凸轮活塞式发动机的凸轮轮廓曲线设计研究

凸轮活塞式发动机的凸轮轮廓曲线设计研究 凸轮活塞式发动机的凸轮轮廓曲线设计研 究 第6卷第3期 2008年6月 福建学院 JournalofFujianUniversityofTechnology Vo1.6No.3 Jun.2008 文章编号:1672—4348(2008】03—0271—03 凸轮活塞式发动机的凸轮轮廓曲线设计研究 林彬 (福建工程学院机电及自动化工程系,福建福州350014) 摘要:凸轮活塞式发动机的核心部件为双面空间圆柱凸轮,其轮廓曲线将影响发动机的工作性能. 设计过程中移动从动件运动规律以正弦加速度曲线为例,介绍此类发动机关键部件的设计思路,并采 用极坐标法建立凸轮理论轮廓曲线方程和实际轮廓曲线方程之间的关系. 关键词:凸轮活塞式发动机;空间圆柱凸轮;轮廓曲线设计 中图分类号:TG506文献标识码:A Designofthecamprofileforpistoncamengine LinBin (ElectromechanicalandAutomationEngineeringDepartment,FujianUniversityofTechno logy,Fuzhou350014,China) Abstract:Thecorepartofthepistoncamengineisthespatialcylindricalcamwithdualsurfaces , whoseprofileaffectstheoverallengineperformance.Asanexample,thesineacceleratingcur veis adoptedinthemotiondesignofthemovingfollowers,andthedesignmethodofthecorepartisp re— sented.Therelationbetweenthetheoreticalandpracticalcamprofilesisestablishedbyadopti ngthe polarcoordinatemethod. Keywords:pistoncamengine;spatialcylindricalcam;designofcamprofile 凸轮活塞式发动机中的核心部件为凸轮,此 凸轮为双面空间圆柱凸轮,其轮廓曲线的形状将 影响发动机的工作性能.空间凸轮轮廓曲线设计 方法有法和解析法2种?.目前主要应用解 析法,设计中理论轮廓曲线采用正弦加速度曲线, 并给出极坐标法求解凸轮实际轮廓曲线的方法. 1设计参数 在设计凸轮活塞式发动机时,发动机各气缸 的中心线均平行于功率输出轴轴线,且气缸围绕 功率输出轴轴线在圆周上均布.活塞应取双数, 双面对称布置.在设计中选取凸轮活塞发动机缸 数N=8,缸数的增加可以有效地保障发动机运行 更加平衡高效.发动机结构如图1所示?]. 1.左气缸体2,左气缸体3.右气缸体4.活塞5.右气缸体 6.飞轮7.配汽机构装配总成.凸轮9.传动系统装配总成 图1凸轮发动机结构 Fig.1Thestructureofacainengine 为了平衡凸轮活塞式发动机中活塞往复运动 的惯性,在发动机的结构设计中应使活塞对称性作 收稿日期:2007—12—19 基金项目:福建工程学院科研发展基金资助项目(GY—Z0674) 作者简介:林彬(1973一),女(汉),福建福州人,讲师. 272福建工程学院第6卷 功,故其工作循环如1所示.取凸轮轴转速 n:3000r/s,活塞行程H=60mm.取发动机中 的行程缸径比S/D?1.2,则气缸直径D= 50mm. 表1凸轮活塞式发动机的工作循环 Tab.1Workingcycleofcampistonengine 从动件运动规律选为正弦加速度曲线,其运 动方程式如下.H: 推程: 回程 -s=(一1sin2frO/ : (--c.s)? 