（光学工程专业论文）发动机配气凸化轴负载扭矩计算及振动研究.pdf

中文摘要 摘要 发动机配气机构设计的优劣将直接影响到整个发动机的工作性能，其研究越 来越受到人们的重视。本文针对某顶置式配气凸轮轴机构进行了运动学和动力学 分析，推导出配气凸轮轴负载扭矩的理论计算公式，找到了计算配气凸轮轴负载 扭矩的一种理论方法，并用公式分别计算出该配气凸轮轴在几种典型转速下的负 载扭矩。应用a n s a 软件建立该配气机构的瞬态响应有限元模型，利用l s d y n a 软件对模型进行瞬态仿真分析，分别得到配气凸轮轴在几种典型均匀转速下挺柱 与凸轮的接触力和气门的运动规律，由此计算出配气凸轮轴负载扭矩的仿真值。 通过理论计算结果与仿真计算结果的相互对比，使理论计算公式和仿真分析方法 相互验证，并同时验证了有限元模型的正确性。 通过对配气机构的瞬态有限元分析，结合凸轮轴的瞬时约束模态分析，得到 凸轮轴的振动主要为弯曲振动，并得到凸轮轴弯曲振动大小与凸轮轴转速的变化 关系。同时对凸轮轴是否发生扭转共振以及扭转振动大小进行了一定的分析。根 据弯曲振动的变化趋势，分析影响凸轮轴弯曲振动的主要因素，并提出了一定的 控制方法。 本文的主要研究及相关结论如下： 对配气机构进行受力分析，推导出了凸轮轴负载扭矩的理论计算公式。利 用所推导的理论公式计算了本文所研究的配气机构凸轮轴在几个常用转 速下的负载扭矩。 对单个凸轮气门机构进行了简化，建立了有限元模型，并对其进行了仿真 分析，根据仿真数据计算得到了凸轮轴负载扭矩。对比理论计算结果与仿 真分析结果，显示吻合良好，验证了理论公式和有限元方法的正确性，并 验证了有限元模型的正确性。 根据单个凸轮气门机构的简化方式和模型建立方式，将整体配气机构进行 简化并建立了有限元模型，对其进行了瞬态仿真分析，计算得到了凸轮轴 负载扭矩，并将结果与单个凸轮气门机构的凸轮轴负载扭矩进行了对比， 两种结果吻合良好，验证了整体配气机构有限元模型的正确性。 建立了配气凸轮机构凸轮轴振动响应分析模型，并对其进行了瞬态分析， 同时对凸轮轴进行了瞬时约束模态分析，结合瞬态分析结果和约束模态分 析结果对其进行了振动响应分析，得到了凸轮轴的弯曲振动特性以及凸轮 轴弯曲振动程度大小随转速变化的关系曲线。 建立了凸轮轴扭转振动的分析模型，并对其进行了扭转振动分析和自由模 重庆大学硕士学位论文 态分析，分析发现凸轮轴在工作过程中出现了扭转振动但是并没有发生扭 转共振，载荷的大小及施加位置是影响扭转角大小的主要因素。 分析了凸轮轴弯曲振动的原因，对凸轮轴刚度、凸轮轴轴承座宽度等对凸 轮轴振动的影响进行了研究，根据分析结果提出了几种控制凸轮轴弯曲振 动的有效方法。 关键词：配气机构，凸轮轴，瞬态分析，振动研究 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h ed e s i g no ft h ev a l v et r a i nw i l la f f e c tt h ef u n c t i o no fw h o l ee n g i n ed i r e c t l y , s o t h e r ei sm o r ea n dm o r ep e o p l ep a ya t t e n t i o nt ot h ei n v e s t i g a t i o no fi t t h ep a p e r a i m i n g a tt h eo v e r h e a dc a m s h a f tv a l v em e c h a n i s m ，g i v em o t i o na n dd y n a m i ca n a l y s i st oi t ，t h e t h e o r e t i c a ls o l u t i o ni sd e r i v e db yt h el o a dt o r q u eo fc a m s h a f t ，a n dt h u sl o a dt o r q u eo f t h ev a l v et r a i nc a m s h a f t si ns e v e r a lt y p i c a ls p e e dw e r ec a l c u l a t e d av a l v et r a i nf i n i t e e l e m e n tm o d e lo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n eh a sb e e nd e v e l o p e du s i n ga n s af o r t r a n s i e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h e nt h ec o n t a c tf o r c eo f t a p p e ta n dv a l v et r a i nc a m 、v a l v e s p e e d ，v a l v ed i s p l a c e m e n t 、v a l v ev e l o c i t y 、v a l v ea c c e l e r a t i o nd a