（光学工程专业论文）大排量单缸发动机配气机构的开发设计.pdf

重庆大学工程硕士学位论文中文摘要 摘要 本论文主要对某大排量单缸摩托车发动机的配气机构进行设计研究，详细论 述了高速汽油机中配气机构优化设计的研究内容。 某大排量单缸发动机是隆鑫集团公司与国外某摩托车公司合作开发的、目前 国内排量最大的采用了电喷和水冷技术的摩托车发动机，性能优异，在国际国内 市场极具竞争力，其市场前景看好。该发动机是在隆鑫集团公司的客户国外 某摩托车公司的一款大排量单缸发动机基础上优化而成，其目的是提高整机的性 能，特别是动力性，本文对该机的配气机构进行了优化设计，最终达到了设计目 标。 在优化设计过程中，首先，对发动机配气凸轮型线、运动学、动力学等设计 原理作了深入研究和分析；然后，针对该发动机配气机构的特点和原配气凸轮丰 满系数不理想的问题，利用a v l 公司的t y c o n 软件建立该发动机整机配气机构仿 真模型和多质量系统动力学计算模型，对发动机配气凸轮型线进行拟合，根据拟 合的结果和有关的配气机构参数，设计了新的配气凸轮型线；接着，利用新的凸 轮型线进行了配气机构的运动学和动力学计算，同时分析了凸轮及从动件的运动 规律，验证了所设计的凸轮型线是合理的，相关的计算结果显示，改进后的发动 机配气机构设计合理，各项指标均达到设计要求，满足使用要求；为验证改进的 效果，在其它参数保持不变的条件下，利用新型线凸轮轴进行了装机试验，和优 化前的凸轮型线计算结果进行测试比较，试验结果显示，该发动机的功率和扭矩 最大提高1 6 以上，燃油消耗率最多下降了4 9 2 ，整车排放达到了欧洲三号标准。 最后，对发动机和整车进行了多次性能和耐久性测试，试验结果表明，发动机的 性能、可靠性及噪声指标等达到了客户的要求。 该发动机从2 0 0 7 年开始量产，迄今，已销售7 0 0 0 余台，质量稳定，客护反映 很好。 本文对直接驱动气门的发动机的配气机构设计进行了新的尝试，摸索出一些 经验，其中的许多想法无论对老机型的优化还是新机型的正向设计均有较强的实 用价值。 关键词发动机，配气机构，开发，a v lt y c o n ，优化 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a bs t r a c t nm a i m ys 饥l d i e s a i l dd e s i 班s 吐l ev a l v e 仃a i l lo fo n eb i gd i s p l a c e m e n ts i n g l e c y l i i l d e re n g i n ci 1 1 廿1 i sp 印e r ，a 1 1 dd e s c 曲e 龇r e s e a r c ho f 位l l i g l l - s p e e de n g i n e 、s o p t i i l l i z i r 培d e s i g ni i lv a l v e t r a i n t 1 l i sb i gd i s p l a c e m e n te n g i n ei sc 0 - d e v e l o p e db yt h el o n c i n 嘶u pc o m p a n y 丽m o n ef o r e i 鳃c o m p a n y ，a 1 1 dc 咖r e m l yw e sm e1 a r g e s td i s p l a c e m e n ta n dw a = t e rc o o l e d t e c l l l l o l o g yi i ld o m e s t i ce n t e r p r i s e ，k 曲p e d 、0 眦a n c e ，a n di ti sk g m yc o m p e t i t i v e i n t ：h ei n t e r m t i o n a la n dd o m e s t i cm a r k e t s ，a i l dh a v eg o o dm a r k e tp r o s p e c t s t h i se n g i i l ei s d e v e l o p e d锄do p 姚do n t h eb a l s i so fo n eb i gd i s p l a c e i n e n ts i n g l ec y l i n d e r m o t o r c ) r c l ee n 西n ew h i c hi sm a d eb yo n eo fl o r l c i i lg r o u p sc u s t o m e r s o i l ef o r e i g n c o m p a l l y t h e 缅i st oi i n p r o v et h ep 酬f 1 0 黜eo ft 1 1 ee n g i n e ，s p e c i a l l yf o rp o 、e r 1 1 1 t b j sp a p e r ，恤：v a l v e 仃a i l lh 部b e e no p t i m i z e d ，a i l du l t i i l l a t