4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

賀大松，唐斌

( 1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；2.四川宜賓天工機(jī)械股份有限公司，四川 宜賓 644600）

引言

隨著汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求。配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、 噪聲、排放指標(biāo)和使用壽命。旗下的一款柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。其配氣機(jī)構(gòu)采用下置式凸輪軸，凸輪軸到搖臂傳動(dòng)距離較遠(yuǎn)，氣門與搖臂之間保留了氣門間隙。在冷機(jī)工作時(shí)，搖臂和氣門之間產(chǎn)生敲擊聲，工作一定時(shí)間后零件會(huì)逐步磨損，氣門間隙增大，噪聲增大。本文首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中搖臂、鎖緊螺母、搖臂螺釘?shù)鹊闹饕悴考M(jìn)行測(cè)量，確定基本設(shè)計(jì)參數(shù)； 結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等資料，對(duì)液壓挺桿的尺寸、材料、受力和潤滑進(jìn)行精確設(shè)計(jì)計(jì)算；最后將所設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行總體裝配，避免了搖臂和氣門之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞和敲擊，減小了噪聲，在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

1 4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)

1.1 4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)前結(jié)構(gòu)

4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用在國內(nèi)福田、長城、江鈴、成發(fā)等汽車上。它采用氣門頂置式、凸輪軸下置式配氣機(jī)構(gòu)，是目前應(yīng)用最廣泛的一種配氣機(jī)構(gòu)。進(jìn)氣門和排氣門都倒掛在氣缸蓋上。其氣門組包括氣門、氣門導(dǎo)管、氣門座、彈簧座、氣門彈簧、鎖片等零件；其氣門傳動(dòng)組由搖臂、搖臂軸、推桿、挺柱、凸輪軸和正時(shí)齒輪組成。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱脹冷縮的原因，搖臂與氣門之間在冷態(tài)時(shí)留有約0.2-0.3mm左右的氣門間隙，搖臂與氣門之間的間隙依靠搖臂螺釘調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)前結(jié)構(gòu)圖

1.2 存在的問題

這種機(jī)構(gòu)存在如下兩方面缺點(diǎn)：一是由于存在氣門間隙，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)工作時(shí)，搖臂和氣門之間產(chǎn)生敲擊聲，即噪聲，對(duì)乘客和環(huán)境產(chǎn)生影響。二是發(fā)動(dòng)機(jī)工作一定時(shí)間后，傳動(dòng)零件會(huì)逐步磨損，氣門間隙增大，噪聲增大。為了調(diào)整氣門間隙，配氣機(jī)構(gòu)在裝配及維修過程中，需打開氣缸蓋罩手工調(diào)整氣門間隙，存在操作不便。

2 液壓挺桿結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 液壓挺桿結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)

液壓挺桿結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓挺桿結(jié)構(gòu)圖。主要由殼體、柱塞、單向閥、單向閥彈簧及回位彈簧等零件組成。單向閥位于柱塞下端，將產(chǎn)品分隔為上、下兩個(gè)工作腔，上腔為低壓腔，與發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)相通；下腔為封閉的高壓腔。

圖2 液壓挺桿結(jié)構(gòu)圖

2.2 液壓挺桿工作原理

液壓挺桿工作原理如圖2所示。當(dāng)凸輪在升程階段壓縮柱塞時(shí)，單向閥關(guān)閉，從殼體與柱塞按偶件選配的配合間隙中壓出極少量油液，這時(shí)液壓挺桿可近似被看作一個(gè)不被壓縮的剛體，在“剛體”的支撐作用下，搖臂另一端打開進(jìn)、排氣門。在凸輪的回程階段，柱塞在回位彈簧作用下恢復(fù)上升，氣門在氣門彈簧的作用下自動(dòng)關(guān)閉，完成一個(gè)工作循環(huán)，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)氣門間隙的目的。當(dāng)配氣機(jī)構(gòu)長期工作發(fā)生磨損，產(chǎn)生間隙，柱塞可以自由伸縮，補(bǔ)償間隙，始終確保氣門間隙為零間隙，免去了需經(jīng)常打開缸罩調(diào)整氣門間隙的麻煩。