t aa n ds oo nw e r e c a l c u l a t e da ts e v e r a lt y p i c a lu n i f o r ms p e e do fc a m s h a f t ，t h u st oc a l c u l a t et h es i m u l a t i o n r e s u l to fc a m s h a f tl o a dt o r q u ev a l u e b ym u t u a lc o m p a r i s o no ft h et h e o r e t i c a lr e s u l t s w i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h et h e o r e t i c a lf o r m u l aa n ds i m u l a t i o na n a l y s i sw e r er e c i p r o c a l a u t h e n t i c a t i o nf o re a c ho t h e r , a n dv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l b yt h e v a l v et r a n s i e n tf m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t hi n s t a n t a n e o u s c o n s t r a i n t sm o d a la n a l y s i so ft h ec a m s h a f t ，t h ec a m s h a f tv i b r a t i o nn a t u r ew a sb e r e c e i v e d ，a sw e l la st h er e l a t i o no fc a m s h a f tv i b r a t i o ns i z ea n dt h ec a m s h a f ts p e e d v a r i a t i o n a tt h es o m e t i m e ，t h et o r s i o n a lv i b r a t i o no nv a l v et r a i nh a sb e e na n a l y s i s a c c o r d i n gt ob e n d i n gv i b r a t i o nt r e n d ，t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec a m s h a f tb e n d v i b r a t i o nw e r eg o t ，a f t e rt h a tt h ee f f e c t i v em e t h o d st oc o n t r o lc a m s h a f tv i b r a t i o nh a v e b e e np r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c ha n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： a n a l y z e d t h ef o r c e so fc a m s h a f ts y s t e m ，a n dd e d u c e dt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a o ft h ec a m s h a f tl o a dt o r q u e m a k eu s eo ft h et h e o r e t i c a lf o r m u l at oc a l c u l a t e t h el o a dt o r q u ec a m s h a f ti ns e v e r a lc o m m o n l yu s e dv e l o c i t i e sf o rt h ev a l v e m o d e lw h i c ht h i sp a p e rs t u d i e d t os i m p l i f ym o d a l i t i e so fs i n g l ec a mv a l v et r a i ns y s t e ma n de s t a b l i s h e di t s f m i t ee l e m e n tm o d e l ，t h e nm a k et h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，b a s e do nt h e s i m u l a t i o nd a t ac a l c u l a t et h el o a dt o r q u eo fc a m s h a f t c o m p a r i n gt h er e s u l to f