为摇臂比,为凸轮轴角速度
37、。弹簧最小的弹力： =149N （2.8）弹簧预压缩变形量： =17.25mm （2.9）式中，为凸轮基圆半径，为凸轮顶部半径。内、外弹簧之间的负荷分配：内弹簧： （2.10） 式中，为内弹簧最大压力，为内弹簧最小压力。 外弹簧： （2.11）式中，为外弹簧最大压力，为外弹簧最小压力。弹簧的尺寸： a、弹簧钢丝直径 ：外弹簧钢丝直径，内弹簧钢丝直径。 b、弹簧的平均直径：外弹簧平均直径，内弹簧平均直径。 c、弹簧的工作圈数： （2.12）式中，G=8.3是钢丝剪切弹性模量，为弹簧直径，为最大变形量。 d、弹簧总圈数: （2.13） e、气门全开时弹簧的长度: （2.14） f、 自由弹簧的长度
38、：mmmm （2.15）2.3摇臂的设计2.3.1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。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。195柴油机采用的就是T字型摇臂断面。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，短臂端的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的凹球端头接触，根据195柴油机的外形结构确定其摇臂比为46/32=1.44。摇臂润滑：摇臂依靠摇臂轴支撑在摇臂支座上，摇臂钻有油孔，摇臂
39、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。摇臂的定位：摇臂轴上两摇臂间装有摇臂弹簧，防止摇臂轴向窜动，从而保证各摇臂相对气门杆的确定位置。在195柴油机上，采用的是用摇臂支座将两个摇臂分开，并且在两边缘处用卡簧将其锁紧。摇臂的材料：所采用的材料是QT602摇臂在与气门的尾部接触时既有滚动又有滑动，所以对材料的要求是要耐磨，为了防止磨损影响正常的配气相位，故该表面要求淬火热处理的工艺。2.3.2摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算 （2.16）式中，为气门杆顶面上的最大作用力，为摇臂敲击部分的球面半径；摇臂与气门顶面间的许用接触应力：。摇
40、臂断面总应力为： =400 （2.17）式中，为气门上的最大作用力，为气门侧摇臂计算断面的断面模数，气门侧摇臂断面的面积。上述应力的许用值如下：铸铁，锻造碳钢，锻造合金钢：，铸钢：，轻合金：。对于195柴油机选择。2.4推杆的设计2.4.1推杆的功能结构形式 推杆是把凸轮的运动从凸轮轴传至顶置气门处，完成发动机的配气。推杆是一个细长杆材料为45号钢，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S195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。2.4.2尺寸设计根据195柴油机的结构，拟取它的长度设计为291mm ，外径9mm，球头半径4.5mm。（1）推杆校核推杆的纵向弯曲按下列计算： （2.18
