（轮机工程专业论文）n330柴油机配气凸轮型线改进及优化设计.pdf

俺 y n 1 煳必 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：垂驻日期：丝1 2 ：互 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) t - 研究生( 签名锵 导师( 签名)如5 ：乡 气 l 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 配气机构是柴油机的重要部件，其设计合理与否直接关系到柴油机的动力 性、经济性、可靠性、稳定性以及排放特性，是柴油机工作优劣的先决条件。 随着发动机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高 速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的 要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优 化设计的重要途径之一。模拟计算凸轮型线使之与发动机性能相匹配是研究优 化配气机构的一种重要手段。 本文在充分研究了与本研究课题相关的国内外文献基础上，系统地总结了发 动机配气机构的发展现状，对配气凸轮评价指标以及配气机构运动学、动力学 分析做了较详细的研究。通过应用a v l - t y c o n 软件，建立了本项目柴油机配气 机构的运动学及动力学模型，对原凸轮型线进行了计算与分析，并结合分析结 果改进设计了新的配气凸轮型线。本文主要研究工作包括： ( 1 ) 基于a v l - t y c o n 软件，建立了n 3 3 0 柴油机配气机构进、排气部分的运 动学与动力学模型，对分别原进、排气凸轮型线进行了模拟计算分析，得到了 原进、排气凸轮型线运动学和动力学特性。计算表明，原进、排气凸轮型线均 存在问题，过分的追求气门升程丰满系数使得原进、排气凸轮型线都比较陡峭， 导致原进、排气门得运动学加速度变化率均超过了限制值，造成配气机构的稳 定性比较差以及振动加剧，动力学计算中的进、排气门落座速度和落座力都很 大，冲击较严重，会造成较大的气门座和气门磨损。 ( 2 ) 结合原配气机构的计算和分析结果，采用三种凸轮型线设计方法( 多 项动力凸轮设计方法、等加速凸轮设计方法、分段函数设计方法) 分别对原进、 排气凸轮型线进行改进及优化设计。针对三种型线的运动学计算结果，综合各 个凸轮型线评价指标，从中选取了一组最优的凸轮型线结果。 ( 3 ) 利用建立的动力学模型，对新设计的进、排气凸轮型线进行了动力学 验证。采用新设计的凸轮型线后，配气机构运动学、动力学特性得到改善，解 决了原机配气机构存在的问题。 关键词：柴油机，配气机构，凸轮型线，优化设计 、 理 7 0 0 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a l v et r a i ni sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ed i e s e le n g i n e t h er a t i o n a l i t yo f i t sd e s i g ni s d i r e c t l yr e l a t e d t ot h ee n g i n e 。sp o w e rp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m y , e m i s s i o np e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t y a l o n g 、) l ，i ll l i g hs p e e da n dp o w e ro f t h ee n g i n e ，p e o p l ew e r eg e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e rt oi t sp e r f o r m a n c ei n d e x t h ev a l v e t r a i ns h o u l db ea b l et ow o r ks t e a d i l ya n dr e l i a b l yu n d e rt h eh i g hs p e e dm o v e m e n t c o n d i t i o n ，t h u sp e o p l es e tah i g h e rr e q u e s tt ot h ev a l v ew a i n t h ec a mp r o f i l ei st h e h a r dc o r eo ft h ev a l v et