t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t ，i ti ss h o wt h a tt w or e s u l t a g r e e m e n te a c ho t h e rv e r ym u c h ，t h et h e o r e t i c a lf o r m u l aa n ds i m u l a t i o n a n a l y s i s w e r e r e c i p r o c a l a u t h e n t i c a t i o nf o re a c ho t h e r , a n dv e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l i i i 重庆大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e dm o d a l i t i e sa n dt h em e t h o dw h i c ht h em o d e l e s t a b l i s h e do ft h es i n g l ec a l t lv a l v et r a i n ，t h ew h o l ev a l v et r a i ns y s t e mh a sb e e n s i m p l i f i e da n d i t sf i n i t ee l e m e n tm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h e ni t st r a n s i e n t s i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e nd o n e ，b a s e do nt h es i m u l a t i o nd a t ac a l c u l a t et h e l o a dt o r q u eo fc a m s h a f t a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t l lt h es i n g l ec a m v a l v et r a i nc a m s h a f tl o a dt o r q u e ，t h et w or e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n t ，s ot h e c o r r e c t n e s so ft h ef i i l i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew h o l ev a l v et r a i nh a sb e e n v e d f i e d t h ev a l v et r a i ns y s t e mc a m s h a f tv i b r a t i o nr e s p o n s ea n a l y s i sm o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e da n di t st r a n s i e n ta n a l y s i sh a sb e e nd o n e ，a sw e l la st h ec a m s h a f t c o n s t r a i n tm o d a la n a l y s i s ，i t sv i b r a t i o nr e s p o n s eh a sb e e nr e s e a r c h e dc o m b i n e d w i t ht h et r a n s i e n ta n a l y s i sr e s u l t sa n dt h ec a m s h a f tc o n s t r a i n tm o d a la n a l y s i s w eg o tt h eb e n d i n gv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a m s h a f t ，a sw e l la st h e r e l a t i o nc u r v eo fc a m s h a f tb e n d i n gv i b r a t i o ns i z ea n dv e l o c i t yo fc a m s h a f t mv a l v et r a i ns y s t e mc a m s h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o nr e s p o n s ea n a l y s i sm o d e l h a sb e e ne s t a b l i s h e d a n a l y z e dt h et o r s i o n a lv i b r a t i o no ft h ec a m s h a f