e l ya c t l i e v e 也ed e s i 弘伽g e t i no p t i m i z i n gt h ed e s i 印p r o c e s s ，f i r s to fm l ，d od e e pr e s e a r c ha n da i l a l y s i so f p a i r s o fe n g i n ev a l v et 翻n c a i i l ， l 【i n e m a t i c s ，d y n 锄i c sa n do 也e rd e s i 印 p 血c i p l e s n l e n ，f o rt h e 佗a t u r e so ft l l i se n g i i l ev a l v e 包r 乏l i n ，m a k em i se n g i n ev a l l v et r a i n s i m u l a t i o nm o d e l sa n dm u l t i - m 弱sc o m p u t a t i o n a lm o d e lo fs y s t e md y n a i i l i c s 嘶t 1 1t 1 1 e a v l ss o 腑，t h e nm a l 【ean e wc 锄p r o f i l e r n l e na c c o r d i i l gt 0t h er e s u l t sa n dr e la t i 订 p 娥吼e t e 娼o fv 址v em e c h a l l i s m ，d e s i 印ear l e wc 锄v d l v e a n dd o 姑n e m a t i c sa 1 1 d d y n a m i c sc a l c u l a t i o n so fv a l v em e c h a l l i s m 、) l ，i 廿1t l ：屺wc 锄p r o f i l e ，a tt l l es 锄et i m e ， i t a i l a l y z e st h cc 锄a 1 1 dt l l em o t i o nr e g u l a t i o no ff o l l o w e r ，p r 0 v i n g 也a tt l l ec 锄 d e s i 印e di sr e a s o n a b l e c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w st 1 1 a tm eo p t i r i l i z e de n g i n ev a l v e m e c h a i l i s mi sd e s i g n e dr e a s o m i b l y ，m e e tt h ed e s i g na n d 印p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s t h e i l ， a u s s e m b l et 1 1 en e wd e s i g n e dc 锄a n do l dc 锄i i l 廿l es 锄ee n 西n et 0d oc o 珈【p a r i n g p e r f 0 加臆n c et e s t ，l et e s tr e s u l ti st l l a tp o w c ra 1 1 dt o r q l j ea r ei n c r e a s e db y1 6 ，m e l c o n s u m p t i o ni s r e d u c eb y4 9 2 ，e m i s s i o n 舱a c he u r o p e f i n a l l y ， w ed o p e 怕n n a n c e a i l de n d u r i n gt e s to nt l l eb e n c ht 0t l l ee n g i n ea n dv e h i c l ef o rm 砒1 yt i m e s ， 锄dp a s st 1 1 et e s t ，n o i s et e s tr e s u l ti sa s l og o o d l o n c i ns t 甜t l l es e r i e sp r o d u c t i o no ft 1 1 i se n g i n ci n2 0 0 7 ，u pt 0n o w ，l o n c i ns a l e a b o u t7 0 0 0u 1 1 i t st on l ef o r e i g nc u s t o m c r ，a i l dp r o m c tq u a l 毋i s 嘲b l e ，c u s t o m e rs a t i s 匆 i i lt l l i sp a p e r ，i td oan e w 甜e m p tt 0d e s i 印v a l v cm e c h a i l i s mo fd i r e c t - d r i v e v a l l v e e n g i n e ，a i