（机械制造及其自动化专业论文）wd61844柴油机配气机构的改进设计.pdf

摘要 摘要 配气机构是柴油机的重要组成部分。一台柴油机的经济性能是否优越，工作 是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构的设计是否合 理有密切关系。随着柴油机的高功率、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 也提出了更高的要求。 w d 6 1 8 4 4 柴油机原配气机构存在一定的问题，主要表现在：凸轮磨损现象 严重，振动、噪音较大等。为了进一步提高w d 6 1 8 4 4 柴油机的性能，我们对其 配气机构进行了改进设计。主要工作如下： ( 1 ) 采用最小二乘法对原配气机构进、排气凸轮型线进行了曲线拟合，得出 了各段曲线的升程、速度、加速度计算公式，以便在此蒸础上对w d 6 1 8 4 4 柴油 机现有配气凸轮进行动力计算和尺寸链计算。 ( 2 ) 建立了配气机构的单自由度动力学模型，采用龙格库塔算法对原配气 凸轮进行了动力学计算。通过对计算结果进行分析，发现原排气凸轮型线存在飞 脱现象严重、接触应力过大以及加速度有突变点等缺陷，这样就有可能使凸轮与 推杆产生冲击，造成凸轮磨损、工作噪音大及工作不可靠等现象的发生。 ( 3 ) 为了分析活塞和气门之间的间隙，采用统计法对w d 6 1 8 4 4 柴油机静态 和动态时气门和活塞之间的间隙进行了尺寸链计算。 ( 4 ) 针对原配气机构存在的问题，提出了解决方案，并设计了新的排气凸轮 型线。 经实验验证，新凸轮在性能上比原凸轮有了较大的改善。改进后的w d 6 18 4 4 柴油机各项性能指标均能满足相关标准规定，通过了全速全负荷耐久考核，现己 投入生产，为企业取得了良好的经济效益。 关键词配气机构：动力计算；尺寸链计算；排气凸轮设计 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a l v et r a i ns y s t e mi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e c h a n i s m si nad i e s e le n g i n e i ft h ed i e s e le n g i n eh a sas u p e r i o re c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，ad e p e n d a b l ew o r k ，a n di f t h en o i s ea n dt h ev i b r a t i o nc a r lb ec o n t r o l l e di nal o w e rl i m i t ，w h i c hu s u a l l yd e p e n d s u p o ni t sv a l v et r a i ns y s t e m a l o n gw i t ht h er e q u e s t so f t h ed i e s e le n g i n e sh i g hp o w e r , s u p e r - s p e e d ，p e o p l ed e m a n dah i g h e rp e r f o r m a n c ei n d e x t h a ti s ，w h e nt h ed i e s e l e n g i n er u n su n d e rah i g hs p e e d ，i tc a ns t i l lw o r ks t e a d i l ya n dd e p e n d a b l y ，w h i c h d e m a n d st h a tt h ev a l v et r a i ns y s t e ms h o u l dh a v eah i g h e rp e f f o r m a n c e w d 6 1 8 4 4d i e s e le n g i n e so r i g i n a lv a l v et r a i ns y s t e me x i t sc e r t a i np r o b l e m s ，t h e m a i np r o b l e m sa r e ：t h ec a mw e a ri sv e r ys e r i o u s ，t h ep h e n o m e n o no fv i b r a t i o n ，a n d l o u dn o i s e i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw d 6 18 4 4d i e s e le n g i n e ，a n i m p r o v i n gd e s i g nh a sb e e nm a d ef o ri t sv a l v et r a i ns y s t e m t h em a i nw o r k sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) b yu s i n gm e t h o do f l e a s ts q