ta n dt h e c a m s h a f tf r e em o d a l t h er e s u l ts h o wt h a tc a m s h a f th a sal i t t l et o r s i o n a l v i b r a t i o nb u th a v en o tt o r s i o n a lr e s o n a n c e ，t h em a i nf a c t o rw h i c he f f e c tt h e c a m s h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o ni st h em e a s u r e m e n to fl o a d r e a s o n so ft h eb e n d i n gv i b r a t i o n so ft h ec a m s h a f th a sb e e ns t u d i e d ，t h e n a n a l y z e dt h ee f f e c to fr i g i d i t yo fc a m s h a f t 、w i d t ho fc a m s h a f tb e a t i n gs e a tf o r c a m s h a f tb e n d i n gv i b r a t i o n s ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t ss e v e r a le f f e c t i v e w a y st oc o n t r o lt h ec a m s h a f tb e n d i n gv i b r a t i o nh a sb e e ng i v e n k e y w o r d s ：v a l v et r a i n ，c a m s h a f t ，t r a n s i e n ta n a l y s i s ，v i b r a t i o ns t u d y i v 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景及意义 配气凸轮轴是发动机配气机构的重要元件，起到定时开启和关闭各缸进、排 气门的作用，其性能的优劣将直接对整个发动机的工作产生重大影响，配气机构 的种类日益增多，其研究也越来越受到重视。现在很多内燃机车的配气机构凸轮 轴都在承受高速情况下的冲击载荷，噪声和振动也都相继加大，这对配气机构的 工作产生了恶劣的影响，导致配气机构的动力性能日趋恶化，对提高内燃机整机 性能极其不利。随着科技的高速发展，气门运动规律、气门反跳、凸轮从动件的 飞脱、凸轮与挺柱的接触应力等方面的问题已经得到了深入的研究和解决【1 4 1 。而 凸轮轴负载扭矩作为正时轮系设计和分析的边界条件，其计算准确性对正时轮系 的设计影响很大。同时由于凸轮轴在工作过程中受到由气门经挺柱传来的各缸燃 气爆发引起的冲击载荷、以及由皮带传来的曲轴波动转速的影响，使得凸轮轴在 工作中常出现振动产生噪音，继而影响正时轮系的运动控制【5 】。 因此，对现代内燃机车配气机构凸轮轴进行负载扭矩计算和振动响应分析， 得到凸轮轴负载扭矩随凸轮轴转角的变化关系曲线；分析配气凸轮轴的振动，确 定凸轮轴的振动性质，分析影响其振动的主要因素，在此基础上寻找控制其振动 的有效方法是十分必要的。这对设计具有良好的动力性能、经济性能的配气机构， 提高内燃机整体性能指标，提高国有企业的竞争能力，具有一定的意义。 鉴于上述情况，本文首先对配气机构进行动力学和运动学分析，推导凸轮轴 负载扭矩的计算公式，拟应用有限元方法对发动机配气凸轮轴进行瞬态仿真分析， 对配气凸轮轴负载扭矩、凸轮轴振动特性、以及相关参数对配气机构凸轮轴振动 的影响等问题进行一定的研究，计算出凸轮轴所受负载扭矩随凸轮轴转角的变化 关系曲线、确定凸轮轴振动性质，在此基础上通过分析凸轮轴振动的主要影响因 素，找到合理有效的控制凸轮轴振动的方法。这不仅为配气机构的设计提供参考， 也为进一步研究配气机构的振动问题奠定了基础，显然，无论是在工程应用上， 还是在学术研究上，本文都具有一定的研究意义。 1 2 国内外研究现状 配气凸轮机构的广泛应用推动了相关的研究和其自身的发展。最初人们对凸 轮机构的研究停留在凸轮的运动和简单几何形状上，以满足从动件运动的位置要 求。2 0 年代，机器通常在低速情况下运行，凸轮机构的设计完全依赖几何结构和 经验。那时的凸轮廓线通常是通过试凑法，用直线和圆弧组成的廓线来制成，很 重庆大学硕士学位论文 少注意到机构所涉及的力学问题。当时的设计只局限于运动条件，尤其是限制凸 轮机构的最大加速度值，以保持较低的动力载荷。因为只考虑加速度值，所以对 加速度的变化形式就不再考虑了。一些简单的解析函数，例如正弦曲线和抛物曲 线，在那时得到普遍应用。然而，随着机器转速的增加，证明这些凸轮廓线动力 性能比较差。设计者没有认识到这些具有较, t i , d n 速度值的凸轮曲线会产生加速度 突变，并且易于引起振动。3 0 年代，由于内燃机转速的提高，很多汽车和飞机的 配气机构的机械失效问题没办法用传统的分析方法解决。