r a i n s ot h ec a mp r o f i l ed e s i g ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t a p p r o a c h e so ft h ev a l v et r a i no p t i m u md e s i g n t h ea n a l o gc o m p u t a t i o no ft h ec a m p r o f i l em a t c hw i t ht h ee n g i n ep e r f o r m a n c ei sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hm e t h o do f v a l v e t r a i n b a s e do nt h ef u ur e s e a r c ho ft h er e l a t e dd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r e si nt h i s p a p e r , t h ec u r r e n ts i t u a t i o no f t h ev a l v et r a i ni ss u m m a r i z e ds y s t e m a t i c a l l y a n dt h e n t h ed e t a i l e dr e s e a r c ho ft h ec a mp r o f i l ee v a l u a t i n gi n d i c a t o ra sw e l la st h ek i n e m a t i c a n dd y n a m i ca n a l y s i so ft h ev a l v et r a i ni sc a r r i e do u t t h ew i d e l yu s e dv a l v e - t r a i n s i m u l a t i o ns o f t w a r ea v l t y c o ni sa p p l i e dt oe s t a b l i s hb o t hk i n e m a t i ca n dd y n a m i c m o d e l sf o rt h ev a l v et r a i no fa f o u r - c y l i n d e rd i e s e le n g i n eo ft h ep r o j e c t t h en e w c a mp r o f i l e sa r ed e s i g n e dc o m b i n e dw i t ht h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i sr e s u l t so ft h e o r i g i n a lc a mp r o f i l e s t h em a i nr e s e a r c h e so f t h i sa r t i c l ei n c l u d et h ef o l l o w i n gw o r k s ： ( 1 ) t h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cm o d e l sf o ri n t a k ea n de x h a l ep a r t so ft h ev a l v e t r a i no fan 3 3 0d i e s e le n g i n ea r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ea v l t y c o ns o f t w a r e m o r e o v e r , t h eo r i g i n a li n t a k ea n de x h a u s tc a mp r o f i l eh a sb e e na b l et os i m u l a t ea n d a n a l y s i s ，a n do b t a i nt h e i rk i n e m a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sf m a l l y t h er e s u l t s h o w st h a tt h e r ew e r ec e r t a i np r o b l e m si no r i g i n a li n t a k ec a mp r o f i l ea sw e l la s e x h a u s tp a r t s f