u a r e s ，t h ec u r v ef i t t i n gw a sd o n et ot h ei n t a k ea n d e x h a u s tc a m p r o f i l e ，a n dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h el i f t ，t h es p e e da n dt h e a c c e l e r a t i o no f e a c hc u r v ew e r eg o t t h e r e f o r e ，t h ed y n a m i cc a l c u l a t i o na n ds i z e r c h a i n c a l c u l a t i o no fv a l v et r a i ns y s t e mi nw d 6 1 8 ，4 4d i e s e le n g i n ec a r lb ed o n eb a s e do n t h e s ef o r m u l a e ( 2 ) o n ek i n do fs i n g l ef r e e d o mm a s s - s p r i n gd y n a m i cm o d e lo ft h ev a l v et r a i n s y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ed y n a m i cc a l c u l a t i o nw a sm a d eb yu s i n gr u n g e k u t t a m e t h o d b ya n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，w ed i s c o v e r e dt h a tt h eo r i g i n a le x h a u s tc a m p r o f i l ee x i t e ds u c hf a u l t sa sf l y i n gt ot a k eo f f p h e n o m e n o n ，l a r g ec o n t a c tf o r c ea n dt h e a c c e l e r a t i o nh a v et oc h o pr o u n dt h ep o i n t ，w h i c hr e s u l t e di nt h ec o n f l i c t sb e t w e e nt h e c a ma n dt h ep o l e ，c a mw e a ra n dt e a r , l o u dn o i s ea n du n d e p e n d a b l ew o r k ( 3 ) i no r d e rt oa n a l y z et h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h ep i s t o na n dt h ev a l v e ，t h e s i z e c h a i nc a l c u l a t i o nw a sm a d eb yu s i n gs t a t i s t i c sm e t h o dw h i l ew d 6 18 4 4d i e s e l e n g i n ew a s a ts t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cs t a t es e p a r a t e l y i i 摘要 ( 4 ) t os o l v et h ep r o b l e m se x i s t e di nt h eo r i g i n a lv a l v et r a i no fw d 6 18 4 4d i e s e l e n g i n e ，an e we x h a u s tc a mp r o f i l ew a sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n tv e r i f i e s t h a tt h en e wc a mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h e o r i g i n a lc a m t h ei m p r o v i n gw d 6 1 8 4 4d i e s e le n g i n e sp e r f o r m a n c ei n d e xc a nm e e t w i t ht h er e l a t e ds t a n d a r d s ，a n di th a sp a s s e dt h ef u l ls p e e da n dw h o l ee n d u r i n gt e s t s a f t e rp u t t i n gi ti n t ou s e ，t h ee f f e c ti sv e r yg o o da n di th a sg a i n e da 1 1e x c e l l e n te c o n o m i c b e n e f i tf o rt h ee n t e r p r i s e k e yw o r d s v a l v et r a i ns y s t e m ；d y n a m i cc a l c u l a t i o n ；s i z e - c h a i nc a l c u l a t i o n ；e x h a u s t c a mp r o f i l ed e s i g n i i i 附件一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 寺、j 云 日期：兰! 