l df i n da1 0 to fe x p e r i e n c e s ，a n dm a n yo f 血e s ee x p e r i e n c e sh a v eas b n o n g p r a c t i c a lv a l u et oo p t i r n j z eo l de n g i i l g ea i l dt 0d e s i g nn e w m o d e le n g i i l e k q w o r d s ：e n g i n e ，v a l v e 訇r a i l l ，d e v e l o p m e n t ，a v lt y c o n ，o p t i m i z e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的缒士学位论文蠢排埋妞窆蓟蝴醋丛四塑驷煎蚴 是我个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己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：首存仁 导师签名：u 务鼍 ，7 签字日期：刎尸f 2 j 签字日期：铂f 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程) ，愿意将本人的戤学位论文查塑l 燃丝垫踏噬圈坚醴熊蚴提交中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：蘑盎垒导师签名：l 递 v 印年i1 月日 备注s 审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 墼亟装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 内燃机配气机构简介 配气机构是内燃机的重要组成部分，配气机构的功用是实现内燃机的换气过 程，即控制可燃混合气或空气进入气缸和废气排出气缸【l 】。多年的生产和使用经验 表明，配气机构设计的合理与否对内燃机的动力过程、经济性能、排放性能以及 工作的可靠性、耐久性等都具有重要的影响。随着内燃机高功率、高速化，人们 对其性能指标要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能平稳、可靠地工 作。因而对其配气机构的设计提出了更高的要求【z j 。 内燃机的经济性能是否优越、噪声与振动是否控制在较低水平、气门弹簧和 机构传动链是否提前失效、气门座是否过度磨损、凸轮与挺柱摩擦副是否过度磨 损等，都是配气机构经常遇到的问题和故障。 鉴于以上原因，对配气机构的研究与改进已成为当今摩托车发动机新产品结 构研究与改进的主要方向之一。 1 2 内燃机配气机构设计国内外的发展和现状 国际上c a d c a e 技术从6 0 年代初在工程上开始应用到今天，已成为工程和 产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一 种重要手段。随着计算机功能的提高，尤其是p c 机的普及，加上多体动力学计算 和分析等商用软件的陆续问世，为摩托车发动机配气机构的c a d 设计和c a e 分 析等提供了充分有利的条件。 国内目前对于摩托车发动机的配气机构的尚无成熟、系统的开发经验，生产 厂家普遍是仿制。对于凸轮、摇臂等性能敏感性较强的零件则主要是靠测绘和靠 模生产。不能根据发动机的性能要求而相应改变凸轮型线、摇臂结构、弹簧以及 进行零部件的综合布置等。 目前，无论是国外还是国内，都希望通过对配气机构的动态模拟来了解各零 件的真实运动和载荷变化情况，通过对主要摩擦副的磨损分析与研究，找出其规 律，以便对配气机构零部件的尺寸设计、材料的选取、表面加工、以及机构优化 和间隙的调整提供更为有效的理论依据和实践经验1 3 】。这样既研究了配气机构整体 性又研究了配气机构的薄弱环节，得到各零部件参数之间的最优化匹配关系，设 计出运动平稳的配气机构。 1 2 1 可变气门正时机构( w t ) 在可以预见的将来，摩托车发动机配气机构采用的技术将会是可变配气定时、 重庆大学工程硕士学位论文 绪论 可变气门升程技术以及无凸轮电液驱动配气机构。 出于众所周知的原因，低能耗和低污染已成为发动机的追求目标。要求发动 机即要保证良好的动力性又要降低油耗满足排放法规的要求。在各种现代技术手 段中，可变配气相位( v v t ) 技术已成为新技术发展方向之。 一般发动机的配气相位是通过各种不同配气相位的试验，从中选取某一固定 配气相位来协调兼顾各种工况，是发动机性能的一种折衷方案，因而不可能在各 种情况下都达到最佳性能。与固定式配气相位相比，可变配气相位则可以在发动 机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时刻及相应的气 门升程，从而改善发动机的充气性能，可以提高发动机的动力性和经济性，降低 废气排放，改善怠速稳定性和低速平稳性，提高充气效率和低速扭距、降低怠速 转速。 