3 4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)思路

為克服上述缺點(diǎn)，擬對(duì)原機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：取消搖臂調(diào)整螺釘，將搖臂調(diào)整螺釘改進(jìn)設(shè)計(jì)為液壓挺桿；采用搖臂插入式結(jié)構(gòu)，在搖臂原調(diào)整螺釘?shù)陌惭b位置增加一個(gè)孔，將液壓挺桿插裝在搖臂孔內(nèi)。利用液壓挺桿的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和工作原理，自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制氣門間隙為零間隙，避免搖臂和氣門之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞和敲擊，減小噪聲。

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)原則

改進(jìn)設(shè)計(jì)為液壓挺桿滿足如下幾方面原則：

1）保證配氣機(jī)構(gòu)尺寸鏈的傳遞關(guān)系總體不變，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能不變。即圖1中搖臂中心孔到螺釘下端面的中心位置 5.5mm與推桿總長度 234mm的和不變（5.5+234=239.5 mm）；

2）液壓挺桿的工作行程滿足配氣機(jī)構(gòu)尺寸鏈的制造誤差需要；

3）保證液壓挺桿的強(qiáng)度足夠，不斷裂、不磨損；

4）保證搖臂新增加的液壓挺桿安裝孔強(qiáng)度足夠，不破裂失效，邊緣不干涉缸罩；

5）發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)向液壓挺桿供油。

3.3 改進(jìn)設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果

利用液壓挺桿，自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制氣門間隙為零間隙，避免搖臂和氣門之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞和敲擊，減小噪聲。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的總體結(jié)構(gòu)及尺寸圖

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)過程

4.1 總體設(shè)計(jì)

考慮到搖臂強(qiáng)度及液壓挺桿的基本安裝長度，將中心位置5.5mm調(diào)整為7mm，即增加1.5mm。因此推桿在原來基礎(chǔ)上減短1.5mm，即由234調(diào)整為232.5mm，以保持配氣機(jī)構(gòu)尺寸鏈總體不變（7+232.5=239.5）。同時(shí)，保持搖臂比（力臂比例關(guān)系）不變，即 38.5/28不變。配氣機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

4.2 液壓挺桿設(shè)計(jì)

（1）主要尺寸設(shè)計(jì)

液壓挺桿主要尺寸設(shè)計(jì)如圖4所示。

考慮到液壓挺桿的基本特性，凸輪在基圓狀態(tài)時(shí)挺桿的理論安裝長度按30.5mm設(shè)計(jì)，外徑φ11.2mm；經(jīng)計(jì)算，配氣機(jī)構(gòu)尺寸鏈累計(jì)加工誤差約 1mm左右。因此，液壓挺桿的調(diào)節(jié)行程按 3mm（±1.5）設(shè)計(jì)，足可滿足和彌補(bǔ)配氣機(jī)構(gòu)加工誤差及今后長期工作發(fā)生的磨損需要。則液壓挺桿的：初始長度=30.5+1.5=32mm；壓縮長度=30.5-1.5=29mm。

圖4 液壓挺桿基本尺寸圖

（2）回位彈簧參數(shù)設(shè)計(jì)

回位彈簧是液壓挺桿關(guān)鍵零件，結(jié)合本產(chǎn)品實(shí)際和以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，保證P1值一般為10N左右，P2值一般為25N左右。說明：

P1—挺桿在初始長度時(shí)的負(fù)荷，N；

P2—挺桿在壓縮長度時(shí)的負(fù)荷，N。

1）彈簧剛度計(jì)算：

計(jì)算公式：

式中：k—彈簧剛度，N/mm。

G—切變模量，Mpa。選用65Mn碳素彈簧鋼絲，G≈80000Mpa。

d—彈簧鋼絲直徑，mm。設(shè)計(jì)為d=φ0.8mm。D2—彈簧中徑，mm。設(shè)計(jì)為D2=φ5.2mm。n—彈簧有效圈數(shù)，設(shè)計(jì)為N=2.5圈。