生：! ! ：! 兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：童13 墨导师签名：垄l 耍i 望日期：垫些：! ! ：! 第l 章绪论 l l 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 配气机构是柴油机的重要组成部分。它的功能是实现换气过程。即根据气缸 的工作次序，定时地开启和关闭迸、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和摊除燃 烧废气【l 】。一台柴油机豹经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控 制在较低的限度常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。 一般说来，设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻 底，即具有较大的时间断丽值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机 构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的 冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律， 以及不太大的正、负加速度值【2 1 。而整个柴油机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的， 所以配气机构的这些性能指标在很大程度上取决于配气凸轮的结构1 3 】。 例如，对气门通过能力的要求，实际上可理解为是对由凸轮外形所决定的气 门位移规律的要求。显然，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构 运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。因此， 对气门通过能力的要求与对机构动力特性的要求之间存在一定矛盾，应视所设计 发动机的特点，如柴油机工作转速、性能要求、配气机构剐度大小等，在凸轮外 形设计中兼顾解决【4 棚。由此可见，配气凸轮是影响配气机构工作质量的关键零件， 如何设计和加工出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的阅题。 近些年来，随着柴油机的商功率、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、可靠的工作，这就对配气凸轮的 设计提出了更高的要求。因此，对离速柴油机配气凸轮进行优化设计有非常重要 的现实意义且应用前景广阔引。 1 2 柴油机配气凸轮设计发展概述 2 0 世纪初，随着汽车工业的迅速发展，凸轮机构的研究受到广泛重视。2 0 世纪4 0 年代以后，随着内燃机转速的增加，配气凸轮乃至整个配气机构引起的故 1 山东大学硕士学位论文 障日益增多，人们开始对配气凸轮机构进行深入研究，研究的方法也从经验性的 设计过渡到有理论依据的运动学与动力学的分析研究。2 0 世纪4 0 年代以来，有 关凸轮机构运动学与动力学的理论研究为凸轮机构的优化设计奠定了坚实的理论 基础【翻。随着计算机技术的发展，解析化的数值计算设计方法得到了快速发展， 计算机辅助设计和辅助制造技术逐步得到了应用陟1 。 目前，对柴油机的配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，包 括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力【6 1 等。国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变芷对等的研究有一些报 道0 2 - 1 9 j ，我国也在致力研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非 对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等问题1 2 0 - 2 3 1 。其中复且大学在型线设计、程序 设计、凸轮靠模计算等诸多领域独领风骚 6 1 。雨吉林工大则在多质量动力学研究 方面有所建树i jj 。 在凸轮型线设计中，采用最优化技术以来，经历了静态优化设计、动态优化 设计和系统优化设计三个阶段1 6 l 。 