汽油机部分负荷时节气门开度小，产生较大的压力降，导致节气门后面进气 歧管的压力远远低于大气压，使得发动机的泵气损失增加，目前解决问题的途径 有两种：一是调节进气门正时，利用进气门早开或早关，减少压缩始点时进入气 缸的混合气从而实现对发动机负荷的控制，消除了节气门带来的泵气损失，提高 燃油经济性；另一种是调节进气门升程。这两种技术在一些系统上无法分开，但 是应用较多的是单独使用可变气门正时技术。 1 2 2 可变配气相位及气门升程的配气机构( v v t 位v v l ) 这种配气机构较前者优越的地方在于它不但可以根据内燃机运行状态改变配 气相位，而且可以适时地调节气门升程，无疑具有更好的使用效果。图11 为b m w 可变配气正时及气门升程( w l ) 的配气机构结构图。v t b c 用改变配气正时和 升程的方式，兼各低转速区域的大扭矩和高转速区域的大功率。 连续提升作用角可变的例 “l v e t 嚷鲤o ( b m w ) 。，f ) 庶。 ：笋；婴 幽1lb m w 可变配气正时及气门升程的配气机构 f i g 】b m w v 州a b l e t j m j n g l i n 砌v e t m m 重庆大学工程硕士学位论文l 绪论 该机构取消节气门直接用气门开启时间控制进气量，大幅度降低了燃油消耗 率；通过控制缸内残余废气存量，大幅度降低n o x 排放； 可变凸轮轴相位的配气结构( v v t ) 与可变气门升程和气门开启时间的配气 机构( w t & w l ) 相比，前者可使内燃机增大扭矩3 1 0 ，后者可使发动机增 大扭矩5 1 3 ，在最高转述状态下可使内燃机增大扭矩2 3 。同时，由于改善了 配气正时，内燃机的燃油消耗及排放都会有所下斛引。 1 2 3 无凸轮电动液压驱动配气机构 与传统的发动机相比，采用无凸轮电动液压驱动配气机构的发动机还具有以 下一些特别的优点： 由于取消了凸轮轴及其相关零部件，从而简化了发动机的结构，减小了发 动机的重量和高度，使得发动机结构更为紧凑。 能灵活、单独、精确地控制气门的运行。这些运行参数包括气门定时，气 门开启持续时间，气门升程和气门运行速度以及工作频率。控制气门的定时、开 启持续时间和升程，除了能使换气过程更加完善，优化发动机的工作性能外，还 有助于实现新概念的燃烧方式。 可以通过改变气门定时来改变多燃料发动机的有效压缩比，以适应不同燃 料的要求。无凸轮发动机优化气门运动的所有参数主要在于期望得到好的燃油经 济性、高的扭矩和功率输出，改善怠速稳定性，降低废气排放以及其它大量的优 点和可能性。从目前的文献来看，这种期望的优点要转化为实际的发动机技术为 时尚早。虽然美国f o r d 公司在文献州中，展示了无凸轮配气机构发动机的照片， 但是有关无凸轮的发动机的性能对比实验结果一直未见报道。德国d 如m e r b e n z 公司在一辆发动机排量为2 l 的a c 仃0 s 货车上，对这种无凸轮机构进行试验，但是 认为“该机构进入批量生产前还有许多工作要做【刀。 将无凸轮配气机构发动机的理论优点转化为实际的发动机技术，关键是无凸 轮配气机构必须具备优越的瞬态响应特性，即能够稳定、可靠、快速地实现对无 凸轮气门机构气门运动规律的控制。 内燃机的研究和设计，离不开试验进行验证，近年来内燃机技术的发展与测 试技术的进步有密切的关系，随着计算机技术的广泛应用，内燃机测试技术在观 念上产生了深刻的变革，在测试手段上也开辟了新的局面。 1 2 4 小型内燃机配气机构的轻量化 小型内燃机配气机构的轻量化，除了切削中空气门以外，还有冲压成型的超 轻气门，文献【8 j 的作者对此做了较为详细的分析和探讨，以及大量的耐久性实验， 结果表明，发动机的压缩比、扭矩、功率都有所提高，排气温度有所降低，同时 使用安全可靠，展示了良好的应用前景。 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 总之，当今内燃机配气机构的发展趋向是，在排量不变的前提下，提高内燃 机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化来的可变气门配气机构， 其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标等达到最优，这 是显然是普通的配气机构无法完成的任务。 1 3 本课题的研究目的和主要内容 1 3 1 本课题的研究目的 设计合理的配气机构首先应该具有良好的换气性能，同时兼顾良好的动力性 能。对气门时面值的要求就是对凸轮型线所决定的气门运动规律的要求，气门开 闭迅速能增大时面值，但对配气机构动力特性存在很大影响，会造成气门机构运 动件的惯性增大、冲击振动加剧、机构动力特性变差。 尽管当前内燃机配气机构的研究方法不少，软件模拟计算及实验测试对比数 据案例众多，但是，由于结构和功能要求上的差异，很难保证几何相似、机械相 似( 模型转速、惯性力因子、运动件比速度、单位体积重量、比容积、扭矩特性 等因素) 完全成立。因此，国内外关于发动机配气机构的研究成果总的来说在一 定程度上定性适用于摩托车发动机，但在定量上更具体地指导摩托车发动机配气 机构的研究和开发则显得不够充分。 