一耵 5:(1一0+1s-n2卢frO/, 一 (,.s) 一耵 其中,h为从动件最大位移,为活塞行程60mm; JB为凸轮推程运动角,由此发动机的工作循环得 JB:,tr/2;为凸轮回程运动角,由此发动机的工 作循环得JB:,tr/2;0为凸轮转角;or为最大压力 角,要求?30.,取=30.. 由于所设计的凸轮为空问凸轮——端面凸 轮,则凸轮的节圆半径R= 】 式中,,为凸轮尺寸系数.因所选运动规律为正弦 ,'[3]1641,'.L 加速度曲线,则,tg, 由此得 tg-_,mm1 由上面的设计参数可算得R=66.16mm,设计时 取为66mm. 2理论轮廓曲线设计 凸轮活塞式发动机中凸轮机构形式为移动从 动件圆柱凸轮的一种形式,其推程理论轮廓曲线 方程.]165为 ? 回程理论轮廓曲线方程.?6为 ? 由已知从动件行程h即为活塞行程60mm, 角速度(cJ=2T~II:lOOrr(rad/s) ,而由该发动机 的工作循环得到推程运动角卢=rr/2,回程运动 角JB=rr/2.则推程时理论轮廓曲线方程为 . =660 i6.一 (一) 回程时理论轮廓曲线方程为 一 =66rr+660 Y_60(一~i2n耵_40/, 3凸轮实际轮廓曲线方程 由于设计的凸轮为空间双面圆柱凸轮,其实 际轮廓曲线为空间曲线,用极坐标法计算凸轮实 际轮廓曲线方程,这样可以方便地得到理论轮廓 曲线和实际轮廓曲线之间的关系. 以S=.厂(0)表示从动件的推程运动规律和 回程运动规律.滚子中心轨迹为移动凸轮的理论 廓线,实际轮廓曲线向径r宴:r.一rTn,其中,r为 理论轮廓曲线向径;rT为滚子半径;n为凸轮廓线 单位法向切向量. 理论轮廓曲线方程用向径表示 r.=.i+Y(7) 3.1推程实际轮廓曲线 在理论轮廓曲线方程(5)中,令S=.厂(0),则 f():一—120co—s40 ,凸轮理论轮廓曲线向径 第3期林彬:凸轮活塞式发动机的凸轮轮廓曲线设计研究273 (7)相应的表示为r=ROi+O)j,切向量r= Rpi+厂(),则凸轮理论轮廓曲线上对应点的单 位切向量和单位法向量分别为 一? ITI一 f(0)i—R. (8) (9) 由式(7),(8),(9)得到凸轮实际轮廓曲线方 程r实=r.一rTn= "f(O)j-rrd(f0R(10).())+ 即 RpO-rT" 】…) 由式(7)和(11)得到实际轮廓曲线方程的用 直角坐标形式表示的表达式 -rT 删 3.2回程实际轮廓曲线 在理论轮廓曲线方程(6)中,同样令S= ),则厂():一120120cos40 ,凸轮理论轮廓 曲线向径(7)相应的表示为r=(盯R+R0)i+ (-f()),切向量r=Ri—f(o)j,则凸轮理 论轮廓曲线上对应点的单位切向量和单位法向量 rRi—f(o)j(13) n: 二墨(?14)=一'.J ~/(厂(0))+R; 则由式(7),(13),(14)得到凸轮实际轮廓曲线方 程 实=r一rTn=(盯RP+RP0)i+ (一))一r(-5) 即 ~Rp+RpO+rv爿 [一)+r_=】(16) 由式(7)和(16)得到实际轮廓曲线方程的直 角坐标表达式 fc盯R+R+ c =一 )+r (17) 当从动件运动规律选为正弦加速度曲线(5) 和(6)时,可以方便地由式(12)和(17)得到凸轮 的实际轮廓曲线的直角坐标表达式. 4结论 在设计凸轮活塞式发动机的核心部件双面空 间圆柱凸轮轮廓曲线时,移动从动件运动规律选 为正弦加速度曲线,给出具体的结构设计方法. 采用极坐标法建立凸轮理论轮廓曲线方程和实际 轮廓曲线方程之问的关系,为进一步分析和优化 凸轮性能提供了坪论基础 参考文献: [1]陈有方,李朝晖,张勇,等.凸轮活塞式发动机[J].I~lJll兵工,2003,24(2):14—15. [2]吴兆汉,汪长民,林桐藩,等.内燃机设计[M].北京:北京理工大学出版社,1990,35 —36 [3]朱孝录.中国机械设计大典[M].南昌:江西科学技术出版社,2001. (责任编辑:林仁铨)