1 2 1 静态优化设计 在静态优化设计中，将配气机构看作绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变 形。使用该法设计凸轮型线，主要用三项指标来判别其好坏【6 】： ( 1 ) 静态充气性能。通常用挺柱升程、丰满系数和时面值来表示，希望此 值越大越好。 ( 2 ) 静态加速度峰值，即挺柱的最大正、负加速度值。其绝对值越小，凸轮 轴的高速动念性能越好。 ( 3 ) 轮廓面最小曲率半径或凸轮与挺挫表面的接触应力。设计凸轮时，应避 免其曲率半径过小否则会导致接触应力过大，使凸轮出现过早磨损。 用静态优化设计法设计的圆弧凸轮，虽然加速度曲线不连续，配气机构惯性 力有突变，但有较大的时一面值。对转速不高的柴油机来说，它所引起的振动和噪 音较小，故在较低转速的柴油机上还有一定的使用价值。但随着柴油机转速的提 高，扳动和噪音趋于严重。为解决此问题。人们又用该方法设计了函数凸轮，如 复合f 弦凸轮和复合摆线凸轮等，此类凸轮的加速度曲线都是连续的l lj 。但当柴 油机转速进一步提高时，配气机构的弹性变形会引起气门剧烈振动，严重时会破 2 第1 章绪论 坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动、噪音和零件 间的磨损，还会使充气性能有所下降。为了解决这些问题人们提出了动态设计 的方法【2 l 】。 1 2 2 动态优化设计 在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看作是弹性系统。主要由下 列指标来评价凸轮型线的好坏【6 】： ( 1 ) 气门的动态加速度峰值。即根据单质点振动模型或多质点振动模型计算 出的最大正加速度峰值和第一个负加速度峰谷，以及落座后的气门动态响应。 ( 2 ) 动态充气性能。即考虑进排气管压力波动、多缸机中各缸的抢气现象以 及配气相位对充气性能的影响。随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的 差别越来越大。这主要由两部分因素引起，一是转速提高后，吸气过程缩短，进、 排气管压力波的动态效应增大；另一方面气门会发生飞脱和反跳，破坏了正常的 静态充气性能。 ( 3 ) 挺柱与凸轮表殛的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。 用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、n 次谐 波凸轮等。多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形，并未考虑配 气机构的弹性振动，故没有从根本上解决配气系统的振动等问题。 谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条件 设计谐波凸轮，这种凸轮在理论上引起的振动最小，被认为具有良好的工作平稳 性。但设计时调整工作量大，特别是难以调整负加速度段的波动，且这种凸轮在 缓冲段和工作段连接处附近有波动很难做出合理设计，因此限制了它的应用。 动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动闷题，但仅局限于凸轮 型线的优化。现在已出现针对系统优化的模型 2 7 - 2 9 l ，将凸轮型线与配气系统的动 态行为统一考虑。这种模型较为全面地估计了对配气系统的各种要求，达到了较 好的效果。 1 2 3 系统动力学优化设计 系统动力学优化设计就是将配气凸轮型线与配气机构动态参数( 刚度和质量) 统一考虑在内，进行凸轮型线的优化设计1 3 0 - 3 3 i 。配气凸轮型线、凸轮转速和配气 3 第l 章绪论 坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动、噪音和零件 间的磨损，还会使充气性自有所下降。为了解决这些问题，人们提出了动态设计 的方法 2 ”。 1 2 2 动态优化设计 在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看作是弹性系统。主要由下 列指标来评价凸轮型线的好坏嘲： ( 1 ) 气门的动态加速度峰值。即根据单质点振动模型或多质点振动模型计算 出的最大正加速度峰值和第一个负加速度蜂谷，以及落座后的气门动态响应。 ( 2 ) 动态充气性能。即考虑进排气管压力波动、多缸机中各缸的抢气现象以 及配气相位对充气性能的影响。随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的 差别越来越大。这主要由两部分因素引起，一是转速提高后，吸气过程缩短，进、 排气管压力波的动态效应增大；另一方面气门会发生飞脱和反跳，破坏了正常的 静志充气性能。 ( 3 ) 挺柱与凸轮表匿的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。 用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、n 次谐 波凸轮等。多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形，并朱考虑配 气机构的弹性振动，故没有从根本上解决配气系统的振动等闷题。 谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条件 设计谐波凸轮，这种凸轮在理论上引起的振动摄小，被认为具有良好的工作平稳 性。但设计时调整工作量大。特剐是难以调整负加速度段的波动，且这种凸轮在 缓冲段和工作段连接处附近有波动很难做出合理设计，因此限制了它的应用。 动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题，但仅局限于凸轮 型线的优化。现在已出现针对系统优化的模型| 2 7 - 2 9 1 ，将凸轮型线与配气系统的动 态行为统一考虑。这种模型较为全面地估计了对配气系统的各种要求，达到了较 好的效果。 1 2 3 系统动力学优化设计 系统动力学优化设计就是将配气凸轮型线与配气机构动悉参数( 刚度和质量) 统一考虑在内。进行凸轮型线的优化设计1 3 0 , 3 3 i 。配气凸轮型线、凸轮转速和配气 统一考虑在内，进行凸轮型线的优化设计l ”i 。配气凸轮型线、凸轮转速和配气 3 第1 章绪论 坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动、噪音和零件 间的磨损，还会使充气性能有所下降。为了解决这些问题人们提出了动态设计 的方法【2 l 】。 1 2 2 动态优化设计 在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看作是弹性系统。主要由下 列指标来评价凸轮型线的好坏【6 】： ( 1 ) 气门的动态加速度峰值。即根据单质点振动模型或多质点振动模型计算 出的最大正加速度峰值和第一个负加速度峰谷，以及落座后的气门动态响应。 ( 2 ) 动态充气性能。即考虑进排气管压力波动、多缸机中各缸的抢气现象以 及配气相位对充气性能的影响。随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的 差别越来越大。这主要由两部分因素引起，一是转速提高后，吸气过程缩短，进、 排气管压力波的动态效应增大；另一方面气门会发生飞脱和反跳，破坏了正常的 静态充气性能。 ( 3 ) 挺柱与凸轮表殛的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。 用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、n 次谐 波凸轮等。多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形，并未考虑配 气机构的弹性振动，故没有从根本上解决配气系统的振动等问题。 谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条件 设计谐波凸轮，这种凸轮在理论上引起的振动最小，被认为具有良好的工作平稳 性。但设计时调整工作量大，特别是难以调整负加速度段的波动，且这种凸轮在 缓冲段和工作段连接处附近有波动很难做出合理设计，因此限制了它的应用。 动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动闷题，但仅局限于凸轮 型线的优化。现在已出现针对系统优化的模型 2 7 - 2 9 l ，将凸轮型线与配气系统的动 态行为统一考虑。这种模型较为全面地估计了对配气系统的各种要求，达到了较 好的效果。 1 2 3 系统动力学优化设计 系统动力学优化设计就是将配气凸轮型线与配气机构动态参数( 刚度和质量) 统一考虑在内，进行凸轮型线的优化设计1 3 0 - 3 3 i 。配气凸轮型线、凸轮转速和配气 3 山东大学硕士学位论文 g,pi i ! ii 目e 葛e 目! 毫! ! g s ! ! 自! ! 苎 机构参数之间有一个最优化匹配关系，其中凸轮型线正加速度的宽度对配气机构 的振动强度影响很大。因为激励的能量主要从正加速度传给整个配气机构，所以 凸轮正加速度的形状和宽度对凸轮激励特性具有决定性意义【3 0 1 。 一般系统动力学方法是将配气机构简化为单质量或多质量模型，得出系统运 动质量的微分方程，但一般不能得出解的表达式，无法对解的形态和特性进行分 析。 有学者 9 1 提出用摄动法研究配气机构动力学，可推出动态气门升程、速度和 加速度函数的近似表达式，不仅使解的速度大大加快而且可掌握解的特征，便 于进行分析和改进。但摄动法只适合于整体式函数凸轮，对组合式函数凸轮与气 门落座后缓冲段情况计算误差较大：另外无法精确考虑缓冲段的影响，因此气门 落座时计算误差较大，无法准确判断气门是否反跳。 吉林工业大学的李惠珍教授提出了用有限元法研究配气机构动力学弼，其特 点是用与实际配气机构更为接近的连续质量系统代替以往采用的集中质量系统。 在完成系统零件主要结构尺寸设计后，用有限元法进行动力学求解。该法比单质 量系统更接近实际，计算较为精确，是一种较为实用的动力学模型系统。 1 3 本文主要工作 w d 6 1 8 4 4 柴油机是潍柒动力股份有限公司从奥地希斯太尔公司引送的捧放 达到欧i i 标准的高速柴油机。2 0 0 3 年初在产品实验室进行全速全负荷耐久考核 时，发现有活塞碰气门现象，六个缸的活塞在排气门避碰坑处有不同程度的碰撞 现象。对凸轮轴和挺柱进行检查，发现进、排气凸轮磨损严重：网时与凸轮接触 的挺柱底部也有磨损，该情况导致试验无法进行。