因此，本文的研究目的在于：针对某大排量单缸摩托车发动机结构紧凑、单 缸水冷和转速高的特点，开发设计出适合该发动机的配气机构及凸轮型线，并以 该结构为基础，深入研究小型高速发动机配气机构的动力特性，结合实验探索其 工作过程的规律，为发动机的结构参数的优化和新产品的开发提供必要的、可靠 的、较为定量的基础数据和理论指导。 1 3 2 本课题的研究的对象 本文研究工作是针对某企业开发的一款大排量单缸摩托车用发动机配气 机构进行的。该发动机配气机构采用顶置凸轮轴式四气门机构。发动机及其配气 机构相关参数见表1 1 、表1 2 所示。 表1 1 发动机的基本参数 t a b l e l 1t h eb a s i cp 觚姗e t e ro f t h ee n g i n e 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 表1 2 配气机构的相关参数 t a b l e1 2t h er e l e v a n tp 嬲n e t e ro ft h ev a l v e t r a i n 近年来d o h c ( d o u b l eo v e r h e a dc 锄s h m s ) 4 气门配气机构得到了越来越广泛 的应用，因为它增加了进气有效的流通面积，提高了充气效率，有利于减小燃烧 室内的传热面积，提高了燃烧效率，同时有利于进排气门夹角的设定，使发动机 的性能有了明显的提耐引。同时，顶置凸轮轴配气机构具有运动质量小而机构刚性 大的优点，可以在很高的转速下精确控制气门的运动，但由于凸轮轴用链传动， 传递力矩较小，因而主要用于高速发动机。 獬撇 1 l 、l 1 j r j 1 l j l l 1 l 1 l n攀竺竺一 图1 2 某大排量发动机的帐篷形燃烧室结构 f i 9 1 2t e n t e df i r e b o xo fo n eb i gd i s p l a c e m e n te n g i n e 如图1 2 所示，两凸轮轴分别经过直动式挺杆驱动进气门和排气门，省略了摇 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 臂，增强了气门之间的刚性，高速时气门工作良好，往复运动的惯性力较小，工 作平稳。同时，该机构使用套筒链条，解决了曲轴到凸轮轴之间传动复杂和可靠 性差的问题。 图1 3 发动机的双顶置凸轮轴配气机构结构 f i 9 1 3d o u b l e - h e a dc 锄a d m i s s i o ng e 盯o f t l l ee n 西n e 1 3 3 本课题的研究内容 配气凸轮型线设计基础理论。分析典型的凸轮缓冲段型线设计和工作段型 线设计分析。为优化某大排量单缸发动机配气机构作好技术准备。 配气机构运动学与动力学分析。建立该发动机配气机构的运动学和动力学 模型，通过对运动微分方程进行分析和计算，结合经验值确定最佳的配气正时范 围。同时获得了气门的真实的运动规律和受力情况。并分析发动机转速等因素都 对配气系统的气门运动规律的影响。 某大排量单缸发动机配气机构软件模型及性能分析。结合设计理论和专业 分析软件对该发动机配气机构进行细化分析，得出一些基本设计要点。在此基础 上，针对性地对配气机构进行突破性的设计，配以相应部件的优化设计。 某大排量单缸发动机的配气机构优化设计。在该发动机配气机构分析基础 上，对配气机构进行深度优化。构造新型凸轮型线，该型线能保证配气机构获得 尽可能大的时面值或丰满系数；并使配气机构具有良好的运动规律，即较低的气 门落座速度，加速度曲线连续、无突变，正负加速度绝对值限定在允许范围内， 同时力求小的表面接触应力，以保证配气机构能平稳、低噪声、可靠地工作。配 6 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 以相关部件的优化，整机综合性能大大提高。 配气机构优化零件试验验证。根据优化设计规格制作零部件后，对零部件 单品和整机进行试验并分析，提高在该领域的设计水平和研发拥有自主知识产权 的产品具有理论指导意义和工程应用价值。 7 重庆大学工程硕士学位论文2 配气机构建模及计算 2 配气机构建模及计算 2 1 配气机构的计算模型 2 1 1 配气机构的一般计算 配气机构在实际工作过程中会产生弹性振动，一般不能将配气机构看作绝对 刚体来考虑【1 0 2 1 。在考虑构件弹性变形情况下，计算气门及其传动构件的真实运 动情况和受力情况。 配气机构运动学所研究的内容包括：凸轮从动件的运动规律与凸轮轮廓的 关系，以及从动件与凸轮的相对滑动关系；在不考虑机构弹性的条件下，凸轮 从动件的运动规律与气门运动规律的关系。由可以明确从动件运动规律对凸轮 轮廓的曲率半径以及及凸轮一从动件摩擦副润滑特性的影响，由可以得出单纯 由凸轮从动件运动规律所决定的“气门理论( 几何) 运动规律”。配气机构运动学计 算的主要任务是确定凸轮廓线与挺柱及气门运动规律之的联系【1 3 1 ，可以明确挺柱 及气门的运动规律、气门升程丰满系数、润滑效果等运动学参数，这种运动学计 算方法为单质量动力学模型提供了计算基础。 动力学计算，是根据作用在弹性系统中各构 件上力的平衡关系，考虑系统中的阻尼、间隙、 脱离、落座等各种因素，建立气门运动微分方程 来求解一定转速下气门的真实运动情况。