发动机配气凸轮轮廓曲线设计与研究

张牧元

(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550008)

发动机配气凸轮轮廓曲线设计与研究

张牧元

(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550008)

配气凸轮作为配气系统的核心零部件，其轮廓曲线的设计是整个配气机构设计的关键。通过对SolidWorks软件进行二次开发，得出一种配气凸轮轮廓曲线的参数化设计方法。此方法能够满足精度要求较高的凸轮轮廓曲线设计，为发动机配气凸轮轮廓线的设计提供了一种依据。

配气凸轮；轮廓曲线；二次开发；参数化设计

0 引言

配气凸轮型线设计完成后需要通过三维软件生成实体，才能进行后期仿真、分析和零件加工。然而大多数三维软件只提供了一些简单的、规则的实体绘制命令，很难满足精度要求较高的曲线设计。文中通过对SolidWorks软件进行二次开发，不仅可以记录建模时所用到的命令代码，还可以记录其他相关过程的底层操作源代码，同时也可以直观快捷地编译、修改与完善所录制的宏命令，从而可较大地提高系统的自动化水平与设计人员的工作效率。

1 配气凸轮轮廓曲线的设计原理

配气凸轮轮廓曲线设计的方法有2种：第一种方法称之为作图法，另一种方法称之为解析法。比较而言，采用解析法设计配气凸轮的轮廓曲线要优于作图法，但无论采用何种方法进行设计，两种方法的设计原理都是相同的，称之为“反转法”[1]。

如图1所示，当凸轮以角速度ω绕轴O转动时，推杆在凸轮的高副元素(轮廓曲线)的推动下实现预期的运动。设想给整个凸轮机构加上一个公共角速度-ω，使其绕轴心O转动，此时凸轮将静止不动，而推杆一方面随其导轨以角速度-ω绕轴心O转动，一方面又在导轨内做预期的往复移动。推杆在这种复合运动中，其尖顶的运动轨迹即为凸轮的轮廓曲线。根据上述分析，在进行凸轮轮廓曲线设计时，假设凸轮静止不动，而推杆相对于凸轮作反转运动，同时又在其轨道内作预期运动，做出推杆在这种复合运动中的一系列位置，则其尖顶的轨迹就是所要求的凸轮轮廓曲线。这种凸轮轮廓曲线设计方法即为“反转法”[2]。

配气机构通常采用对心盘形凸轮机构形式，根据所设计的高次多项式凸轮从动件升程曲线，利用反转法原理，即可得出凸轮的理论轮廓曲线方程[3]：

式中：h=hα为挺柱的升程函数；α为凸轮转角。

2 基于三维软件的凸轮轮廓曲线设计

2.1 SolidWorks的宏录制

打开SolidWorks软件，进入新建文件界面。点击【工具】→【宏】→【录制】进行宏录制，点击【插入】→【曲线】→【通过XYZ点的曲线】并定义几个点的坐标如(0,25,0)、(25,0,0)、(0,-25,0)，确定曲线升程，同时停止宏录制并保存。点击【工具】→【宏】→【编辑】选中前面保存的文件进入编辑窗口，具体程序如下[4-5]：

Dim swApp As Object

Dim Part As Object

Dim boolstatus As Boolean

Dim longstatus As Long, longwarnings As Long

Dim Feature As Object

Sub main()

Set swApp = Application.SldWorks

Set Part = swApp.ActiveDoc

Set SelMgr = Part.SelectionManager

Part.InsertCurveFileBegin ′曲线绘制起始命令

Part.InsertCurveFilePoint 0, 0.025, 0

Part.InsertCurveFilePoint 0.025, 0, 0

Part.InsertCurveFilePoint 0, -0.025, 0 ′以上3项为曲线点的坐标，可以通过修改点的坐标来进行曲线绘制

Part.InsertCurveFileEnd ′曲线绘制结束命令

End Sub ′主函数程序结束

通过分析可以得出，只需将要绘制的曲线分成无数个点并通过曲线命令进行拟合便可以得到所需的曲线。

2.2 编写VB程序和运行宏文件

通过MATLAB优化计算得出高次多项式凸轮型线运动规律为：

其中：h(mm)为从动件位移；v(mm/rad)为从动件速度；α为凸轮旋转角度数；凸轮的基圆半径R0为20 mm。根据滚子从动件凸轮型线坐标公式计算凸轮型线坐标：

x=(r0+h)sinα+(ds/dα)cosα

y=(r0+h)cosα-(ds/dα)sinα

将以上函数用VB语言进行编译，利用if-else条件选择语句将分段函数在不同角度下进行分段表示，利用For循环语句将凸轮型线的各个点的坐标表示出来，曲线的精度可以通过定义的步长进行控制，此程序中将步长定为0.1°，有效地控制了曲线设计精度。

