（机械制造及其自动化专业论文）cims环境下内燃机配气机构的设计、分析与仿真研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文中文摘要 y5 6 63 】7 摘要 一 本论文研究课题来源于云南省科委重点项目之一的云南内燃机厂 c i m s 应用工程，论文对目前内燃机配气机构设计、加工与数据分析的一 般方法进行了较为深入的研究。重点针对配气凸轮传统设计方法的缺陷， 提出一种用解析函数法与数值法相结合设计凸轮型线的新方法。该方法 先用常规解析法作初步设计，根据动力性要求对从动件加速度曲线进行 离散化处理和修正，再用有限差分法建立凸轮型线的设计方程式，通过 计算机程序进行计算求解，因而可以获得优良性能要求的凸轮型线。在 配气机构加工部分，主要讨论了配气机构数控机床加工方法，研究了利 用u g - i i m a n u f a c t u r i n g 模块实现交互式可视化数控编程的具体过程。并 利用u g i i m o t i o n 模块进行配气机构运动分析与仿真。 在c i m s 环境下的工程设计( c a d c 越找：a m ) 集成系统u g - i i 平台 上，作者运用u g o p e na p i 工具开发了一个可实现配气机构设计、装配、 加r 仿真和运动分析的c a d c a m 集成应用系统，在该系统中，将初始设 汁参数输入计算机运算后，即可获得配气机构各部件的完整数据描述， 通过调用u g 一i 的m o d e l i n g 模块，可得到配气机构各部件精确的三维模 型。，同时能将配气机构c a d 部分的计算结果直接传送到u g - i i m a n u f a c t u f i n g 模块中，利用这些设计信息，再输入必要的加工参数，可 自动产生刀具的运动轨迹，进行配气机构各部件的加工仿真。经后处理 生成数控代码后，可控制数控机床完成实际的加工过程。 关键词：配气机构；凸轮型线设计；c i m s ；仿真；内燃机 垦塑婆三盔堂堡主堂焦堡塞 基塞! 堕墨 a b s t r a c t s t h er e s e a r c ht a s ko ft h i sp a p e rc o m e sf r o mo n eo ft h em a j o r p r ( ) e c t so fy u n n a np r o v i n c es c i e n c e c o m m i t t e e ，t h ec i m sa p p l i c a t i o n p r o j e c t o fy u n n a ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sm a n u f a c t o r y t h e o r d i n a r yd e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n da n a l y z i n gm e t h o d s o fv a l v ec a m m e c h a n i s mf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sa r er e s e a r c h e di n d e p t h i nt h i st h e s i s a i m e da tt h ed e f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o df o rv a l v et r a i nc a m ，an e wm e t h o df o rd e s i g n i n gc a mp r o f ii e w it h a n a l y s i s f u n c t i o n sa n dn u m e r i c a l s y n t h e s i s i s p r o p o s e d f i r s t l y ，t h ep r e d e s i g ni sc a r r i e do u tb yu s eo ft h ec o n v e n t i o n a l a n a l y s i s ，a n d t h e nt h ea c c e l e r a t i o nc u r v eo ft h ec a md r i y e n c o m p o n e n t i s p r o c e s s e da n dr e v i s e dd i s c r e t e l ya c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so fd y n a m i c sp e r f o r m a n c e t h ed e s i g ne q u a t i o nb a s e d o nar e f i n e df i n i t e d i f f e r e n c ea l g o r i - t h mi se s t a b l i s h e da n dt h e c a l c u l a t i n gp r o c e s s i sr e a l i z e d b y t h e c o m p u t e rp r o g r a m s c o n s e q u e n t l y ，t h e