在高速 发动机中，气门弹簧颤振常常会造成系统脱离、 噪声及弹簧断裂等问题。多质量动力计算将气门 弹簧考虑到质量弹性系统中去，这为深入地研究 配气机构的运动，设计良好的凸轮廓线提供了有 效的方法。为了进行配气机构动力学特性分析， 需将配气机构作必要的简化，建立配气机构的动 力学模型。简化模型必须选择恰当，才能获得可 靠的计算结果。可以将配气机构看作是一组无重 量的弹簧和集中质量相互联系组成的系统。在简 图2 1 单质量模型 f i g2 1o n em a s sd y n 锄i cm o d e l 化过程中，把位于挺柱一侧的构件质量和刚度转换到气门一侧。 配气机构的动力学计算，通常采用单自由度或多自由度的质量一弹簧模型。从 理论上说多自由度模型比较精确，但在实际计算中工作量太大，而且某些系数很 难精确测定；而单自由度模型由于刚度阻尼等参数容易获得，分析气门位移、速 度、加速度等运动规律比较合适，而且单质量模型的方程也比较简单。 8 重庆大学工程硕士学位论文 2 配气机构建模及计算 配气机构单自由度模型，将气门的运动简化成一个集中质量m 的运动来描述， m 包含有气门质量以及其它传动零件换算到气门处的质量。结合图1 3 所示的平底 从动件配气机构结构形式，有图2 1 单质量模型： m 的一端通过刚度为c 的气门弹簧与气缸盖相连，而另一端联结一假想的刚 度为c 的“弹簧”，此“弹簧”的上端则由“当量凸轮”直接控制。其运动规律是已知的： x = x ( a ) = 厅( a ) 一z o ( 2 1 ) 这里的办 ) 是挺柱升程函数，是气门间隙，显然，x ) 就是将配气机构当 作完全刚性时候的气门升程函数。 在上面的模型中，所谓的刚度为c 的气门弹簧实际上代表了整个配气机构传 动链的弹性，刚度c 可以通过实测或计算得到。b 和b 代表内阻尼和外阻尼。 我们的目的是要确定气门升程函数，也就是整个集中质量m 的位移y 依赖于 凸轮轴转角的函数表达式y = y ) 。为此，首先要建立y = y ) 所满足的微分方程， 并给出初始条件。 这里假设作用在集中质量m 上的外力总和为f ，则： f ：胁：m 磐：m 2 磐 ( 2 2 ) 式中m 为集中质量，为凸轮转角速度，外力f 包括： 配气机构( “弹簧”c ) 的弹性恢复力c ，其中 = 舌a ) 一y ( a ( 2 3 ) 当x ( a ) 一y ( a ) o 时机构受拉，产生脱开，弹性恢复力即消失。 气门弹簧的弹力一c 少( a ) 气门弹簧预紧力一r ，预紧力大小由弹簧结构参数及配气机构安装位置决 定 气缸内燃气对气门的作用力一只，在进气时取为零，而排气机构应该考虑。 为了计算公式统一起见，将其记为一r 疋 ) 。其中r 为进排气指示数，r = o 表 示进气，r = 1 表示排气。 内阻尼力6 ：其中 咖= 万一嵩三二；三0 。2 舢 外阻尼力一6 。孚 将以上各力的总和代入( 2 2 ) 式中得( 2 5 ) 式 等= 寺叽志- 山一急老一寺尹尘筹丝晓5 ， 式中和山，由式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 确定。 9 重庆大学工程硕士学位论文 2 配气机构建模及计算 在气门刚打开的一瞬间有a = a 。，亦即 夕k = 老k = o 作变量代换后，此问题可化为求解微分方程组的解，用四阶r o n g p _ k u t t a 法 求其数值解。 设气门座由于气门弹簧预紧力引起的预变形为z ，当气门落座后，气门运动 方程为： 等= 嘉“志小去怛训一急老一番y 一学 ( 2 6 ) 结合建立的动力学模型，可以分析系统脱离、气门落座、气门反跳等情况。 明确配气机构动力学特性。这种单自由度动力学模型的计算方法可以方便地应用 在一些简化计算的场合，但存在较大的局限性，不能完整地反映配气机构的动力 学运动特性。 2 1 2 配气机构专业软件的计算 a v lt y c o n 一配气机构动力学模拟计算软件。通过t y c o n 软件，可以对配 气机构的运动学特性、动力学特性进行分析计算，以保证配气机构的动力学特性 在允许范围之内。同时，还可以运用t y c o n 软件进行整体配气系统的动态模拟， 有效地支持单缸和整机的配气机构的布置和设计，使其在降低摩擦和噪声的同时 满足动力学特性和耐久性的要求。 通过动力学特性分析，可以评估配气机构脱离可能性、气门开启与落座特性 等。计算结果包括引起发动机结构振动和噪声的激振力。利用上述动力学结果可 在动力学载荷、气门正时和冲击噪声等方面对凸轮和配气机构的修改进行评价。 t y c o n 同时还能进行正时传动系动力学设计和分析以及变速箱或齿轮箱的轴类 和齿轮的动力学特性计算。 2 2a v lt y c o n 建模及参数求解 根据开发的发动机配气机构的三维模型，应用a v lt y c o n 软件，分别建立 了配气机构进、排气部分运动学及其动力学模型，进行配气机构运动学和动力学 计算分析。 