说明书——基于单片机的电磁驱动气门设计

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1、中北大学课程设计说明书学生姓名：陈波学号：0701024140学院（系）：机电工程学院车辆与动力工程系专业：热能与动力工程题目：基于单片机的电磁驱动气门设计综合成绩：指导教师：张艳岗职称:助教2011年1月7日基于单片机的电磁驱动气门设计节能、环保已成为现代内燃机的发展主题。长期以来,人们一直在追求燃油、配气的精确控制,来提高燃油经济性,降低环境污染。传统内燃机大都采用不变的配气定时，它只适应发动机某一常用的转速。最有利的配气定时需通过反复试验确定。汽车发动机采用可变气门驱动,使气门开启相位、气门开启持续角度、气门升程随发动机的工况变化

2、,可以改善怠速稳定性,增加低速下外特性扭矩,改善部分负荷燃油经济性和降低有害排放。相对于基于凸轮的可变配气机构，无凸轮轴气门驱动(camshaftlessvalveactuation)取消了凸轮机构,不受凸轮型线的限制，以电磁、电液、电气或其他方式驱动进排气门实现配气功能,可以柔性地调节配气定时和气门升程。其中以电磁驱动技术最为成熟(已有装车试用的报道)。本文采用最具代表性的“双弹簧双电磁铁气门驱动方案”，设计基于单片机AT89S52的控制系统，实现气门开启相位和气门开启持续角度的有效控制。一、基本情况和工作原理电磁驱动气门机构(Ele

3、ctromechanicalvalveActuation，简称为EMVA),目前AuraSystems公司、FEV公司和通用汽车公司分别提出了工作原理基本相同的采用双弹簧双电磁铁气门驱动方案,并进行了多年的研究。其中AuraSystems和FEV的电磁气门驱动机构已经装车试用。其结构示意图如下：工作原理：电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁（共用一个衔铁，衔铁和气门焊接在一起），两个相同的弹簧和气门组成。发动机不工作时，激磁线圈1和2均不通电，气门半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角判定气门在这一时刻应有的

4、开关状态，使线圈1或2通电，电磁力克服弹簧力，将气门关闭或开启。气门处于开启状态时，线圈1不通电，线圈2则必须通电，使电磁力等于或者大于弹簧力以保持气门开启。要关闭气门时，线圈2断电，衔铁和气门在弹簧力的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈1通电，电磁力帮助气门（衔铁）快速至关闭位置；此后线圈1继续通电使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈1断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动。如此循环往复。一、系统模型浅析电磁驱动气门是一个典型的电、磁和机械相互耦合的系统。在分析时,应将系统分为电、磁和机械三个子系统分别考虑,并建立子系统之间

5、的耦合关系。（一）电子系统电系统原理图如下图一所示，电磁铁被理想化为一个电感线圈，上下电路相同。进一步简化为图二等效电路图，可以列出电压平衡方程为：式中,Uin为电源电压;Icoil为通过线圈的电流;Rcoil、Lcoil分别为线圈的电阻和电感;Eemf为线圈在气隙磁场中运动时切割磁力线产生的反电势;Bδ为气隙磁场强度;l为磁场中有效线圈导体总长度;v为线圈切割磁力线的速度,即气门运动速度。图一图二等效电路图（一）磁子系统气门的驱动力来自电磁线圈通电后对衔铁的电磁力，大小取决于电磁驱动器的结构尺寸、材料特性以及电流的大小,是驱动器的一个

6、特性参数,可表示为：，其中Km表示一个常数。（二）机械子系统电磁驱动气门可简化为一个单自由度的弹簧-质量-阻尼系统,其动力学模型如图所示。动子M受到电磁力、弹簧力和阻尼力(包括摩擦和空气阻力),以及燃烧室内气体对气门顶部的压力(F0)。气门的位移为x,零点位置位于行程最上端,即气门关闭位置。由牛顿第二定律可得,气门运动微分方程为：式中,m为动圈式电磁驱动气门的运动质量,包括气门、动子线圈和骨架、连接件的质量以及弹簧质量的1/3;c为阻尼系数;k为弹簧刚度系数。（三）子系统之间的相互关系由上述可得，系统的运动微分方程组为：子系统之间的相互

7、关系如图所示：一、硬件的设计（一）高速电磁阀的设计高速电磁阀是该装置的核心部分，主要包括弹簧、电磁铁(含静铁芯、动铁芯和电磁线圈)和专用气门。本文并不对各个部分的设计展开详细的论证，而只是参考文献资料完成零件的选型。1、弹簧：中径D=3Omm，钢丝截面直径d:2.smm，有效圈数N=7圈，自由高度52mm，刚度为40N/mm，材料为普通气门弹簧材料:50CrVA，它的许用应力为700N/mmZ。两个弹簧采用同样的参数，它们之间可以互换，形状为圆形截面的圆柱螺旋压紧。2、电磁铁：选用Si钢作为EMVA驱动电磁铁的静铁芯材料，选用工业纯Fe

8、作为动铁芯(衔铁)材料。3、静铁芯：E型结构。4、动铁芯：动铁芯长度为56mm，宽为50mm，厚为10mm。5、电磁线圈：将线圈做成有骨架的机构，骨架材料为胶木，线圈外部加封电工纸。参照国家电工专业标准，采