o rt h es a k eo fv a l v el i f t sf u l l n e s sc o e f f i c i e n te x c e s s i v e l y , a sa c o n s e q u e n c e ，i tw o u l dm a k et h ee a r np r o f i l ef i g u r ec h a n g e ds t e e p l y , r e s u l t i n gt h e k i n e m a t i ca c c e l e r a t i o nc h a n g er a t e sa b o u to r i g i n a li n l e ta n do u t l e tg a t e se x c e e dl i m i t s b e c a u s eo ft h a t ，t h ev a l v et r a i nw o u l dt a k ep l a c es e r i e so fs t a t u ss u c ha sp o o rs t a b i l i t y , v i b r a t i o na g g r a v a t e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ev a l v ea n dv a l v es e a t , w h o s es p e e d ，f o r c e a n di m p a c ta r el a r g e ，m a yh eb r o u g h ta b o u ta b r a d ei nt h ed y n a m i c sc a l c u l a t i o n - l j 7 k 啊 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) c o m b i n i n g 晰mt h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fo r i g i n a lv a l v ea c t u a t i n g m e c h a n i s m , t h r e ek i n d so fm e t h o d sp o u 巾l 叮e ，s 1 a ca n di s a c ) f o rt h ec a m m o l d e dl i n e sd e s i g na r eu s e dt oi m p r o v ea n do p t i m i z et h es u c t i o na n de x h a u s tv a l v e s l i f t i n gc a n 塔a c c o r d i n gt ok i n e m a t i c sc a l c u l a t i o nr e s u l t sf o rt h r e et y p el i n e sa n d e v a l u a t i o ni n d e xo fe a c hc a m ，o n eg r o u po fc a mm o l d e dl i n e si sc h o s e n 鹤t h eo p t i m a l 0 n e ( 3 ) t h cn e wd e s i g n e ds u c t i o na n de x h a u s tv a l v e sl i f t i n gc a m sm o l d e dl i n e sa r e v e r i f i e db yu s i n gd y n a m i cm o d e le s t a b l i s h e db e f o r e w h e nt h en e wd e s i g n e dc a m m o l d e dl i n e sa r ea d o p t e d ，k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so fv a l v ea c t u a t i n g m e c h a n i s ma r ei m p r o v e d ；a l s os o m ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h eo r i g i n a lv a l v ea c t u a t i n g m e c h a n i s ma r es o l v e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ，v a l v et r a i n ，c a mp r o f i l e ，o p t i m a ld e s i