录制的部分程序如下：

Sub main()

Dim swApp As Object

Dim Part As Object

Dim SelMgr As Object

Dim boolstatus As Boolean

Dim longstatus As Long, longwarnings As Long

Dim Feature As Object

Set swApp = CreateObject

Set Part = swApp.NewPart

Set Part = swApp.ActiveDoc

Dim s1, s, a, a1, b, c, d, i, j, s0, r0, PI As Double

PI = Atn(1) * 4

j = 1 ′步长

s0 = 16 ′理论基圆半径

h0 = 6.5 ′升程

Part.InsertCurveFileBegin

For i = 0 To 360 Step j ′理论轮廓

If i <= 10 Then

s = 0.0005 * i ^ 2

s1 = 0.001 * i / (3.14 / 180)

s2 = 0.001 / (3.14 / 180) ^ 2

ElseIf i <= 25 Then

s = 0.01 * (i - 10) + 0.05

s1 = 0.01 * (3.14 / 180)

s2 = 0

ElseIf i <= 90 Then

s = -15.1847 * ((90 - i) / 65) ^ 22 + 43.3134 * ((90 - i) / 65) ^ 20 - 32.4933 * ((90 - i) / 65) ^ 18 + 9.316 * ((90 - i) / 65) ^ 8 - 11.2513 * ((90 - i) / 65) ^ 2 + 6.5

s1 = (15.1847 * 22 * ((90 - i) / 65) ^ 21 - 43.3134 * 20 * ((90 - i) / 65) ^ 19 + 32.4933 * 18 * ((90 - i) / 65) ^ 17 - 9.316 * 8 * ((90 - i) / 65) ^ 7 + 11.2513 * ((90 - i) / 65)) / (65 * 3.14 / 180)

s2 = -(15.1847 * 22 * 21 * ((90 - i) / 65) ^ 20 - 43.3134 * 20 * 19 * ((90 - i) / 65) ^ 18 + 32.4933 * 18 * 17 * ((90 - i) / 65) ^ 16 - 9.316 * 8 * 7 * ((90 - i) / 65) ^ 6 + 11.2513) / (65 * 3.14 / 180) ^ 2

ElseIf i <= 155 Then

…………

Part.InsertCurveFilePoint XB / 1000, YB / 1000, 0

Next i

Part.InsertCurveFileEnd

End Sub

2.3 配气凸轮三维实体的生成

程序编写完毕后进行保存，点击【工具】→【宏】运行宏程序即可得到凸轮理论轮廓曲线及实际轮廓曲线。如图2所示：内部曲线为凸轮的实际轮廓曲线，外部曲线为凸轮的理论轮廓曲线，通过SolidWorks软件的【草图绘制】中的【转换实体引用】可以把生成的凸轮轮廓曲线转化为二维草图。

进行凸轮三维实体生成时，选择实体特征后，选中生成的凸轮轮廓曲线，设定凸轮厚度后点击确认得到凸轮三维实体模型，然后进行凸轮安装轴孔的拉伸切除操作就完成了凸轮的三维设计，凸轮三维实体模型如图3所示。

3 结论

详细介绍了配气凸轮轮廓曲线的设计原理，通过反转法原理分别推导出配气凸轮的理论轮廓曲线和实际轮廓曲线的直角坐标表达式，利用 SolidWorks三维软件的二次开发对凸轮轮廓曲线进行参数化设计，最终得出配气凸轮的三维实体模型，为发动机配气凸轮廓线的设计提供了一种依据。

【1】孙红霞.内燃机配气凸轮CAD[D].杨凌：西北农林科技大学,2003.

【2】张祁莉.直动推杆盘形凸轮机构的计算机辅助设计[J].长沙航空职业技术学院学报,2008,8(1):44-46.

【3】孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理[M].7版.北京:高等教育出版社,2006.

【4】徐玉梁,岳宗风,陈家兑.基于SolidWorks的凸轮设计模块的二次开发[J].现代机械,2012(3):20-22.

【5】SolidWorks公司.SolidWorks API二次开发[M].北京:机械工业出版社,2005.

Design and Research of the Engine Valve Cam Contour Curve

ZHANG Muyuan
(Guizhou Transportation Vocational Technical College,Guiyang Guizhou 550008,China)

Valve cam as the core component of valve system,the profile curve design is the key to the whole design of valve mechanism. Through secondary development for SolidWorks software, a parametric design method for cam contour curve was obtained. This method can satisfy the higher precision requirement of curve design.It provides a basis for gas distribution cam profile curve design.

Valve cam;Profile curve;Secondary development;Parametric design

2016-05-13

张牧元(1984—)，男，硕士，研究方向为汽车关键零部件制造。E-mail：799327499@qq.com。

TH112.2

B

1674-1986(2016)06-061-03