c a m p r o f i l ew i t hg o o dp e r f o r m a n c e c a nb e a t t a i n e d t h em a c h i n i n gm e t h o do fc a mw i t h n cm a c h i n et o e li s d i s c u s s e dp r i n c i p a l l yi nt h es e c t i o no fc a mm a n u f a c t u r i n g ，a n dt h e c o n c r e t e n e s sp r o c e d u r e so fi n t e r a c t i v ea n dv i s u mn cp r o g r a m m j n g b ym e a n so fu g i i m a n u f a c t u r i n gm o d u l e sa r ed e s c r i b e d i nt h ee n d t h ek i n e s i s a n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nm e t h o d so fv a l v et r a in u t j1 i z i n gu g 一m o t i o nm o d u l e sa r ea l s od i s c u s s e d i nt h ee n v i r o n m e n to fc i m s ，ac a d c a mi n t e g r a t e da p p l i c a t i o n s y s t e mo fv a l v ec a mi sd e v e l o p e dw i t hu g o p e na p i ，w h i c hi sb a s e d o nt h ee n g i n e e r i n gd e s i g ni n t e g r a t e dc a d c a e c a ms y s t e mu g - i i i n t h i s a p p l i c a t i o ns y s t e m ，t h ed e s i g no fc a mp r o f i l e ，m a c h i n i n g s i m u l a t i o na n dc a ml i f td a t a a n a l y z i n g c a nb ea c h i e v e d t h e c o m p l e t e d a t a d e s c r i b i n g o ft h ed r i v e n c o m p o n e n tm o v e m e n t d i s c i p l i n a r i a n c a nb e a c q u i r e d a f t e rt h ei n i t i a t i y e d e v i s e p a r a m e t e r sh a v eb e e ni n p u tt h ec o m p u t e ri nt h i ss y s t e m t h ep r e c i s e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fv a l v ec a mc a na l s ob eo b t a i n e dt h r o u g h c a ll i n gt h e m o d e l i n gm o d u l e o fu g i i a t t h es a m et i m e t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h ec a mc a ds e c t i o nc a n b ei m p o r t e di n t ( ) u g i i m a n u f a c t u r i n g m o d u l e d i r e c t l y u s i n g t h e d e s i g n i n g i n f o r m a t i o na n d i n p u t i n ge s s e n t i a l m a c h i n i n gp a r a m e t e r s ，t h e m o v e m e n tt r a c ko ft h ec u t t e rc a nb eg e n e r a t e da u t o m a t i c a l l y 。