2）P1值計(jì)算

計(jì)算公式：P1=k×（H0-Hn1）。

式中：

H0—彈簧自由高度，mm。設(shè)計(jì)為H0=7.5mm。

Hn1—彈簧在挺桿初始長度時(shí)的高度，mm。設(shè)計(jì)為Hn1=6.5 mm。

P1=k×（H0-Hn1）=11.6×(7.5-6.5)=11.6N。

3）P2值計(jì)算

計(jì)算公式：P2=k×（H0-Hn2）。

式中：

Hn2—彈簧在挺桿壓縮長度時(shí)的高度，mm。設(shè)計(jì)為Hn2=5.2 mm。

P2=k×（H0-Hn2）=11.6×(7.5-5.2)=26.68N。

（3）材料選擇

選用20CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼制造殼體、柱塞和墊片，經(jīng)碳、氮共滲化學(xué)熱處理，控制產(chǎn)品的表面硬度、心部硬度、有效硬化深度和金相組織等，使產(chǎn)品在高溫、交變載荷中保持極高的耐磨性和熱穩(wěn)定性。表面硬度控制在 HV688-825范圍內(nèi)，心部硬度控制在HV300-450范圍內(nèi)，有效硬化深度控制在0.3-0.7mm范圍內(nèi)。

（4）挺桿殼體抗彎強(qiáng)度計(jì)算

工作過程中搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，產(chǎn)生側(cè)向力，最薄弱的殼體頸部抗彎強(qiáng)度應(yīng)滿足要求。受力分析如圖5所示。

1）受力計(jì)算公式：

式中：

F—挺桿承受的垂直總作用力，N；

F1—?dú)忾T彈簧最大力，F(xiàn)1≈300N；

F2—?dú)忾T完全開啟時(shí)汽缸內(nèi)剩余壓力對(duì)氣門的反作用力，N；

i—搖臂比，i=38.5/28=1.375；

p—?dú)忾T完全開啟時(shí)汽缸內(nèi)剩余壓力，按約 10bar計(jì)算（≈1Mpa）；

圖5 受力分析、潤滑及供油圖

r—?dú)忾T桿半徑，r=3 mm；

2）受力計(jì)算：

F2=p×(π×r2)=1×（3.14×32）=28.26(N)

F=（F1+F2）×i=(300+28.26)×1.375=451.4(N)

f=F×Sin150=451.4×Sin150=116.8(N).

3）抗彎強(qiáng)度計(jì)算

a）計(jì)算公式：

式中：

σ—最大彎曲應(yīng)力，N/mm2；Mw—最大彎矩，N·mm；

Zz—抗彎斷面系數(shù)，mm3；〔σ〕—許用應(yīng)力N/mm2；

σS—屈服強(qiáng)度，N/mm2。20CrMo材料的σS≈685 N/mm2；

nS—安全系數(shù)，nS≈3。L—?dú)んw頸部長度，L=5.5mm；

d—?dú)んw頸部直徑，d=φ6mm。

b）許用應(yīng)力：

〔σ〕=σS/nS=685÷3=228(N/mm2)

c）抗彎斷面系數(shù) Zz=0.1×d3=0.1×63=21.6(mm3)

d）最大彎矩 Mw= f×L=116.8×5.5=642.6(N·mm)

e）最大彎曲應(yīng)力：

σ=Mw/Zz=642.6/21.6=29.8(N/mm2) ＜〔σ〕，符合要求。

（5）液壓挺桿供油與潤滑設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)向液壓挺桿供油，是液壓挺桿正常工作的基本條件。由于空心的搖臂軸孔已與潤滑系統(tǒng)連通，因此在搖臂上設(shè)計(jì)φ2mm的液壓挺桿供油孔，實(shí)現(xiàn)向液壓挺桿供油。同時(shí)為了保證挺桿與推桿潤滑良好，設(shè)計(jì)了φ1.5mm的潤滑油孔。潤滑與供油如圖5所示。

5 設(shè)計(jì)應(yīng)用

通過將搖臂調(diào)整螺釘改進(jìn)設(shè)計(jì)為液壓挺桿，自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制氣門間隙為零間隙，避免搖臂和氣門之間產(chǎn)生機(jī)械碰撞和敲擊，減小了噪聲，取得了良好效果。該改進(jìn)配氣機(jī)構(gòu)已在4JB1發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用。

[1] 浦耿強(qiáng),謝勇.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪與搖臂的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2009,43(2):275-276.

[2] 秦大同,謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,北京:2011.

[3] 鄭光澤,肖鵬.考慮發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)耦合振動(dòng)影響的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(10): 55-59.