为了解决这些问题，迸一步提 高w d 6 1 8 4 4 柴油机的整机性能，本文对其配气机构进行了改进设计。主要工作 如下； 第2 章：采用最小二乘法对原配气机构迸、排气凸轮型线进行了拟合。拟合 后的凸轮型线方程所计算的升程值比较贴近真实值，误差不超过o 0 0 1 r a m ，说明 可以用拟合出的曲线方程求挺柱的升程、速度、加速度。给出了各段曲线的升程、 速度、加速度计算公式，以便在此基础上对w d 6 1 8 4 4 柴油机现有配气凸轮进行 动力计算和尺寸链计算。 4 第1 章绪 论 i i 第3 章：建立了配气机构的单自由度动力学模型，采用龙格库塔算法对原配 气凸轮进行了动力学计算。计算结果表明，配气机构的进、排气凸轮的最大接触 应力远远超出了材料的许用接触应力；配气机构的惯性力过大是造成凸轮接触应 力大的主要原因。分析计算结果还发现：当柴油机在标定转速下运行时，气门与 摇臂发生较严重的脱离现象。另外，加速度存在突变点，波动较大，原因是函数 凸轮的两段曲线衔接的不是太理想，造成衔接点附近出现较大的波动。建议通过 改进凸轮型线设计、提高配气系统和气门弹簧的刚度、优化配气系统的质量以及 改进凸轮材料和结构并采取强化处理措施( 如加宽凸轮宽度，采用激冷铸铁，挺 柱采用高频淬火铸铁等) 来改善配气系统的动力性和稳定性。 第4 章：为了分析活塞和气门之间的间隙，采用统计法对w d 6 1 8 4 4 柴油机 静态和动态时气门和活塞之间的间隙进行了计算。计算结果表明，在静态下不存 在气门和活塞干涉的问题；但在标定转速下，考虑活塞的受热膨胀，排气门和活 塞存在干涉的可能性还是较大的。因此，不能仅从配气机构采取措施减小气门飞 脱量，也要从活塞方面采取措施，如将活塞顶摊气门避碰坑深度由原来的1 3 r a m 改为1 8 r a m ，这样就可以大大降低排气门和活塞干涉问题的发生。 第5 章：新排气凸轮型线的设计。通过综合分析上述计算结果，发现原来的 进气凸轮综合性能比较好，如丰满系数、最大加速度值及加速度宽度总体上达到 了一个较好的水平。但是排气凸轮存在的问题比较多，如气门碰活塞、飞脱现象 及加速度存在突变等。因此我们将排气凸轮进行了改进，并针对原凸轮型线存在 的问题，设计了新的排气凸轮型线。比较薪凸轮与原凸轮的各项参数可以看出， 新凸轮在性能上比朦凸轮有了一定的改善：最大正加速度比原摊气凸轮有了较大 的降低，并且加速度连续，不存在突变点，有利于减轻配气机构的振动和降低噪 声。改进后凸轮的接触应力比原排气凸轮有了一定的降低，但仅仅改进凸轮型线 不能完全解决问题，还要从其他方面入手，如适当增加气门弹簧的刚度或适当增 加预紧力、减小配气机构的质量等。 潍柴动力股份有限公司采用了我们设计的新排气凸轮。并根据建议对 w d 6 1 8 4 4 柴油机原配气机构进行了改进。对改进后的活塞和凸轮轴进行装机性 能试验，拆机检查，活塞上没有气门碰撞痕迹，凸轮与挺柱接触面也没有磨损现 象，重新装机后再进行全速全负荷耐久试验，拆机检查未发现前述异常现象，证 5 山东大学硕士学位论文 明对配气机构的改进是成功的。改进后的w d 6 1 8 4 4 柴油机通过了全速全负荷耐 久考核，各项性能指标均满足相关标准规定，现已投入生产，为企业取得了良好 的经济效益。 6 第2 章i l i d 6 1 8 4 4 柴油机配气凸轮曲线拟合 第2 章w d 6 1 8 4 4 柴油机配气凸轮曲线拟合 2 1 引言 配气机构凸轮挺柱升程函数是一种表格形式，即给出的是一系列离散点值。 在分析配气机构的性能和进行动力学计算时，希望凸轮挺柱升程函数脚a ) 是一 种解析形式。这样不仅便于对气门运动规律进行研究，而且解析求解比数值解的 计算量要少，这就是工程上希望的能有一个“公式”来表示实测凸轮挺柱升程。 目前，高速内燃机配气凸轮几乎都采用连续函数凸轮，如多项式函数、高次方函 数和无冲击函数等 3 4 - 3 7 】。一些人认为从它们的升程和速度曲线来看，是大同小异 的，可以用高次多项式函数来拟合1 ”。拟合方法采用最小二乘法。 2 2 最, j 、- - 乘法拟合多项式 2 2 1 定义 设有n 对数据 ，r j ( j 2 1 ，2 ，3 ，川，从这些数据中找一个m 次近似多项 式 p ( x ) = 口o + a l x + + a m x “( 卅 n ) ( 2 1 ) 适当选取“0 l 一 “”使得： 庐( ，口i ，一，口舸) = ：。f p ( 鼻，) 一l 】2 为最小，则称式( 2 1 ) 为最小二乘拟合 多项式【4 0 】。 2 2 2 用最, j 、- - 乘法求数据的拟合曲线 ，q ，) ：。【j p ( z ，) 一l 】2 = ：。【：。q x ：一】2 ( 2 2 ) 对吼求偏导数( 七= 0 , 1 ，2 ，m ) ，得m + 1 个方程： 。= 2 ：，【和工：一y j 】z ；_ 2 【：“工，一x ；】= o 7 即：知= 。，h x ； 记：o 。x ；= 瓦 ( 2 3 ) ：；x ；= s 。 ( 2 4 ) p n” 则上式可写成：乙川q + ，2 2 i ( 七= 0 , i ，2 ，一，叻 朗 即有 口0 5 0 + 口l s l + + a m s m = 瓦 口。墨+ n l s 2 + + 口。s + 1 = ti ，f d 。s 。+ 口。s 。+ + 口。s ：l j s os is 2 s 。 s ls 2s 3 s ，“ s 。s 。+ 。s 。