CN108595832B - 一种气门活塞极限间隙计算方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种气门活塞极限间隙计算方法：输入以下参数：曲柄半径R、连杆长度L、曲轴转角

气门关闭时气门顶与活塞避阀坑的名义距离H_l、各关联运动件的公差Δ₁、凸轮总误差Δ_α、气门相位调节角度δ、气门倾角β、根据相关公式确定活塞的运动方程：

确定气门升程

根据相关公式计算气门与活塞间隙C。该系统和方法构建了一种新的计算方法及简单、高效的实现方式，从而更好地指导设计，以提高开发效率，缩短设计周期。

Description

一种气门活塞极限间隙计算方法和系统

技术领域

本发明涉及活塞发动机燃烧系统的技术领域，特别涉及气门活塞极限间隙的计算分析方法。

背景技术

气门和活塞是发动机性能得以实现的重要部件，通过气门的开启和活塞的往复运动的配合，实现了发动机的性能。在发动机工作时，气门和活塞都遵循一定的规律在运动，当活塞由下止点向上运动，到达上止点时，若气门仍处于较大开启状态，就会出现气门撞击活塞的现象，为了气门与活塞运动的顺畅，必须保证活塞与气门之间有足够的间隙。

目前，传统的气门活塞间隙的分析方法大致分成两种：1)通过构建发动机气门与活塞间隙的数学模型，建立简化方程并求解；2)通过利用cae软件，搭建系统模型，然后利用间隙分析功能得出活塞与气门的最小运动间隙。

以上两种计算分析方法分别存在着计算公式复杂、求解精度低，CAE模型搭建时间长、要求设计师具有仿真分析能力及忽略了设计和传动链公差的影响因素等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种新的用于计算气门活塞极限间隙的方法和系统，构建成简单、高效、准确的实现方式。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种气门活塞极限间隙计算方法：

输入以下参数：

曲柄半径R、连杆长度L、曲轴转角

气门关闭时气门顶与活塞避阀坑的名义距离H_l、各关联运动件的公差Δ₁、凸轮总误差Δ_α、气门相位调节角度δ、气门倾角β、

根据公式

确定活塞的运动方程：

确定气门升程

计算气门与活塞间隙C：

所述气门相位调节角度δ相位前滞时，取正值，相位后滞时，取负值。

所述气门倾角β计算进气门与活塞间隙时，取正；计算排气门与活塞间隙时，取负。

所述公差Δ₁为各关联运动件的尺寸公差、配合间隙及热变形公差。

所述公差Δ₁包括：曲轴主轴颈最大轴颈半径间隙、连杆轴颈最大轴承半径间隙、活塞销处最大轴承半径间隙、曲柄长度公差、连杆长度公差、活塞压缩高度公差、曲轴中心到缸体上表面距离公差、缸垫厚度公差、气门到缸盖底面距离公差、活塞压缩高度上的热膨胀量。

所述总误差Δ_α为凸轮型线制造、传动链装配及传递相位总误差。

一种气门活塞极限间隙计算系统，系统设有用于输入参数的输入单元，所述输入单元将用户输入的参数输送至处理器，所述处理器将计算获得气门活塞极限间隙输送至显示器显示，所述处理器利用所述气门活塞极限间隙计算方法计算气门活塞极限间隙。

所述处理器利用Excel分析程序执行气门活塞极限间隙计算方法。

本发明具有以下优点：

1)从理论上比传统的计算方法更加完善，减少了零件尺寸公差、凸轮型线制造、传动链装配及传递相位误差等对实际结果的影响；

2)通过计算结果，可以预测潜在的风险，并根据分析结果对系统的不同参数进行优化设计，可以得到不同参数对分析结果的影响；

3)从使用的角度上，降低了设计师对计算及仿真的能力需求；

4)该系统和方法构建了一种新的计算方法及简单、高效的实现方式，从而更好地指导设计，以提高开发效率，缩短设计周期。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为本发明气门与活塞运动间隙计算分析方法的计算流程图；

图2为本发明气门与活塞运动间隙计算分析方法所需要的相关参数；

图3为本发明气门与活塞运动间隙计算分析方法的程序界面；

图4为本发明气门与活塞运动间隙不同计算方式的计算结果；

图5为本发明气门与活塞运动间隙计算分析方法所得出的气门活塞运动间。

具体实施方式

本发明从理论上修正了传统的计算方法，增加了尺寸公差、凸轮型线加工误差及传动链的装配及传动误差等的影响，并利用Excel强大的计算功能，将传统公式计算的繁琐及复杂转换成操作简单、功能强大的分析程序，实现分析自动化，设计师只需校核输入数据的可靠性，大大降低了设计师对仿真能力的要求。