t h e n h 昆明理工大学硕士学位论文 英文摘要 m a c h i n i n g s i m u l a t i o nf o rv a l v ec a mc a r l p r o c e e d t h o a c t u a l m a c h i n i n gc a na l s ob ee x e c u t e db ym e a n so fn cm a c h i n et o o la f t e r t h e p o s t p r o c e s s i n gn cc o d eg e n e r a t e d i ti sd e n o t e dt h a tt h e d e v e l o d m e n t o ft h i sa p p l i c a t i o ns y s t e mi ss u c c e s s f u la n de f f e c t i v e t h r o u g h t h ep r a c t i c a lc a l c a l a t i o ne x a m p l e k e y w o r d s ：v a i v et r a i l l ：c a mp r o f ii ed e s i g n ：c l m s ：s i i f l g i a t i o n ：i c e m 昆明理工大学硕士学位沦文缩略语说明 缩略语说明 a p l ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e )应用程序接口 a p i ( a u t o m a t i c a l l yp r o g t a n m e dt o o l s )自动编程系统 b o m ( b j o fm a t e r i a l ) 物料清单 c q ( c o m p u t e ra i d e dq u a l i t ys y s t e m )计算机辅助质量保证系统 c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 计算机集成制造系统 e d i s ( e n g i n e e r i n gd e s i g ni n t e g r a t e ds y s t e m )工程设计集成系统 g r i p ( g r a p h i c si n t e r a c t i v ep r o g r a m m i n g )图形交互语言编程 i i ) e a sm s ( i n t e g r a l ，e de n g i n e e r i n ga n a l y s i ss y s t e mm a s t e rs e r i e s ) s d r c 公司的c a d c a e c a m 集成系统 i g e s ( i n it i a lg r a p h i ce x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 初始图形交互规范 m a s ( m a n u f a c t u r i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) 制造自动化系统 m i s ( m a n a g e m e n ti n o r m a t i o ns y s t e m ) 管理信息系统 n e t s ( n e t w o r ks y s t e m ) 计算机网络系统 n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e ) 非均匀有理b 样条 s 刊巾( s t a n d a r do fe x c h a n g eo fp r o d u c td a t ai n t e r f a c e 、 产品数据交换接口标准 u ( ；一ii ( u n i g r a p f f i c s ) u g 公司的c a d c a e c a m 集成系统 i v 垦婴堡：兰奎堂堡主堂垡笙塞 笙二童! 宣 第一章引言 1 1 课题研究的背景和意义 自2 0 世纪六十年代以来，由于各种类型动力装置的广泛使用，对内 燃机的性能要求日益提高。随着科学技术的突飞猛进，新材料、新工艺 不断涌现，计算和测试技术的不断提高促进了内燃机设计理论以及制 造工艺的迅速发展，使得内燃机的经济性、动力性和可靠性指标有大幅 度提高。目前内燃机正朝着大功率、长寿命、低油耗、少污染等方向发 展。 内燃机的高速发展是和其它学科的发展密切相关的。计算机的应用使 内燃机从过去的经验设计、统计对比设计、尝试设计跨入到解析设计的 领域，在c a d c a m ( 计算机辅助设计与制造) 技术支持下，进行多方 案综合h ：较从而寻求最优方案可以方便地实现预测内燃机性能和寿命 也成为可能。相关学科如振动理论、断裂力学、传热学、燃烧理论、有 限元计算、系统动力学、模拟理论、材料科学等的发展都是提高内燃机 性能指标的有力工具。由于产品设计与制造技术的不断革新，产品的技 术经济效益不断增长，使生产投资大为减少，生产周期大大缩短。 作为内燃机中两大机构之一的配气机构，担负着各个气缸燃烧过程的 换气任务，其性能优劣将对整机的工作产生直接影响。对目前应用最为 广泛的气门一凸轮式配气机构，其中配气凸轮的设计和制造至关重要， 个性能优良的配气凸轮机构，在给定的气门升程和配气相位下，不仅 可保证配气系统具有足够大的气流通过能力，而且可使配气机构呈现理 想的动力性能，这对提高内燃机经济性、可靠性、耐用性等是很有意义 的。 然而，对于配气凸轮机构的设计，目前还采用着比较陈旧的设计指导 思想和设计方法，尽管解析法在凸轮机构设计中得到越来越多的应用， 但还是无法很好地满足预定的设计要求，并且凸轮的加工精度也往往难 于得到保证，因而配气机构通常不能达到满意的工作性能。当转速提高 时，冲击、振动和噪声相继加大，致使配气机构的动力性能日益恶化， 这对内燃机整机性能的提高是极为不利的。随着内燃机向大功率、低噪 音和长寿命等方向发展，这种矛盾更加突出。