+ 2 s a o 口 兀 z ( 2 5 ) 先按公式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 求出、，再由( 2 5 ) 求出口d ，n ，q 2 d 。 由此求出p c 砷，可得凸轮升程函数近似解析式。 2 3 用高次多项式函数拟合凸轮型线 由于凸轮是由基圆、缓冲段和工作段组成，而缓冲段和工作段的函数形式和 特点各不相同。目前高速内燃机的凸轮基本上都采用等加速一等速型或余弦型缓 冲段【6 9 1 。我们对数据进行了初步分析后，确定缓冲段就是等加速一等速型缓冲 段。工作段则采用整体式高次多项式函数进行拟合。 2 3 1 等加速一等速缓冲段的曲线拟合 首先对等速段进行曲线拟合，等速段的升程函数是直线方程。不妨设其形式 为： h ( a ) = a ( o c 一口o ) ( 口 一口o ) + b 式中g 凸轮转角( 度) 口o 等速段始点( 度) 8 第2 章w d 6 1 8 4 4 柴油机配气凸轮曲线拟合 口一等速段终点( 度) a ，卜待定系数 根据等速段上各测点口的实测升程日用最小= 乘法即可求得系数，b 的 值，得等速缓冲段实测升程的最优逼近方程。 设等加速缓冲段的升程函数为： 日( g ) ：k ( ，a - z b ) 2 、+ c 【口。一9 6j 式中口凸轮转角( 度) 口。等加速段始点( 度) 口c 等加速段终点( 度) 足、c 一待定系数 根据等速段和等加速度升程、速度连续的条件，并令等加速度段起始点速度 为零即可求得其升程函数。 2 3 2 工作段的曲线拟合 尽管工作段函数形式多样，但高速内燃枧配气凸轮升程的高阶导数是连续的， 加速度曲线较光滑，可用高次多项式来拟合，即： t t ( a ) = a o + 彳l z + 彳2 2 + 一+ a 。z ” 出于本凸轮是对称凸轮，所以取x 旬 式中a 。工作段半包角 a 凸轮转角( 度) a o ，a ，、a 2 一a m 拟舍函数系数 2 4 用高次多项式函数拟合凸轮型线结果分析 2 4 1 进气门凸轮型线拟合 由于进气凸轮是对称的( 排气凸轮同) ，所以只取8 4 。0 。进行分析。根据凸 9 山东大学颈士学位论文 曼曼曼曼墨黑墨曼墨旨鼍詈- 墨量量e 目e i 篇i 懒商置墨墨舅舅墨墨蕾_ | 鼍量鹭拳岛皇蔓! ! 鼍 轮各段对应的高次方函数幂次分布的经验取值范围，我们进行了幂次选取，拟合 出的凸轮升程、速度、加速度方程如下： 升程：( r a m ) 1 上升段曲线方程 a 等加速段曲线方程 脚) = 0 1 0 2 2 6 x 了5 + 8 4 ) 2 - 0 0 0 7 0 7 5 2 x ( 华 b 等速段蓝线方程 雌) 地2 4 1 4 9 牟) + 0 0 3 8 6 0 6 i j c 工作段曲线方程 ( 一8 4 口 一7 7 ) ( 7 7 口 - 6 6 ) 即) _ 8 - 0 5 3 3 5 + 1 6 6 9 2 6 _ 3 3 2 5 + i b 6 9 1 6 3 2 3 9 6 。q 5 + f 6 9 ) 9 1 9 4 ( 等) 4 五7 1 4 8 ( 竺善7 9 4 8 2 ( 竺半) 2 + 0 2 5 9 2 8 x u 1 6 + 6 9 ) + 0 1 2 0 5 8 9 ( 一6 6 蔓搿 - 5 5 ) ( 口) = 7 8 3 0 5 ( ) ”一2 8 3 3 9 ( a 5 7 ) ”+ 4 0 1 0 8 ( ) ”- 2 9 3 ，6 3 ( 7 ) ”+ 1 2 9 0 5 ( 一3 3 5 1 3 ( ) 3 “9 3 3 0 咣7 ) 6 + o 0 8 3 5 8 2 ( 7 ) 4 1 0 2 4 9 噘7 ) 2 + 7 7 6 1 7 ( 一5 5 口o ) 2 下降段曲线方程 a 工作段曲线方程 h ( 口) = 7 8 3 0 5 x ( ) ”- 2 8 3 3 9 x ( ) ”+ 4 0 1 0 8 ) “一2 9 3 6 3 ( ) ”+ 1 2 9 0 5 ( 一3 3 5 1 3 ( ) 8 + 4 9 3 3 0 ) 6 + o 0 8 3 5 8 2 x ( ) 。1 0 2 4 9 x ( ) 2 + 7 7 6 1 7 ( 0 蔓口5 5 ) 撇卜8 0 5 3 3 x 百6 9 - 5 ) 7 + 2 6 1 3 3 2 ( 皇挚卜3 2 3 9 6 等n 1 9 1 9 4 百6 9 - 6 u ) 4 _ 5 7 1 4 8 ( 等) 3 + 0 7 9 4 8 2 x ( 等) 2 + 0 2 5 9 2 8 x ( 6 9 矿- 5 ) + 0 2 0 5 8 9 ( 5 5 口 6 6 ) 第2 章w d 6 1 8 4 4 柴油机配气凸轮曲线拟台 b 等速段曲线方程 脚m 2 4 1 4 9 x ( 争+ 0 0 3 8 6 0 6 c 等加速段曲线方程 脚) = 0 1 0 2 2 6 ( 璺孑) 2 _ 删0 0 。7 5 2 f 8 4 丁- a ) 速度：( m m d e g ) 1 上升段曲线方程 a 等加速段方程 加。，：。鸳驾一o s ，s b 等速段方程 矿懈) = o 0 1 8 5 7 6 c 工作段方程 ( 6 6 口 7 7 ) ( 7 7 a 8 4 ) ( 一8 4 口 - 7 7 ) ( 一7 7 口 一6 6 ) 矿。口，：一sss，s。