g n i ， 厶 0 4 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘! i 荽i a b s t r a c t i i 第1 章引言l 1 1 选题背景及意义l 1 2 配气机构概述2 1 2 1 配气机构技术现状2 1 2 2 配气凸轮结构形式4 1 3 国内外研究现状5 1 4 本文主要研究内容7 第2 章配气机构计算的理论基础9 2 1 动力学计算模型9 2 1 1 单质量动力学模型1 0 2 1 2 二质量动力学模型1 2 2 1 3 多质量动力学模型1 3 2 1 4 有限元模型15 2 2 配气凸轮设计准则l5 2 3 配气凸轮优化设计方法1 9 2 4 本章小结2 l 第3 章配气机构运动学与动力学建模2 2 3 1a v l t y c o n 软件介绍2 2 3 2n 3 3 0 柴油机主要技术参数2 4 3 - 3 配气机构运动学及动力学模型2 5 3 4 参数设置2 7 3 5 本章小结3 2 第4 章配气机构模拟计算3 3 4 1 运动学模拟计算与分析3 3 4 1 1 运动学气门升程、速度及加速度3 3 4 1 2 气门跃度。3 4 4 1 3 凸轮与滚筒间的接触应力3 5 i v 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 4 凸轮曲率半径3 6 4 1 5 气门弹簧裕度3 6 4 1 6 凸轮轴扭矩3 7 4 1 7 气门升程丰满系数3 7 4 1 8 阀系共振_ 38 4 2 动力学模拟计算与分析3 8 4 2 1 动力学气门升程、速度和落座力一3 8 4 2 2 凸轮与滚筒间的接触应力4 0 4 2 3 气门弹簧动力学特性4 0 4 3 原凸轮型线分析总结4 1 4 4 本章小结4l 第5 章配气凸轮型线改进及优化设计4 2 5 1 进气凸轮型线优化设计4 2 5 1 1 多项动力凸轮设计( p o l y l ) 叮e ) 4 3 5 1 2 等加速凸轮设计( s t a c ) 4 4 5 1 3 分段函数凸轮设计( i s a c ) 4 7 5 1 4 进气凸轮型线比较4 9 5 1 5 新设计进气凸轮型线动力学验证5 0 5 2 排气凸轮型线优化设计5 0 5 2 1 多项动力凸轮设计( p o n 巾姬) 5 1 5 2 2 等加速凸轮设计( s 1 a c ) 5 3 5 2 3 分段函数凸轮设计( i s a c ) 5 5 5 2 4 排气凸轮型线比较一5 7 5 2 5 新设计排气凸轮型线动力学验证5 8 5 3 本章小结5 9 第6 章结论与展望6 0 6 1 结论6 0 6 2 展望6 1 致谢6 2 参考文献：6 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 v 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章引言 柴油机因其热效率高、功率范围宽广、启动迅速、维修方便、运行安全、使 用寿命长，因而得到了广泛的应用，特别是在船舶方面，柴油机作为主机和辅 机更是统治地位。大功率四冲程中速柴油机自2 0 世纪5 0 年代开始得到了稳步 发展，至今已经经历了四代机型。它的最大优点是重量轻、尺寸小，可选用最 佳的螺旋桨转速。在工作可靠性、使用寿命、经济性以及对劣质油的适应性方 面均有明显的改善，基本上达到与低速机相近的水平。经过近几十年尤其是近 十多年的发展，现代船舶柴油机已经发展到一个较高的技术水平。随着技术的 发展，将会对柴油机提出更高的要求，船舶柴油机也将继续发展改进，其性能 也会得到全面的提高。 配气机构是柴油机实现其换气过程的重要部件，柴油机每完成一个工作循环 都必须排除废气和充入新鲜空气，它的作用是将燃烧后的气体排除并为下一个 循环吸入新鲜空气，为下一个循环的工作提供必要的条件。 换气过程的完善程度对柴油机的性能有重大影响。如果换气过程进行的完 善，压缩过程时气缸残留的废气量少，新鲜空气量多，这就为燃油的完全、及 时燃烧创造了条件。燃油完全、及时燃烧不但可使柴油机发出更大的功率，提 高其动力性能，使柴油机有高的热效率，提高其经济性，而且，完全的燃烧还 意味着结炭减少，从而减少排气污染。另外，及时的燃烧还意味着较低的循环 平均温度，从而提高柴油机的可靠性。因此，配气机构的运行质量直接影响柴 油机的动力性、经济性、可靠性、稳定性以及排放特性，是柴油机工作优劣的 先决条件。 对于速度较高、功率比较大的柴油机来说，配气机构的工作条件更加恶劣， 各项工作性能要求也较高，其设计以及制造的难度也相应的有所增加，由此产 生了各种不同的研究方向嘲。如： 1 ) 传统的配气机构较多地采用外形比较简单的圆弧凸轮和切线凸轮等等。 由于这些凸轮高速平稳性较差，所以在很多场合已经被性能更好的各种函数凸 轮所取代。