此外，配气凸轮的加工也 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引言 存在一系列问题，如无法直接引用设计阶段的信息，加工过程累积误差 大，从凸轮的设计到加工的周期长等，因而大大降低了生产效率。 因此，剖析目前配气凸轮机构设计的理论和设计计算方法，探讨一种 新颖的设计方法，同时力求将设计阶段的信息直接引入到加工过程，并 对配气凸轮的加工进行误差分析，寻求减少误差的途径，这对设计兼有 良好的经济性能和动力性能的配气凸轮机构，提高内燃机整体性能指标， 提高生产效率进而增强企业的市场竞争能力，具有非常重要的意义。 1 2 c i m s 环境以及u g - | i 集成化系统简介 1 2 1c l 惦概述 随着微电子技术的迅速发展和计算机的日益广泛应用，机械工业传统 生产方式孕育着一次新的技术革命。这次技术革命的主要特征是由局部 自动化走向全局自动化，即由原来局限于产品制造过程的自动化发展到 产品设计过程、生产过程和经营管理过程的自动化，由此即出现了计算 机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e x lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) 以至目前 提出的现代集成制造系统( c o m e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ) ，简称c i m s 。 当今计算机集成制造( c i m ) 已成了生产自动化的热点。这一方面是 由于单项技术的发展，如数控加工中心、柔性生产单元、工业机器人、 c a d c a m 、资源信息管理及生产调度技术等提供了可供集成为一个整 体系统的技术基础：另一方面是由于世界市场竞争的日益激烈，为了在 竞争中求生存、求发展，必须加快产品更新换代、提高质量、降低成本。 生产过程本身是一个有机的整体，通过信息的集成能够带来更高的技术 上和经济上的效益，因此产生了对c i m 的巨大需求。 1 9 7 4 年美国的约瑟夫哈林顿( j o s e p hh a r r i n g t o n ) 博士在c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g 一书中首次提出了c i m 的概念，它包含有两个 基本观点：企业的各个环节是不可分割的，需要统一考虑。整个生 产制造过程实质是对信息的采集、传递和加工处理过程。根据这两个观 点，c i m s 可理解为在功能上包含了一个工厂的全部生产经营活动，即从 市场预测、产品设计、加工制造、生产管理到售后服务的全部活动。因 此c i m s 比传统的生产自动化涉及的范围要广，它是一个复杂的大系统； 另外，c i m s 涉及的自动化不是现有工厂各个环节的自动化或计算机化的 ， 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引言 简单相加，而是有机地集成。这里所指的集成不仅包括物料流、设备的 集成，更重要的是体现在信息的集成。 由此可以说，c i m s 是在自动化技术、信息技术及制造技术基础上， 通过计算机及其软件科学，将企业内部生产活动所需的各自分散的自动 化系统有机地集成起来，从而成为适用于多品种、中小批量生产的高效 益、高柔性的智能制造系统。从系统功能角度看，一般来说c i m s 是由 工程设计集成系统( e d i s ) 、制造自动化系统( m a s ) 、管理信息系统( m i s ) 和质量保证系统( c a q ) 这4 个功能分系统以及计算机网络系统( n e t s ) 和数据库系统( d b s ) 这2 个支撑分系统组成。 在c i m s 各功能系统中，工程设计集成分系统( c i m s e d i s ) 占有 非常重要的地位。它是在产品开发过程中引入计算机技术，完成产品的 概念设计、工程与结构分析、详细设计、工艺设计与数控编程，主要包 括c a d 、c a e 、c a p p 、c a m 几大部分，其目的是使产品开发活动能够 高效、优质、自动地进行。 工程设计集成系统通常即是指c a d c a p p c a m 集成系统，有时 又简称c a d c a m 集成系统，它是随着计算机科学技术、制造工程技术 的发展和需求，从早期的c a d 、c a m 技术发展演变而来的。其中c a d 的功能是进行产品对象的方案设计和详细设计，并配合c a e 进行设计一 分析评价一再设计的迭代过程，完成产品设计及其优化工作。c a p p 系统 完成将原材料加工成产品所需的一系列j a m 动作和资源的描述。c a m 系 统完成刀具路径的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及n c 代码的 生成。 由于企业的效益来自于产品，无论企业采用何种生产模式，新产品的 开发都是企业生存和发展的重要一环。工程设计集成分系统是覆盖产品 设计、工艺过程设计、数控编程等整个工程设计阶段的功能系统，在 c i m s 中是主要的信息源，为管理信息系统和制造自动化系统提供b o m 表和工艺规程等信息。从工程技术信息的角度看，可以说它是c i m s 的 基础与核心。 近年来，c a d c a m 集成技术已得到了广泛的研究并取得了很大的 进展，目前比较著名的集成化系统有美国s d r c 公司的i - d e a sm s 、p t c 公司的p r o e n g i n e e r 以及u g 公司的u g - i i 等。 