从而使人们渐渐接受了 尽量避免高速凸轮机构的加速度值发生突变的这一观点。即不仅加速度曲线的最 大值是很重要的，而且跃动度即加速度对时间的导数也很是同样重要的。但如何 来设计没有跃动度的凸轮轮廓线还是个迷。此外，因为要求高阶导数是连续的， 于是就开展了凸轮许用加工误差、表面实际光洁度、波度等方面的研究。有了较 好的实验设备以后，经内燃机气门实际效应的研究证实，高速情况下，气门的运 动和按静态算出的理论值之间差别很大。对凸轮从动件振动问题的认知，引起了 5 0 年代对该机构的大量研究，后来有些研究者又试图得出各种修正凸轮曲线。还 有人建议用衰减调和级数作为凸轮曲线。用调和级数作凸轮曲线时，凸轮曲线的 计算精度主要取决于凸轮曲线的傅里叶级数的项数，由于这种调和级数在实际应 用时必须舍去后面的某些项和其数学收敛的不确定性，因此很难确定用几项才能 保证在运动范围的终点处所需要的精度。随着各种机械在寿命、速度、效率、可 靠性和噪声等方面的要求不断提高，对凸轮机构的研究也逐步深化和扩展。特别 是5 0 年代以来，各种数值方法和计算机技术的发展，使很多研究能够更加深入下 去，从单纯地考虑运动分析、几何尺寸、静力分析，发展到考虑润滑、动力学、 弹性变形误差影响等，其研究方向发展到数十个之多。 近十年来国内、外学者对配气凸轮的研究主要有以下内容： 国外方面： 1 9 9 1 年w a n g ，k w 【5 】等人研究了发动机配气机构的动载荷及配气凸轮轴的扭 转振动对正时机构的振动和噪声产生很大的影响，并且会增加正时系统传动件之 间的啮合噪声和振动程度。研究人员对链驱动系统做了很多研究，建立了链驱动 式的发动机配气机构多参数模型，通过该模型研究了凸轮轴负载扭矩。发现凸轮 轴的振动会引起配气机构的纵向振动并且会使正时传动链上的张紧力发生改变。 影响其振动的参数有很多，但是链的横向振动是决定整个系统噪声、振动的关键 因素。 1 9 9 2 年z l y a $ a k a ，y ( i k s e l y i l m a z l 6 1 等人，建立了凸轮机构的动力学模型，对凸 轮轴的扭转振动进行了分析，获得了描述机构动态特性的参数。认为其扭转是由 于挺柱与凸轮轴之间不断变化的接触力造成的，而凸轮轴的振动又会反过来影响 2 1 绪论 挺柱的运动及两者之间的接触力。 2 0 0 0 年g d a l p i a z ，a r i v o l a 7 1 等人对摩托车发动机配气机构建立了集中参数 模型来分析其动力学特性，该模型考虑了许多随时间急剧变化的非线性因素的影 响，并用该模型来预测机构的接触力大小、零件的飞脱或弹跳以及系统不正常的 动态现象等。 2 0 0 0 年sm e s s e l 8 等人建立了一个瞬态弹性流体动力学润滑模型，然后分析了 凸轮不同的盐率半径、流体速度以及载荷，计算中把油膜厚度看成是时间和位置 的函数。为了减小计算时间，采用多网格、多水平多迭代技术。 2 0 0 3 年t e o d o r e s c um ，k u s h w a h a lm ，r a h n e j a th ，t a r a z a ，d 【9 j 等人结合动力 学和摩擦学，研究了一款直列四缸发动机凸轮轴扭转振动对配气机构动态特性的 影响，研究所获得的数据对指导发动机的设计和配气机构的设计具有重要的意 义。 2 0 0 4 年t e o d o r e s c um ，r a h n e j a th ，r o t h b e r gs j i l o j 等人分析了配气机构的复杂 运动情况，考虑了各个零件间的大运动位移，例如气门、摇臂、凸轮等以及各种 载荷之间的相互作用，如气门与气门导管之间、凸轮与挺柱之间、气门与气门座 之间、摇臂与摇臂轴之间的摩擦特性，特别是接触和摩擦的相互作用以及零件的 弹性振动等。考虑了配气机构中凸轮轴的弹性变形及配气机构中的接触问题，建 立了配气机构模型，对某直列四缸发动机配气机构进行了分析，结合数值分析和 实验数据对其进行了接触的动力学和运动学的综合研究。 2 0 0 6 年c h r i s t e rs p i e g e l b e r g ，s o r e na n d e r s s o n 1 1 】等人用刚体模型来仿真配气机 构中摇臂和气门之间的摩擦和磨损，摩擦力的计算是分别利用3 d 接触模型和库 伦摩擦模型，而磨损的计算是利用a r c h a r d 磨损模型。 2 0 0 6 年n a g a r a j n a y a k ，p a 1 2 j 等人利用a v l t y c o n 对配气机构进行动力学 仿真，并提出一种用于定量评价推杆磨损的方法，最后通过分析，给出了降低推 杆磨损的设计方法。 2 0 0 7 年m t e o d o r e s c u ，h r a h n e j a d l 3 】等人建立了一种集中参数模型来预测有 限长圆柱与有弹性层的底层之间的非均匀接触特性，并把其应用于发动机配气机 构中。在高速高载时，特别是对于凸轮与推杆的接触，抗磨损弹性层对接触力学 性能具有重要的影响。 2 0 0 9 年m e h r g o um e h d i 1 4 1 等人考虑到内燃机，特别是重型柴油机的驱动零件 一般都是有很大惯性的旋转零件，如发电机、螺旋桨，以及凸轮轴受到的周期性 载荷、发动机内的扭转振动、凸轮轴速度的上下波动、系统阻尼等条件，基于 a d a m s 软件对一个有缺陷的联动发动机的配气机构建立了多体动力学模型，并 对配气机构进行了运动学及动力学分析。 