l o 重庆太学工程硕士学位论文 2 配气机构建模及计算 v a 圉22 进气部分的运动学模型 f 1 西2 i n 诅k e v a 】v e q n k m j i ”i s m o d e l s i n g j ei n t a k ev a l v et r a l n w l f hm e c h a n i c a it a p p e t 鱼1 1 p 雩窭_ c a m s m m a “”“”5 = 罗p ，一 陛垒? ；一旦 = = 2 p m ；ut ea lc a m 图23 进气部分的动力学模型 f j 窟23 e x h g l l s tv a l v e - n “nd y n a m i c 扑甜”j s m o d e 】 2 2 1 配气机构模型建立 发动机配气机构实体模型如图13 所示。根据发动机配气机构实体结构及零部 件布置情况，在t y c o n 中建立该发动机单个气缸的配气机构计算模型，其中进 气部分的运动学及动力学模型如图22 和图23 所示。 与此相似，排气部分的运动学和动力学模型也是这样的结构，只是参数的设 置不同罢了。 222 原始参数的确定方法 配气机构计算模型需要设置的参数包括结构参数，边界条件( 初始条件及边 界条件) ，还有单元的刚度、质量及阻尼等参数。结构参数由图纸即可查到。边界 条件由发动机的特性获得。刚度、质量等参数需要通过三维模型及有限元软件分 析获得，也可阻通过实测方法获得。阻尼参数一般根据t y c o n 软件参数推荐值 选取。这里主要介绍一下相关单元质量及刚度参数获得方法。 计算起点的确定 计算起点对应气门开启的瞬间：即气门升程y z o 时开始。 质量参数 对于配气机构模型中直线运动部件质量的计算，一方面可以利用p f o ，e 软件由 黧 重庆大学工程硕士学位论文2 配气机构建模及计算 三维模型进行计算，获得相应质量，另一方面，也可以通过直接称重法获得部件 质量。称重方法要求已经加工出成品，应用在优化和改进设计阶段，而原始设计 阶段只能用第一种方法。 本文质量参数计算采用第一种方法。配气机构模拟计算模型中，需要设置质 量参数的有挺柱单元质量m 挺柱、气门杆单元质量包括气门杆身上端及气门弹簧 锁夹的m ，锁夹位于气门杆身上端，气门单元质量包括气门杆身下端及气门座m 气门座，这些都可以通过相应的三维模型应用p r 0 e 软件分析得到。 刚度参数的计算 内燃机配气机构刚度的确定，一种是经验类比，一种是实测。对实测数据的 处理一般是作图和计算【1 4 】。此外，刚度c 可以通过有限元计算来确定。根据该发 动机配气机构的特点，在配气机构的运动学计算中，不需要考虑刚度的影响，但在 动力学中则需考虑气门杆刚度常数，而其它零件如凸轮等的刚度相对较大，不 需要精确计算，取较大的值即可。 在配气机构模型中，刚度参数根据相应的三维模型按实际工作中受力状况， 进行有限元分析得到。在有限元分析中，通过加载及约束，求取其刚度值。这里 采用有限元分析法求刚度的部件有气门杆、气门等。 配气机构的运动情况好坏，尤其是气门弹簧的振动情况对其工作可靠性和使 用寿命有很大的影响，而目前采用的配气机构动力分析模型一单质量和多质量弹 簧系统，不能或不便于分析气门弹簧的真实振动【l5 1 。有限元动力模型有较大的优 点【1 6 】【1 7 】。本文采用有限元法对配气机构进行动力分析，可以得到它的振型、自振 频率和气门弹簧的振动，以及整个配气机构的动力特性。 配气机构模型中相关模块的结构参数、边界条件、质量、刚度等参数，严格 按照设计图纸以及三维模型的要求获得，在理论上具有有效性。模型中相关部分 设置，做到与配气机构实际工作状况一致，确保了模型真实性。 1 ) 气门杆身上部受拉刚度计算 气门杆身上部受拉刚度可按照下式计算 c o 竿( ) ( 2 7 ) 式中：e 一材料弹性模量( 钢2 0 5 0 0 0 n m 瑚2 ) ， 彳= 耐2 4 一圆形截面积( 舢n 2 ) ， l 气门杆截取部分的长度( i l l i l l ) 气门杆身上部在模型中的拓扑结构和刚度的有限元计算结果如图2 4 和图2 5 所示，上杆身的一端拉伸方向约束，另一端施加拉力e ，有限元位移结果得仃，刚 度常数c = e 吼。 1 2 重庆大学工程硕士学位论文2 配气机构建模及计算 图24 气门杆身在模型中的拓扑结构 f l g24 t k t o p o l o g y s 口u c t u m o f v “v e n e 【t l 兰馏 篡型 瑚 凹25 气门料上鄱受拉结果 f j 9 25 n ep u o f v “v es k m 2 ) 气门盘部受拉刚度的有限元计算 气门盘部拉伸方向约束+ 对称约束，杆端端施加拉力f ，有限元位移结果得d 刚度常数c = f ，d 。在计算过程中需要注意考虑弯曲的影响。 