如何根据具体的机型设计合理的函数凸轮型线，以及对有关特性参 武汉理工大学硕士学位论文 数的计算和分析，是配气机构设计的一个重要课题。 2 ) 以前配气机构的计算时，将配气机构当作一个刚体，但对于高柔度的配 气机构来说，其传动过程中的机构变形往往不能忽视，因此就需要寻找新的计 算模型以及计算方法。这就是我们所说的配气机构动力学计算。 3 ) 配气机构设计要求的也在不断提高，越来越多的因素在设计过程中需要 进行考虑，如配气相位、机构运动的平稳性、充气性能、零件间润滑特性、凸 轮与从动件间的接触应力等等，都需考虑到。另外，在结构布置方面，可选取 的特别是凸轮型线种类也越来越多，为了从中选取一个最优的最合理的设计方 案，往往需要很大的工作量。 4 ) 在设计一台新的发动机时，经常需要参考一些成功机型的经验，或者在 某些基础上进行优化改进。而配气机构又是整个发动机有机整体中的一个重要 的环节之一，因此，在设计配气机构时，也常常需要对某种发动机配气机构的 特性进行研究和分析。例如，根据实测的凸轮升程表以及其它一些有关的实测 数据，对该配气机构各个方面的工作特性进行评价和分析，对该配气机构用在 其它新设计机型上的工作效果做出预测等等。 配气凸轮型线对柴油机的进、排气性能有着直接的影响，对缸内燃烧过程的 好坏起着决定性的作用，对柴油机的动力性、经济性以及排放污染等都有着直 接的影响。 因此，本文针对n 3 3 0 柴油机采用模拟计算的方法，应用a v l t y c o n 软件建 立了其配气机构的仿真模型，对其工作状况进行了计算和分析，找出其存在的 问题，并针对其存在的问题，在所建模型的基础上，对其配气凸轮型线进行改 进及优化设计，为n 3 3 0 柴油机配气机构的改进设计和性能优化提供重要的理论 依据。 1 2 配气机构概述 1 2 1 配气机构技术现状 气门一凸轮式的配气机构由于其工作可靠，在工作过程中能够很好地保证气 缸的密封性，因此其应用比较广泛。随着发动机性能的不断改善，各种不同的 配气机构技术也得到了一定的发展。目前配气机构技术主要有多气门技术、可 变配气正时系统、无凸轮轴电液驱动配气系统、液压挺柱配气系统等。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 多气门技术 由于多气门技术能够降低排气门的热负荷和机械负荷，因此其早期的应用只 局限于赛车发动机方面，并且在技术上也不成熟。目前多气门技术的应用具有 很明显的优势，传统的气门配气系统限制了发动机性能的提高，多气门技术的 应用提供了一个增加发动机功率的方向h 1 。相对于传统的单进气门，采用两个进 气门可以吸入更多的新鲜空气，提高发动机的充气性能；两个排气门可以增加 扫气面积。对于柴油机来说，多气门系统不仅可以增加了进、排气流动面积， 提高充气性能，而且还可以实现喷油器的垂直中置，有利于利用空气以及形成 混合气，提高发动机功率和燃油经济性砸1 。 随着制造和加工工艺水平的不断提高以及计算机控制技术的快速发展，多气 门技术得到了广泛的应用。现阶段欧美以及日本等很多大型汽车公司都有四气 门配气机构的柴油机产品，这种四气门配气机构的各项性能指标均较高，在市 场中具有很大的经济效益。无论从性能还是从经济的角度来看，多气门配气系 统是配气机构发展的必然趋势，。 2 ) 可变配气正时系统 设计良好的配气机构，在发动机工作过程中，会调整其配气正时和运动规律， 满足不同工况的要求，提高配气机构工作的灵活性。传统的配气机构采用固定 的配气正时，无法满足不同工况的要求。可变配气正时( w t ) 技术与传统的配气 机构不同，采用可变的配气相位。在发动机的工作过程中，根据不同的转速和 负荷来优化配气相位，使其满足不同工况的要求。可变配气正时( w t ) 技术在协 调动力性与经济性的同时还改善了配气机构的排放性能口1 。 根据工作结构形式的不同，w t 技术的主要实现形式有：变凸轮与气门之间 联结的w t 机构、改变凸轮轴相角的w t 机构、无凸轮轴的w t 机构、变换凸 轮型线的w t 机构聃1 等。 采用改变凸轮与气门之间的联接部件从而改变凸轮升程规律，这种实现w t 技术的机构就是变凸轮与气门之间联结的w t 机构，如改变挺柱、摇臂或推杆 的结构形式等。这种形式的机构大多是机械式的，可变配气相位功能能够较好 的实现。但是，这种机构由于从动件较多，运动过程传动装置存在一定的冲击， 结果也比较复杂。 除了改变凸轮与气门之间的联接部件之外，还可以改变凸轮轴的相角来实现 可变配气正时，通过改变凸轮轴与曲轴的相对转角来调节相位，凸轮型线保持 不变，这种方法称为改变凸轮轴相角的w t 机构。由于进排气门重叠角和进气 3 气 乙 武汉理工大学硕士学位论文 门的关闭角对配气机构的性能有较大的影响，可以对进、排气凸轮轴进行分别 控制实现配气相位的改变，以提高发动机的性能。这种实现机构原理比较简单， 很容易实现，应用方便，因此得到了普遍的应用。 不通过凸轮轴，对气门进行直接控制控制以实现可变配气正时，采用这种现 实方式称为无凸轮轴可变配气相位机构。