重庆大学硕士学位论文 2 0 1 0 年h u b e r ，r o b e r t ，k l u m p p ，p e t e r ，u l b r i c h ，h e i n z 1 5 j 等人对可变配气机 构进行了相关研究分析。建立了配气机构的模型，对配气机构各个部分进行了仿 真分析并与实验数据做了对比，发现结果对应良好，并得到了可以应用于多系统 的最优数据。 2 0 1 0 年p a s t o r e l l is t e f a n o 1 6 等人对配气机构中使用机械弹簧和空气弹簧进行 了对比，并对使用两种弹簧时的配气机构进行了系统的动力学特性分析。对配气 机构的凸轮型线进行了优化，采用集中参数模型来预测高次谐波的凸轮轮廓对系 统动力学的影响。对凸轮与挺柱之间的接触力进行了估计和计算。 2 0 1 0 年g u oj i e ，z h a n gw e n p i n g ，c a oy i p e n g j 等人应用集中参数法考虑了 凸轮轴的扭转振动和弯曲振动建立了配气机构整体动力学模型，建立了基于库伦 摩擦原理的凸轮与挺柱的接触力模型。通过有限元计算得到了接触刚度系数。其 计算结果与实验室数据对比结果吻合良好，本文所建立的模型可以对配气机构的 动态特性进行分析和预测，例如气门弹跳、气门弹簧颤振、凸轮与挺柱的接触等。 2 0 11 年g u oj i e ，w e n p i n gz h a n g ，d e q u a nz o u 1 8 等人对发动机内部的灵敏零 件进行了分析，例如用波动方程来描述气i 、j 弹簧的动态，用摩擦学理论和有限元 相结合的方法来描述凸轮与挺柱的接触等，建立了考虑凸轮轴扭转振动及弯曲振 动的配气机构模型，并分析了包含凸轮轴弯曲振动和扭转振动的配气机构的动态 特性。 2 0 1 1 年h l i u ，dk i m 驯等人提出一种新方法考虑不同的固有频率和阻尼比 来预测弹簧的振动振幅，配气机构弹簧的往复振动是决定高速配气机构动态特性 的临界因子。由于精确的确定弹簧的振幅是很难的，特别是非线性可变节距弹 簧，这是一个需要反复试验而从中找到解决办法的过程。文章中用一种新方法， 即用可变自然频率和可变阻尼率来预测弹簧振幅。首先由压缩导致的固有频率和 阻尼比的变化是由自由长度的节线预测的。其次弹簧振动的振幅是通过解含有非 线性振动系数的波动方程而得到的。特定配气机构弹簧的振幅一般用空转实验与 通过弹簧和凸轮型线数据得到的理论结果相对比来预测。 国内方面 1 9 9 0 年华梅堂，钮心宪【2 0 j 等人提出了一种新的诊断技术一用凸轮轴扭矩信号 作为判别柴油机燃油喷射系统工作状态的参数，对凸轮轴扭矩进行了分析。理论 和试验表明用扭矩诊断技术可以诊断喷油系统的常见故障，用凸轮轴扭矩信号可 以在试验台上或在柴油机上对多至l8 缸的组合式油泵各缸的喷油正时、供油量均 匀性进行监测和调整。 1 9 9 1 年刘尔铎，李惠珍，李晶【2 1 1 等人针对以往内燃机配气机构动力模型的不 足，首次将多柔体动力学理论应用于配气机构，建立了配气机构动力分析的多柔 4 1 绪论 体动力学模型。同时考虑了气门初始间隙以及由此产生的冲击现象，并研究了凸 轮轴刚度、摇臂支座刚度及凸轮升程高阶频率对气门运动规律的影响。最后以柴 油机配气机构为例进行了实际计算，所得的气门运动规律与实测结果相符合。 1 9 9 2 年赵雨东，陆际清1 2 2 1 等人提出了分析下置凸轮轴配气机构动力学特性的 一种新模型，其中包含四个集中质量和两个均质等截面直杆，可用来详细分析配 气机构各构件的运动和受力情况，包括气门落座冲击力和弹簧颤振。 1 9 9 4 年道克森，施继民【2 3 】等人提出了适合高速车用发动机顶置凸轮轴配气机 构的有限元动力学模型，论述了有限元法对配气机构动力学连续模拟研究的优越 性。并对某一特定增压柴油机配气机构进行了自振频率计算及动态响应计算分 析。发现了弹簧在气门落座后仍有振动，且可以根据弹簧的振动幅值和频率具体 了解弹簧的振动情况。 1 9 9 5 年乐俊秉，李惠珍，方华，吴广全1 2 4 1 等人采用有限元动力模型，对顶置 凸轮轴配气机构进行了动力学分析计算，在已知凸轮升程数据的条件下，求出了 凸轮轴不同转速时的气门运动规律，配气机构各阶自振频率和振动振型，并研究 了油压、油温以及混入气泡量不同时，气门间隙液压调节器对配气机构运动特性 的影响。研究表明配气机构有限元动力模型可以计算各个零件的运动规律、零件 之间的接触力、各阶自振频率、振动振型及气门弹簧的运动规律，因此比单质量 及多质量动力模型优越。配气机构的低阶振动皆为气门弹簧的大振幅振动，气门 间隙调节器的油压和油温在一定范围内变化时，对配气机构的动态性能影响非常 小，但其液压容器中窜入较多气泡( 超过o 5 ) 时，对配气机构的动态性能有较 大影响。 1 9 9 7 年周锦生，范鸿刭2 5 j 等人建立了一个内燃机配气机构等参数动力学模 型，并用该模型分析了p a 6 2 8 0 柴油机配气机构的动态响应，计算出的白振频率、 气门升程及气门加速度等与实测值吻合得很好。