具体来说，气门活塞运动极限间隙分析计算方法，步骤包括：

1)确定活塞的运动方程

为曲轴转角，假设活塞从上止点开始运动，曲柄半径为R，连杆长度L，曲轴转角

得到活塞的运动方程：

2)确定气门升程

3)确定气门关闭时，气门顶与活塞避阀坑的名义距离H_l；

4)确定各关联运动件的尺寸公差、配合间隙及热变形公差Δ₁；

5)确定凸轮型线制造、传动链装配及传递相位总误差Δ_α；

6)确定气门相位调节角度δ，，相位前滞时，取正值，相位后滞时，取负值；

7)气门与活塞间隙：

其中β为气门倾角，计算进气门与活塞间隙时，取正；计算排气门与活塞间隙时，取负；

8)把收集的相关尺寸信息输入通过Excel编写的计算程序，计算程序可以直接得出气门升程的各项数据及最小气门活塞间隙，其中包括名义距离条件下的结果、尺寸公差条件下的结果、相位公差条件下的结果、尺寸和相位公差共同作用下的结果。计算程序可以直接输出气门活塞运动间隙尺寸图；

9)通过上述计算方法进行计算并分析结果，得到气门与活塞间隙。计算可以直接得出所计算的发动机气门活塞运动极限间隙是否满足设计要求。计算可以得出不同的参数对气门活塞运动极限间隙的影响，进而合理的分配相关尺寸和公差。

对于同一款发动机又可分进气门与活塞运动间隙分析计算和排气门与活塞运动间隙分析计算。

针对上述需要输入的参数，需要用户在前期进行数据的采集和计算，包括：收集发动机的基本参数、气门升程、相关零件的尺寸及公差信息等相关数据。

其中发动机燃烧系统的相关尺寸信息包括：冲程、连杆长度、气门运动方向与气缸中心线的夹角、气门升程曲线、上止点(TDC)时活塞顶面到缸体顶面的距离、缸垫厚度、避阀坑深、气门关闭时刻最低点与缸盖底部的距离、各关联运动件的尺寸总公差、制造及装配相位总偏差等。中各关联运动件的尺寸总公差包括：曲轴主轴颈最大轴颈半径间隙、连杆轴颈最大轴承半径间隙、活塞销处最大轴承半径间隙、曲柄长度公差、连杆长度公差、活塞压缩高度公差、曲轴中心到缸体上表面距离公差、缸垫厚度公差、气门到缸盖底面距离公差(气门盘头厚度公差+气门座位置公差+座圈厚度公差)、活塞压缩高度上的热膨胀量。

上述计算方法可以固定化到硬件系统中，系统包括处理器、显示器、输入单元等，可以采用PC作为载体。

本发明的优选实施方案是对某款四冲程汽油机的气门与活塞间隙分析，通过本次计算分析，旨在通过本发明计算分析气门与活塞极限间隙，预估其是否设计合理；并对不同参数的结果进行对比分析,进而对各参数给出合理建议。

如图2所示，首先收集相关数据。具体输入的参数见图3气门与活塞运动间隙计算分析方法的程序界面。图4的结果是根据可调选项所给出的计算结果，该选项可用于研究分析名义距离、总尺寸公差、相位总偏差分别对结果的影响。若在图4所示图中选择自动选项，输出结果即为当前输入参数所计算的结果。结果说明，尺寸公差及相位偏差对结果影响很大。图5为气门活塞运动间隙图。图中根据计算结果自动标识出最小气门活塞间隙相位，并根据计算给出相应的数值。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气门活塞极限间隙计算方法，其特征在于：

输入以下参数：

曲柄半径R、连杆长度L、曲轴转角

、气门关闭时气门顶与活塞避阀坑的名义距离

、各关联运动件的公差

、凸轮总误差

、气门相位调节角度

、气门倾角

；

根据公式

确定活塞的运动方程：

确定气门升程

；

计算气门与活塞间隙C：

；

所述气门相位调节角度

相位前滞时，取正值，相位后滞时，取负值；

所述气门倾角

计算进气门与活塞间隙时，取正；计算排气门与活塞间隙时，取负。

2.根据权利要求1所述的气门活塞极限间隙计算方法，其特征在于：所述公差

为各关联运动件的尺寸公差、配合间隙及热变形公差。

3.根据权利要求2所述的气门活塞极限间隙计算方法，其特征在于：所述公差

包括：曲轴主轴颈最大轴颈半径间隙、连杆轴颈最大轴承半径间隙、活塞销处最大轴承半径间隙、曲柄长度公差、连杆长度公差、活塞压缩高度公差、曲轴中心到缸体上表面距离公差、缸垫厚度公差、气门到缸盖底面距离公差、活塞压缩高度上的热膨胀量。

4.根据权利要求1所述的气门活塞极限间隙计算方法，其特征在于：所述总误差

为凸轮型线制造、传动链装配及传递相位总误差。

5.一种气门活塞极限间隙计算系统，系统设有用于输入参数的输入单元，所述输入单元将用户输入的参数输送至处理器，所述处理器将计算获得气门活塞极限间隙输送至显示器显示，其特征在于：所述处理器利用如权利要求1-4中任一所述气门活塞极限间隙计算方法计算气门活塞极限间隙。

6.根据权利要求5所述气门活塞极限间隙计算系统，其特征在于：所述处理器利用Excel分析程序执行气门活塞极限间隙计算方法。

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