不经过传动装置直接控制气门可以在 不同的条件下调整气门升程，得到最好的配气正时；而且还可以通过控制不通 气缸的气门进行可变排量。但是，这种机构在运作时需要很大的能量，会影响 发动机的整体性能，这种机构必须要解决这个问题才能广泛的应用。 变换凸轮型线的w t 机构可以提供两种以上凸轮型线，在不同转速和负荷 下，采用不同的凸轮型线驱动气门。 3 ) 无凸轮轴电液驱动配气系统 这种系统采用电液驱动装置对气门运动规律进行实时控制，由于这种机构没 有凸轮轴，所以其最大气门升程、气门开启位置以及开启持续时间这三者之间 没有直接的联系，可以分别独立控制。这样一来，整个的运行过程中，可以通 过调节不同的参数来获得每个工况下最优的运行结果，改善了发动机的性能口1 。 4 ) 液压挺柱配气机构 这种机构通过液压机构进行控制，可以对在运行过程的产生变形进行补偿， 消除了无间隙的影响，因此也可以在很大程度上降低配气机构的冲击噪声。 1 2 2 配气凸轮结构形式 凸轮型线的设计需要兼顾各个方面的性能指标，工作的平稳性、振动、噪音、 冲击以及磨损等等都需要考虑。配气凸轮型线的设计直接影响到配气机构的工 作状况，不同的结构的凸轮形式，其工作的运动学和动力学特性会有很大的差 异乜】。配气凸轮的结构形式按照其工作段的运动规律主要包括等加速凸轮、组合 多项式凸轮、高次多项式凸轮以及多项动力凸轮。 等加速凸轮的从动件的正、负加速度值恒为常数，可分为两种，一种是其相 应挺杆的加速度曲线从正加速到负加速再到零，从而升程曲线从凹凸抛物线到 直线的形式；另外一种是其加速度曲线从正加速到零再到负加速度，从而升程 曲线从凹凸抛物线之间还有一段直线。 等加速型凸轮的平稳性易保证，但其充气性能较差，一般用在中低速柴油机 中。但就实际的情况而言，配气机构并非完全的刚性，等加速凸轮加速度曲线 4 舢 、 q 武汉理工大学硕士学位论文 的间断性必然会影响到机构工作的平稳性，因此，在高速内燃机中一般很少采 用等加速型凸轮。在低速的柴油机中，等加速凸轮的平稳性较好，但在高速时 其平稳性会有较大的影响。另外，等加速凸轮的充气性能也不好比1 。 组合多项式型凸轮的加速度曲线由不同的低次方多项式组成。其正加速度 能够调整，可以控制正加速度值。适当调整其它各段所占角度以及其函数方程， 可获得不同斜率的加速度曲线。因此，这种凸轮不仅能保证等加速凸轮时间断 面大的优点，而且可以确保正、负加速段间的连续圆滑过渡并能方便地控制加 速度的变化率，配气机构工作平稳性以及发动机的充气性能可以得到较好地控 制n 们。但在不同多项式的联结点处配气机构工作的平稳性可能会受到影响。 高次多项式凸轮的基本段升程函数采用高次多项式，各指数的选取对凸轮 型线的丰满程度、正、负加速度值以及正加速宽度等都有直接的影响。可以通 过调整其多项式函数的项数和幂指数来获得不同的运动学特性，设计时，可以 不断的调整来获得最佳的工作性能n 。 就一般情况来说，以上凸轮型线中，等加速凸轮能达到的时间断面最大，有 利于改善充其性能，但存在加速度突变，配气机构工作平稳性较差；高次多项 式凸轮则刚好相反，其加速度曲线光滑程度高，配气机构工作平稳性能够得到 保证，但升程曲线丰满系数相对比较底乜1 。因此，必须针对个发动机的具体要求 来选择凸轮型线。 加速凸轮、组合多项式凸轮、高次多项式凸轮在设计时没有考虑配气机构 的弹性变形，因此其结果曲线，特别是加速度曲线，与实际情况可能会有一些 偏差。因此，考虑到这种情况，对升程曲线事先做一些预订的修正，结合配气 机构的动力学计算来进行设计，获得的结果有很大的改善。多项动力凸轮考虑 了配气机构的弹性变形，把配气机构作为一个弹性系统，其应用比较广泛，具 有良好的高速适应性n 2 1 。 1 3 国内外研究现状 2 0 世纪4 0 年代以来，人们对配气机构的研究越来越深入，已经从经验设计 发展到运动学与动力学的计算与研究，这些理论研究成果为配气机构研究发展 起到了巨大的推动作用，奠定了坚实的理论基础。 起初对配气机构的计算，没有考虑它的弹性变形，把配气机构当作一个刚体， 只需进行运动学的计算。但是，由于转速和负荷的增加，配气机构工作过程中 5 、 k l 柚 武汉理工大学硕士学位论文 机构变形的影响越来越不容忽视，由此便产生了新的动力学计算模型和方法。 h r o n e s 【1 3 1 在1 9 4 8 年提出了第一个凸轮一从动件系统的动力学模型，该模型 将配气机构的动力学特性采用最简单的弹簧一质量系统来进行描述。b a r k a n 1 在1 9 5 4 年建立了配气机构的单质量模型，计算的动力学结果有所改善。h u n d a l n 司 在1 9 6 3 年用一个等效的粘性阻尼来代替各种线性和非线性的摩擦能量损失，计 算了凸轮飞脱的自由运动。s a k a i n 叼等在1 9 7 0 年建立的配气机构的单质量模型， 首次把仿真结果与实测结果进行直接比较，结果显示，当发动机转速小于 4 2 0 0 r m i n 时，模型仿真计算结果与试验数据相差不大。 