结果还表明该发动机的配气机构 在高速工作时有飞脱的危险，气门开启时冲击较大。 1 9 9 9 年李建秋，欧阳明高【2 6 j 等人对喷油泵凸轮轴的瞬时转速进行了测量，建 立了凸轮轴的单自由度弹性扭转振动模型，并从时域和频域对凸轮轴瞬时转速的 波动特征进行了分析。喷油泵柱塞压力的变化是导致凸轮轴瞬时转速波动并引起 固有频率振动的原因。 2 0 0 0 年葛正浩，刘宏昭，杨芙莲，彭国勋【2 7 】等人将一凸轮连杆机构系统分成 三个子系统研究，根据不同情况分别建立了子系统的有限元模型或集中参数模 型，并在此基础上得到了包含速度波动、凸轮轴的扭转及横向弯曲振动、从动滚 子与凸轮轴曲面间的接触变形、连杆机构的弹性振动等诸因素的整个系统的弹性 力学模型。 重庆大学硕士学位论文 2 0 0 2 年同济大学孙望强【2 8 】研究了凸轮轴在驱动力矩作用下所产生的扭转振动， 对滚子推杆从动件的输出所产生的影响，从动件的不同运动规律亦对凸轮轴的扭 转振动产生不同影响。在对扭转振动微分方程进行数值解后，绘制了不同运动规 律对凸轮轴扭转振动的影响曲线。分析表明增大扭转刚度可减小这种扭转振动， 但理论上不能避免地会产生这种振动。从动件运动规律对从动件的自振频率的影 响将大于对振幅的影响。 2 0 0 5 年孙少军，张俊红，程晓叫2 9 】等人基于c a e 的结构有限元技术，在对某 高压喷油泵凸轮轴复杂受力情况作详细分析的基础上，对该凸轮轴的可靠性进行 了校核。首先建立凸轮轴的三维实体模型，然后进行有限元网格划分，施加载荷 和边界条件，进行有限元计算。最后利用有限元结果计算喷油泵凸轮轴疲劳安全 系数，可以得到该喷油泵凸轮轴是否是安全可靠的。 2 0 0 6 年江征风，周超，丁毓掣3 0 】等人采用单自由度的质量弹簧振动模型对配 气机构进行动力学特性分析，以排气门为分析对象，得出气门落座时的冲击载荷 的曲线。应用a n s y s 有限元分析工具，对该模型进行分析计算，得出气门在最大 冲击载荷情况下的应力和变形情况等。发现气门在承受最大落座冲击力时，在与 气门座接触的气门锥面处有最大的应力，具有明显的应力集中现象。 2 0 0 7 年吴雁平，刘朝英，岳丽敏【3 l j 等人针对机车柴油机喷油泵凸轮表面常出 现点蚀、麻点、剥落等损伤问题，开展喷油泵凸轮轮廓升程段的接触应力研究， 分析导致喷油泵凸轮表面失效的原因。以某柴油机为例，通过对油泵凸轮轮廓曲 线进行几何分析，导出凸轮升程段的运动方程。采用弹性力学中的赫兹理论，建 立油泵凸轮接触应力的计算式，并通过计算机编程，从理论上计算和分析喷油泵 凸轮表面的接触应力。理论计算结果表明：喷油泵凸轮的接触应力虽高达1 4 2 11 6 5 5 m p a ，但并未超过许用应力值。因此建议从材料加工工艺方面查找原因，提高凸轮 表面加工质量，并采用复合强化工艺，进一步加大喷油泵凸轮表面的强度。 2 0 0 8 年唐林虎，曾贤虎【3 2 】等对高速凸轮驱动系统进行了研究，由于高速凸轮 驱动系统凸轮轴转速很高，其不平衡量引起的惯性离心力激励会引起凸轮副的强 迫振动，从而使得从动件输出运动与输入运动有较大的动态误差，并产生较大的 附加动载荷。从理论上分析了高速凸轮驱动系统在工作过程中发生强迫振动的原 因。并提出在与凸轮的旋转轴垂直的平面内找出合适的两个方位，并加上两块适 当的配重就可消除不平衡量的激励。因此，对凸轮驱动进行动平衡测试，消除不 平衡量，明显地降低了凸轮驱动系统旋转时的振幅，提高从动件输出运动的精度。 2 0 0 8 年谢黎明，黎新齐【3 3 】等对凸轮机构中主动件的运动规律进行了分析，建 立了振动模型，对凸轮机构主动件运动规律和振动进行了分析，得到了凸轮轴的 扭转振动的主要原因是角速度在某些场合下会变化。而导致变化的原因主要 6 1 绪论 是从动件的运动对凸轮的作用，使凸轮轴产生扭转振动而引起的角加速度；由于 载荷变化所引起驱动轴角速度的变化，而产生的角加速度以及驱动机构与凸轮轴 之间的传动零件误差引起的角加速度。 2 0 0 8 年宋济平，王全娟1 3 4 1 等人针对发动机配气机构，综合考虑气门挺杆、凸 轮推杆、摇臂、摇臂轴、摇臂轴支承座以及气门杆的非刚性，建立四自由度的动 力学模型。在受到推杆运动激励下，建立配气机构的动力微分方程，分析研究对 系统固有特性和频率传递特性。分析计算可以发现，发动机配气机构不同部件的 频率传递特性曲线形态各异，在工作的过程中，它们的动态响应特性亦将存在较 大的差别，单自由度系统模型将很难反映机构真实动态响应及动态传递规律情况， 自由度模型可以较为准确的反映配气机构动态特性。本文针对四自由度配气机构 建立了动力学微分方程，并进行了系统固有特性及频响特性分析，为进一步的动 态响应分析及结构动态优化设计做准备。 2 0 0 9 年李兴然，张保成，赵艳涛，马艳艳【3 5 】等人针对某柴油机的配气机构， 利用a d a m s 软件建立了其多体系统动力学模型，并对其进行了多体动力学仿真 分析，得到了配气机构主要运动件间的作用力，为后续柴油机整机振动和噪声的 分析和预测提供了更为精确的边界条件，分析了配气机构的气门所受冲击载荷以 及是否发生气门反跳和飞脱等现象。该文所建立的多体系统动力学模型可以很好 的描述配气机构动力学特性，所计算的结果与实验数据吻合很好。 2 0 0 9 年国杰，张文平【3 6 j 等人利用集中参数模型，考虑了系统的弹性、能量损 失、系统分离等影响因素分析内燃机配气机构的动力学规律。