函翳剡剥墓 重庆大学工程硕士学位论文2 配气机构建模及计算 8 酎力f 得到位移 ，t 目e 图2 6 气门盘部约柬 f i 9 26t h e 岛d d l s p 】洲m o f v 甜v ed 眦 图27 气门盘部有限元计算结果 f j 醇7f 队o f v m v e d l 辨 = i 潮 ；瑚 对于薄壁平面挺柱，需要定义为变刚度，一般用有限元法求解较为适宜，如 图25 所示： 重庆太学工程硕士学位论文2 配气机构建模及计算 幽28 薄壁半曲挺柱明有限兀计算结果 f i 醇8f e a o f t a p 叫 得到薄壁平面挺柱非线性刚度曲线如下 ， 圈29 薄壁平面挺柱非线性刚度曲线 f 1 9 29 n o n 】j n e a n 可r i 目dc h a m c t e r i s 【j cc o f b p p e l 4 ) 气门弹簧的日性计算 对于变螺距弹簧等具有非线性刚度特征的弹簧，需定义非线性项，一般考虑 重庆大学工程硕士学位论文 2 配气机构建模及计算 随气门升程变化的非线性特性，非线性刚度表述为： c 黜耐= c o + f c l ( 2 8 ) 其中：郜为超出安装长度的弹簧变形常数，与c ，可由弹簧刚度特性图获得， 气门弹簧刚度图如下： 8 0 0 7 0 0 6 0 0 会5 0 0 r 4 0 0 躯 敲3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 o24681 01 21 4 变形量( l = l l p r e l ) ( 蛐) 图2 1 0 弹簧非线性刚度特性图 f i 9 2 1 0n o n l i n e a 打够r i g i dc h a r a c t e r i s t i cd i 艇乒锄o f s p r i n g 5 ) 配气机构的刚度计算 配气机构的刚度c 可以通过计算来确定，也可以由实测得到，总刚度用下式 计算： 1 铀= t 1 + + f 气门。挺柱a 凸轮 l 式中： q 门= 1 r 一十一 q 部c 盘部 c 上部为气门杆部的刚度； c 盘韶为气门盘部的刚度； c 挺柱为挺柱的刚度( 变刚度) ； 龟轮为凸轮轴的刚度，工程应用取较大的常数即可； 配气机构的集中质量计算 质量m 可由下式确定： 1 6 ( 2 9 ) 重庆大学工程硕士学位论文2 配气机孛句建模及计算 m 2 嵋+ 蚝+ j 荔 佗1 式中： m 一配气机构的集中质量 m 。一气门质量，模型中气门分为两个质量点，这里为和值； 肘旷气门弹簧上座的质量，这里取气门弹簧上座、锁夹等的总质量； m 。一气门弹簧质量，根据软件要求，在运动学计算时取当量质量，为弹簧总 质量的一半；动力学计算取有效运动圈总质量的8 0 曲0 。 配气机构阻尼系数的确定 确定阻尼系数的方法比较复杂，将外阻尼按照下式给出： 6 = o l o 刊m k l j ( 虹北m ) ( 2 1 1 ) 式中，m 配气机构的集中质量k g c 外弹簧的刚度，n ，r n m 燃气作用压力g 恤) 设气缸内气体压力为p 以) ，气门背面气道内的压力为r ( 有时可近似取为1 个大气压) ，气门底盘面积为a ，气门受到r 作用的面积为爿，则 幢) = p 位) 一彳，岛 而函数h a ) 可根据示功图绘出，为简单起见，可近似取作： h a ，= 乓+ 只i + b 。2i ：i ： 其中耳、只、只、只均为常数。 图2l l 标定工况f 作用在排气门上的燃气压力 f 1 啦i lt h b u s “o np m 5 s 川x e n i n g o nm e e 巾s a mv a l v e 这就是说，将p ( a ) 曲线变化急剧的段当作抛物线( 如图所示) ，而变化平缓 重庆大学工程硕士学位论文2 配气机构建模及计算 的一段当作直线。这里口4 和尸可借助于示功图选定，又在尸( 口) 图形上任取三点， 根据二次曲线必须通过此三点的条件可定出芝、毋、昱。 计算终点 只要算到气门落座即巡o 时为止，如果考虑气门反跳，计算终点需要退后。 2 3 配气机构综合性能评价准则 配气机构作为内燃机的重要组成部分，要保证内燃机具有良好工作性能，配 气机构就要满足相应的要求通常从以下几个方面来评价配气机构性能，即配气机 构在一定程度上需要满足以下要求； 准确的配气相位，配气定时是影响发动机换气品质的主要因素之一。配气 凸轮型线设计时，选取恰当的缓冲段高度及缓冲段半包角，保证准确的配气正时。 使配气机构有良好的充气性能，进气充分，排气彻底，一般用丰满系数作 为评价指标。发动机理想的丰满系数为0 7 ，但一味追求大的丰满系数会使机构可 靠性和平稳性变得很差，最终也就无法保证得到良好的充气性能，因此一般要求 在o 5 5 以上即可。 要确保配气机构动力学响应形态较好，使配气机构工作平稳，振动和噪音 较小。这需要通过配气机构动力学计算来验证。 此时的配气机构挺柱升程厅位) 曲线应满足一些基本的要求： 挺柱升程曲线应有较好的光滑性，即升程办( a ) 的二阶、三阶以至更高阶导数 连续；挺柱最大正加速度和最大负加速度的数值均不能过大，加速度脉冲( 三阶 导数) 的最大值也不要过大；挺柱升程缓冲段高度应选择合适，由气门间隙及配 气机构结构决定。 这里往往用气门加速度曲线变化率的最大值范围来评价气门运动的平稳性。 气门运动加速度变化率最大值定义为最大j e r k 值。如果超速工况下最大j e r k 值仍 然在限制范围( 1 0 0 0 枷a d 3 ) 以内，表明气门运动具有较好的平稳性。 凸轮与挺柱间接触应力也不应过大。 配气凸轮与挺柱是内燃机中一对重要的摩擦副，很容易发生过早磨损、擦伤、 开裂等故障。在设计阶段要对凸轮与挺柱间接触应力进行计算和校核。计算时， 将配气机构看作刚性进行运动学计算，校核接触应力。也可以将配气机构看作是 弹性机构，从动力学角度计算凸轮与挺柱间接触应力。将凸轮与挺柱看成不同材 料的