掣ct+69)6+157992x掣一161980 x丁(a116+67116)4 + ，s ，s 。：多( 6 + 。6 7 1 6 ) 一1 7 1 4 4 4 x ! ! j ；盟1 6 v 1 5 8 9 6 4 x ! 兰i 鱼；竽+ 。t s z 。s ( 一6 6 口 一5 5 ) 一假一姒学州，4 似。鳢5 7 + 5 6 1 5 1 2 x 簪埘z ，场百( a 5 5 7 ) n 彻o 筝 w - 2 6 8 1 0 4 x 孕 ) 埘瑚。掣+ 0 3 3 4 3 。( ，- , ，7 ) 3 唉- 一z 姒簪 2 下降段曲线方程 a 工作段方程 ( 一5 5 a 0 ) 山衮大学硕士学位论文 m ) - 1 4 0 9 4 9 0 盟5 7 - 4 5 3 4 2 4 x 继5 7 + 5 6 1 5 - 1 2 x ( a 5 5 5 7 7 ) 1 3 瑚3 5 6 。掣 。7 5 75 7 砌弧s。盟瑙s埘。簪硒励。掣+oss。，簪_20498x_(口；55，7575 7 5 75 75 7 ( o 口5 5 ) ) _ 5 s 挪，t 。( 6 9 1 1 6 r - a 1 1 6 ) 6 1 5 7 9 9 2 x 丝1 型6 + 1 6 1 9 8 0 x 丝1 型6 娟刀s 。幽1 6 枷t 槲。盟1 6 1 5 8 9 6 4 x 肇6 9 搀_ c t 一锄s b 等速段方程 y ) = - 0 0 1 8 5 7 6 c 等加速段方程 y f 口) ：一 (292020452 ) 一o 0 0 0 7 8 6 1 3 y ( 口) = 一 ( v ) 一o - 加速度：( m m d e g2 ) 1 上升段曲线方程 a 等加速段方程 地) _ 0 2 0 4 5 2 ( 吉) 2 b 等速段方程 ， ) = 0 ( 5 5 a 6 6 ) ( 6 6 s t 2 7 7 ) ( 7 7 d 8 4 ) ( 一8 4 g - 7 7 ) ( 一7 7s 1 2 - 6 6 ) c 工作段方程 j。d，：一，：。：，。掣，+789960。二,a二羔铲+69,、4647920。二(a铲+6933 埘z s 。半a , + 6 9 、z 一3 4 2 8 8 8 。乎+ 可1 5 8 9 6 4 地冲，蚓学，劢簪仡哪岗。簪锄s 州s 。攀 + u s m s o ( ，7 。) _ 1 8 7 67 2 8 x ( ，7 ：) 6 州，舯簪+ 1 0 0 2 9 8 4 x ( ，7 ：) 2 一一可2 0 4 9 8 ( 一5 5 t 2 o ) 2 下降段曲线方程 a 工作段方程 m ) = 2 3 9 6 1 , 3 3 x 可( a 5 7 ) 1 6 锄n s 。可( a 5 7 ) 1 + 7 2 9 9 6 5 6 x 可( 口5 5 7 ) n 删，跛m 攀 + ”s ，4 s o 掣棚6 吵簪州，舯。簪+ 1 0 0 2 9 8 4 x ( 铲 7 ) 2 唆2 0 铲4 9 8 ( 口) = - 3 3 8 2 3 8 6 。丝1 6 型：+ 7 8 9 9 6 0 。，( 6 9 1 _ 产u ) 刊，m 。 删0328丁(69116-a116)2342888x丝16盟2+了158964 1 6 2 1 6 2 b 等速段方程 j ( c t ) = 0 c 等加速段方程 m ) - o _ 2 0 4 5 2 ( 争2 2 4 2 排气门凸轮型线回归 升程：( a m ) 1 上升段曲线方程 a 等加速段曲线方程 ( 一) 3 1 6 2 ( 5 5 s 口 6 6 ) ( 6 6 口 7 7 ) ( 7 7 口 8 4 ) 山东大学颈士学位论文 鼬) _ o 0 8 2 7 3 6 ( 华2 + o 0 0 4 1 3 0 7 ( 学) b 等速段曲线方程 h ( 口) = 0 3 7 2 6 8 1 a + 一8 8 + o 。0 4 8 8 2 5 c 工作段曲线方程 ( 一9 4 口 - 8 7 ) ( 一8 7 口 - 6 9 ) 脚) = 1 3 2 8 3 ( a 矿+ 7 0 ) i - 5 8 3 1 4 x 气a + 4 7 0 ，) 7 + 1 0 1 4 7 ( 竺6 - 8 9 0 3 8 x 吁a + 7 0 ) 5 + 4 2 - 0 3 5 x ( a f + 7 0 ) 4 _ 1 0 5 1 5 x ( 警4 7 0 ) 3 + 1 2 6 0 4 ( 警 1 z + 0 2 0 7 8 7 x ( 竺茅) + o 3 8 4 3 5 ( 一6 9 口 - 5 6 ) 封( 口) = 1 0 2 2 9 x 唏t 2 广一2 3 6 1 5 5 7 t ：r ，) t 4 + 5 9 3 3 6 ( 寺”一5 5 6 9 2 唔严+ 2 5 6 3 4 ( 茜) 8 - 5 9 6 8 5 ( 导) 6 + 1 o 0 0 5 x 晤) 4 。8 9 2 5 2 ( 蚤) 2 + 7 - 9 1 2 7 ( 一5 6 s 口曼0 ) 2 下降段曲线方程 a s e j r 乍段曲线方程 脚) = 1 0 2 2 9 x ( a w ) 1 6 _ 2 3 6 1 5 拶1 4 十5 9 3 3 6 x 9 2 _ 5 5 _ 6 9 2 ( 争”+ 2 5 j 6 3 4 ( 争 _ 5 9 6 8 5 唔) 6 + 1 0 0 0 5 唔) 4 以9 2 5 2 ( 务) 2 + 7