2 0 世纪8 0 年代，随计算机运算速度不断提高，为适应发动机高速化的需要， 配气机构的多质量模型有了迅速的发展和完善。在1 9 6 3 年，j o h n s o n n 刀考虑了 气门间隙的影响，建立了汽车发动机项置配气机构的多自由度模型。 s u b r a m a n i a m n 8 1 在1 9 7 8 年提出3 自由度模型，把挺柱和推杆、摇臂、气门组 分别用3 个自由度来表示，通过等效弹簧和粘性阻尼器来联结集中质量。根据 零件的载荷一变形曲线或自振频率来确定等效弹簧的刚度。 a k i b a n 们在1 9 8 1 年提出了2 质量模型，挺柱、推杆和摇臂用位于挺柱侧的一 个集中质量来表示，气门组总成( 不包括气门弹簧) 用位于气门侧另一个集中 质量来表示，用等效弹簧以及等效阻尼器连接集中质量。 p i s a n o 啪1 在1 9 8 3 年把配气机构用两个集中质量来表示，气门弹簧用分布质 量系统来描述，是一种比较新颖的配气机构动力学研究方法，把分布参数模型 和集中参数模型结合起来，采用迭代的方法，对配气机构零件以及气门弹簧的 耦合微分方程来进行求解。p i s a n o 在1 9 8 4 年研究了摇臂轴处的库仑摩擦对系统 动态特性的影响馏。 k i m 和d a v i d 但2 1 在1 9 9 0 年提出3 自由度模型，挺柱、推杆和气门组用2 个集 中质量来描述，摇臂用刚体的转动惯量来描述，气门弹簧用分布质量模型表示。 假设气门弹簧的唯一激励为气门的运动，模型的阻尼系数和刚度靠经验法确定， 使模型适用的转速范围超过了9 0 0 0 r m i n 。 相对来说，国内从2 0 世纪7 0 年代年起才开始对凸轮设计与动力学计算等课 题进行全面的研究。 董锡明1 等在1 9 7 9 年，分别采用单质量模型和“4 + n ”质量模型计算配气机 构的动态特性。研究表明，在气门弹簧不颤振的情况下，单质量模型的配气机 构具有很好的精度。 樊久铭口钔等利用“4 + n 质量模型，对c a 4 8 8 汽油机配气机构的气门座冲击 6 武汉理工大学硕士学位论文 力以及冲击力峰值进行研究和分析。 袁兆成瞄1 等利用多质量模型，对6 1 1 3 柴油机配气机构做了实例分析，研究 了配气机构的主要零部件刚度、凸轮轴转速、凸轮型线对气门的飞脱和落座特 性的影响。 随着计算机技术的快速发展，隋允康啪1 等首先采用有限元模型，以6 1 0 0 8 3 q 柴油机配气机构为例，对三种曲轴转速( 3 0 0 0 r m i n 、3 2 0 0 r m i n 、3 4 0 0 r m i n ) 时的弹簧剪切应力和气门落座特性进行了分析，表明有限元方法的优越性。龙 连春例等建立了有限元模型对4 9 3 增压柴油机配气机构的进行了动态计算和试 验研究，两者结果相差不大。周锦生汹1 等以p a 6 2 8 0 柴油机配气机构有为例， 利用等参元法的动力学模型，进行了仿真计算和试验研究，两者结论基本一致， 还给出了气门弹簧动态响应、配气机构自振频率以及推杆应力等的计算规律。 乐俊秉曲1 等以6 1 0 2 q 柴油机配气机构为例，利用有限元方法，计算了不同转速 加速度曲线以及振。结果表明实测规律与仿真规律基本一致。 随着计算机技术的发展，在内燃机的研发过程中，计算机模拟仿真技术得到 了十分广泛的应用，如a n s y s 有限元分析软件；g t p o w e r 、b o o s t 等发动机性能 仿真软件；c r u i s e 、g t d r i v e 等发动机与整车匹配软件；a d a m s 等机械系统动 力学仿真软件；f i r e 、f l u e n t 、w a v e 、f l o w m a s t e r 等计算流体力学( c f d ) 软件； 主要的配气机构设计软件有a v l t y c o n 和g t v t r a i n 。本文就是基于a v l - t y c o n 软件，对n 3 3 0 柴油机配气凸轮型线进行改进及优化设计。该软件提供三种凸轮 型线的设计方法，采用二质量动力学模型，使计算精度与设计速度都有很大的 提高。 1 4 本文主要研究内容 本论文以青岛淄柴博洋柴油机股份有限公司引进的n 3 3 0 柴油机配气机构为 研究对象，根据实际布置情况，对其配气机构进行了分析，利用a v l t y c o n 软 件，建立了其运动学与动力学的计算模型，对原配气凸轮型线进行运动学和动 力学分析，然后提出凸轮型线改进方案，在保证充气性能以及原动力学性能的 基础上，优化选取最合理的一组凸轮型线。