利用单自由度模型 计算气门升程、速度、加速度等，分析气门与气门座冲击带来的影响。通过对配 气机构进行单自由度动力学分析，发现配气机构在气门开启和气门关闭时均有较 剧烈的振动，转速越高，振动就越剧烈。 2 0 0 9 年覃文洁，贺建强，李志辉 3 7 1 等人针对某v 型发动机配气机构，以 a d a m s 为仿真平台，建立了单个配气机构以及含凸轮轴柔性体的配气机构总成的 多体系统模型，并对其进行相应的动力学仿真分析。发现凸轮轴变形以及各缸配 气机构的动力耦合，对配气机构的动态性能有一定的影响，凸轮轴轴承所承受的 载荷主要受相邻气缸各气门机构凸轮载荷及其合力的影响。 2 0 0 9 年刘刚，周校平，管斌，王真，黄震【3 8 j 等人针对常规理论解法和有限元 方法求解凸轮挺柱之间接触应力简化过多的问题，并考虑凸轮动力学设计要求， 应用t y c o n 软件对某型号发动机建立配气机构多质量动力学模型，对凸轮挺柱 接触应力进行了计算，分析了接触应力最大值分布情况以及各因素对其影响。 2 010 年杨晓，郭涛【3 州等人基于虚拟样机技术及其软件a d a m s ，实现对发动 机配气机构动力学仿真，得到了气门的升程、速度和加速度、凸轮与挺柱的接触 7 重庆大学硕士学位论文 应力等动力学结果，为配气机构优化提供了依据。分析结果表明：该虚拟样机能 够正确反映发动机配气机构实际的运动规律和动力学特性，说明应用a d a m s 软 件进行配气机构仿真分析的可行性。在无实际的物理样机的条件下，虚拟样机仿 真可提供大量的运动学和动力学参数结果，这些结果可用于分析机构的运动特性， 也为今后做进一步的分析和预测奠定基础。发动机配气机构的开发中，虚拟样机 技术不但能提高设计质量，缩短开发周期，还可以降低开发成本。 2 0 1 0 年王远，张家玺，朱会田【4 0 】等人通过建立配气机构一维动力学系统仿真 模型，获得发动机运行过程中凸轮轴承受的动态载荷。将一维动力学仿真结果作 为有限元分析的输入负载，对凸轮轴进行三维瞬态动力学分析，计算凸轮轴运转 过程中的应力时间历程并进行强度评价。以三维瞬态有限元分析结果作为疲劳分 析的输入，预测凸轮轴的疲劳特性。实践证明，该方法能有效地校核凸轮轴设计 方案，并为凸轮轴选材提供参考。 2 0 11 年李鹏飞，黄映云，高浩鹏，康桂东【4 l 】等人利用三维实体建模软件建立 柴油机整机三维实体模型，基于多体动力学理论及相关软件建立柴油机的刚体和 刚柔耦合多体动力学模型。改进边界条件，对柴油机配气机构进行运动学、动力 学仿真研究，获得了转速波动的柴油机配气机构性能参数。对比刚体与刚柔耦合 动力学模型的仿真结果，发现刚柔耦合动力学模型的仿真结果更合理。 上述国内外学者对发动机配气机构采用了不同的方法进行了一定的研究，主 要包括一下几个方面： 应用单自由度、多自由度等数学方法，建立集中参数模型、单自由度模型 或多自由度模型，研究配气机构的动态特性，气门的位移、速度、加速度 等，根据所得计算结果来校核凸轮型线，并对其进行优化等。 应用多体动力学方法分析配气机构的动态特性，不仅包括气门的运动规 律、运动速度、加速度、还研究了气门是否有跳动、凸轮从动件是否有飞 脱等从动件的运动特点。 应用有限元理论方法，研究了配气机构中的接触问题、例如凸轮与挺柱的 接触、气门弹簧与弹簧座的接触；接触力以及凸轮轴受到冲击载荷对机构 的影响等。 从上述国内外研究现状可知，虽然国内外已经有很多学者对发动机配气凸轮 机构的研究作了相当多的工作，但有些研究方法和研究对象仍有许多可以改进或 继续进行的工作，并有一些研究方向有待开发。主要表现在以下几个方面： 由于配气机构的特殊性用单自由度、多自由度等数学方法和多体动力学方 法对其进行研究往往很难综合而全面，因为配气机构是一个含有转动、变 速、平动相结合的复杂运动机构，其中还包含有接触、随时间变化的载荷 8 1 绪论 冲击等情况，若用单自由度或多自由度等数值方法研究，系统中的质量被 集中到一个至两点，这对运动规律产生一定影响；若用多体动力学方法研 究则凸轮与挺柱之间的非线性接触的准确性将无法保证。 而应用有限元分析对配气机构进行仿真分析时可以同时将与实际相符合 的接触，变化的载荷冲击、转动和平动等因素考虑进去，模型的质量及质 心保持不变，运动规律不会受到质量改变的影响，整个机构的运动情况可 以得到真实的展现，计算所得到的相应接触力、速度、加速度等多种数据 更加准确，因此可以对机构的受力、运动规律以及振动问题进行深入精确 的研究。 对配气机构接触问题、接触力以及凸轮轴载荷的研究，对凸轮轴载荷的精 确计算以及准确的凸轮轴负载扭矩的计算公式，还未见相关的文献报道， 而凸轮轴负载扭矩作为正时轮系设计和分析的边界条件，其计算准确性对 正时轮系的设计影响很大，因此十分有必要对其进行相关研究。 应用有限元技术对配气机构的研究较少，而各种研究中对凸轮轴进行振动 分析的研究更不多见；实际上由于凸轮轴在工作过程中受到由气门经挺柱 传来的各缸燃气爆发引起的冲击载荷、以及由皮带传来的曲轴转速的波动 影响，使得凸轮轴在工作中常出现振动产生噪音，继而影响正时轮系的运 动控制，因此对凸轮轴的振动性质、特点及控制方法等进行研究是十分必 要的。 1 3 本文研究内容 本文以某汽车发动机配气机构