主要工作包括以下几方面： 1 ) 通过分析将原配气机构的实际模型转化为仿真计算的模型，利用t y c o n 软件建立n 3 3 0 柴油机原凸轮配气机构进气、排气部分运动学模型和动力学模型， 详细计算并输入各项参数； 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 根据所建立的进气、排气部分运动学模型和动力学模型，导入原有进气、 排气凸轮对应的滚筒升程曲线，应用a v l - t y c o n 软件进行运动学和动力学的计 算分析，得到各项指标结果； 3 ) 根据a v l - t y c o n 软件对原凸轮配气机构进气、排气部分运动学和动力学 的仿真结果( 凸轮与滚筒问的最大接触应力、最大凸轮扭矩、加速度变化率、 丰满度系数、气门速度、气门落座力、气门弹簧受力曲线等) 对原凸轮配气机 构的状况进行分析评价； 4 ) 结合原有凸轮线型的计算分析，在保持原有柴油机的动力性能等的基础 上，应用a v l - t y c o n 软件采用三种凸轮线型设计方法进行 包括：多项动力凸 轮设计方法( p o l y d y n e ) 、等加速度凸轮设计方法( s t a c ) 和分段函数凸轮设计方 法( i s a c ) ) 分别对进、排气凸轮进行优化设计，改善原配气凸轮存在的问题， 得出多组凸轮线型结果； 5 ) 对多组a v l - t y c o n 软件的设计结果进行运动学计算分析，综合分析比较 各种型线，优化选取一组最优凸轮线型结果，最后对其进行动力学方面的验证。 为配气机构的优化设计提供理论上的依据。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章配气机构计算的理论基础 人们对配气机构的研究越来越深入，已经从经验设计发展到运动学与动力学 的计算与研究，这些理论研究成果为配气机构研究发展起到了巨大的推动作用， 奠定了坚实的理论基础。起初对配气机构的计算，没有考虑它的弹性变形，把 配气机构当作一个刚体，只需进行运动学的计算。但是，由于转速和负荷的增 加，配气机构工作过程中机构变形的影响越来越不容忽视，由此便产生了新的 动力学计算模型和方法。本章对配气机构动力学模型、凸轮型线的设计准则以 及优化设计方法进行了简要的介绍，为下一步的建模、分析与计算以及优化设 计做好理论上的准备。 2 1 动力学计算模型 发动机配气机构是由多个零件组成的机械系统，各个零件都具有一定质量和 弹性，因此实际的配气机构是一个弹性系统。当发动机以较低转速运行时，凸 轮从动件以及气门，能够基本上按照由凸轮型线在静态情况下计算的规律运动， 凸轮与从动件也可以由气门弹簧的作用力来保证两者始终接触。但是，随着发 动机转速的提高，配气系统中各构件由于受力会产生变形，就需要考虑这些变 形所引起的动力学问题。在高频率运行过程中，各构件会受到一定的动载荷作 用并产生很大的加速度，配气机构的凸轮、挺杆、推杆、摇臂、气门等构件可 以当作有质量和阻尼组成的大刚度弹簧，由于不断变化的惯性力作用，此弹簧 能够吸收和释放能量，由此产生从动件的振动。此时，当从动件惯性力不能够 被气门弹簧的变形力所抵消时，凸轮和从动件就会脱离，即所谓的飞脱，这样 就会造成设计的气门曲线发生变化瞳1 。 在发动机的一个工作循环中，每个气门只开启、关闭一次，假定在气门关闭 期间，由气门开启和关闭引起的振动能够完全衰退。这样一来，就可以把每个 配气机构循环的条件都趋于一致，简化研究的过程，对气门一次开启和关闭的 过程进行研究和分析。 整个配气机构的传动链组成包括凸轮、挺住、推杆、摇臂、气门、气门弹簧 等不同结构参数的零部件，很难准确地描述它们的运动，这就需要采用一定的 9 武汉理工大学硕士学位论文 简化模型来进行计算。主要的简化动力学模型有：单质量模型、二质量模型、 多质量模型、有限元模型等。 2 1 1 单质量动力学模型 单质量模型把配气机构简化为一个单自由度质量一弹簧，如图2 1 ，集中质 量m 描述气门的运动，用“当量凸轮 直接控制一个假定刚度为c 的弹簧，这 个弹簧与集中质量相联结，集中质量的另一端采用一个刚度为c7 的气门弹簧与 气缸盖联结。利用单质量模型，计算量较小，能够对配气机构的工作状况做 出基本的计算，分析结果基本上能达到要求。单质量模型适用于初级阶段的设 计。但是，对于传动过程中的飞脱以及弹簧的受力等等这些更详细的情况，通 过质量模型很难得到准确的结果。通过这种方法，图2 - 1 为简化的配气机构单 质量系统模型。 图2 - 1 配气机构单质量系统模型 如图2 - 1 所示，凸轮的运动直接控制集中质量m 的运动，图中简化模型中凸 轮为等效的凸轮升程，把配气机构看作完全刚性时的气门升程。因此，必须先 求出等效凸轮升程x 关于凸轮转角a 的运动规律，才能得到集中质量运动规律 y ( - 1 ，x 的运动函数可用式( 2 - 1 ) 表示圆。 x q ) = ，办q ) 一x o ( 2 一1 ) 其中，为摇臂比，而为气门间隙，厅缸) 为从动件升程函数。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 集中质量的受力和运动关系可由牛顿第二定律可以得到式( 2 - 2 ) ：