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引言 1 2 2u g - i | 集成化系统介绍 u g i i 是u n i g r a p h i c s 的简称，它起源于美国麦道飞机公司，以 c a d c a m 一体化而著称，可以支持不同的硬件平台。u g l i 于1 9 9 1 年并入美国通用汽车公司( g m ) 的全资子公司e d s 。该软件以世界一流 的集成化设计、工程与制造系统广泛地应用于通用机械、模具、汽车及 航空领域，目前已发展到1 8 0 版本，在全世界装机量超过6 万余台，在 我国也有几百个用户。它由c a d 、c a e 、仿真、质量保证、软件接口、 开发工具、c a m 及钣金加工等部分组成。 1 ) c a d 部分 几何造型模块：可直接建立线框和曲面几何模型、实体模型。利用 表面模块可以定义曲面类型，构成的曲面类型除完全的解析曲面( 如圆 柱面、锥面、球面等) 外，还有直纹曲面、旋转曲面、列表柱面、雕塑 柱面、可到2 4 阶的b 样条和贝塞尔曲面。 参数化设计模块：用于尺寸驱动参数化和基于特征的概念设计。可 以通过参数修改模型的拓扑，允许用户组合参数化和已有的非参数化的 几何图形，可以通过加尺寸或几个其它选项施加约束，可以建立垂直、 水平和平行线控制规定的公差。当一个参数改变时，只需再生成局部模 型即可。参数化设计模块可以在各种工作站上运行。 基本设计制图模块：它执行最初的线框几何造型功能和提供一套建 立工程图的子程序，包括图样布局、标注尺寸、绘图初始化，能进行编 辑修改和变换作用。同时还包括内部的几何分析及检查、联机或在线 ( o n l i n e ) 的计算功能，双精度计算和数据存储。 优化过程设计模块：这是用于机械设计和制造工程自动化的。用户 可以通过改变技术要求或输入确定的规则后，完成许多优化过程，能快 速地、自动地迸行优化设计。它能保存和提取知识，多次进行设计迭代 得到最佳选择。 光塑模型模块：它是直接从计算机辅助设计的数据建立物理模型的 过程，从而直接在设计阶段建立塑料或金属的样品零件。利用这个模块 可以快速产生物理模型，同时使用户可以确定如何来加工这一零件。这 样时间及生产成本都相应减少，使产品能快速进入市场。 2 ) c a e 部分 有限元设计分析模块：它有有限元分析的前处理和后处理的能力， 4 垦塑堡三盔堂堡主堂堡垒壅 笙二皇! ! 童 支持有限元模型的节点、单元、载荷和约束的建立和控制。此软件可用 于解决各向同性和各向异性的线性静态分析，动态标准振型分析和稳态 热传递分析，提供a n s y s 和m s c n a s t r a n 的接口，可显示所有的 分析结果( 如位移、速度、加速度、应力、应变、应力合力、反作用力 和振型等的等值线和弯曲形状等) 。 机构分析模块：它能够完成空间n 一杆机构的设计，并可以进行平 面的连杆机构的综合，有广泛的后处理能力。此软件可使用户对任意平 面或空间系统内部联接的机械元件进行运动学、动力学和静平衡分析， 包括对杆、接头、弹簧阻尼器、力和力矩的分析。由于它具有一个运动 装置的图形动画的功能，所以能容易识别和修正干涉、结合和不完全的 公差等，从而保证了机构设计的质量和可靠性。 结构分析模块：可用于线性、非线性机构应力、热塑流动、机构和 流体动力的计算，并提供接口到另外的工程分析工具上如m s c n a s t r a n 、a n s y s 、m o l d f l o w 和a d a m s 等。具有转换点、线、 弧、曲线和所有曲面、能用一个参数最小二乘法拟合曲线和曲面的功能。 该模块具有批处理和交互两种运行方式，使用户能优化利用机器资源。 3 ) 综合仿真部分 本模块可以形象地模拟各种装配组合和拆装过程，可以观察到所建立 的几何模型，并能动态地观察整个模型和个别部件的运动，能支持简单 的或复杂的运动，快速建立三维视图，识别干涉和装配的问题。能提供 完整的单元设计和评估、脱机编程和单元校准的能力，还可处理简单的 位置和布局计划问题，也能处理复杂的制造仿真。 4 ) 质量保证部分 它可以作用于从设计到测试的整个质量保证全过程，即它可用于设计 制造过程中的五个不同领域：图形检查、公差分析、检测路径的建立、 零件检测和统计学的过程控制。能检测尺寸和公差的技术要求，即检查 设计尺寸和公差标准的一致性。 5 ) c a d 数据接口部分 昆明理工大学硕士学位论文第章引言 这部分是为了满足在不同的c a d 系统间的数据传递及交换的需要而 设立的，是与其它应用软件间可以使用的有效接口。可对i g e s 进行双向 转换，是双向的中性文件接口。对p d e s 进行数据转换，可进行一个序 g 竺业! ! ! 壁芝壁旦 u n i g r a p h i c s 系统通路 分析 删毕l 应用棱心il 编程语言| i 质量控制 执行 执行 王避 编译连接 转换器 中性文件接口 统间转换接 c v 到u g 接口 c a l m a 銎j u g d x f 到u g u g 到d x f 设计制造软件 i 竺璺堂竺! ! 竺竺! i l 1 o - - - _ _ - - _ - _ 一 图1 - 1 u g - i i 集成化系统的主要模块 列文件内的整个数据( 指设计信息，材料信息，加工公差数据和检测数 据等等) 的转换。可对c a t i a 、a u t o c a d 、c a l m a 等软件进行转换， 能处理几何图形、属性、数据组织、文本、尺寸等等。 6 ) c a m 部分 由于统一的数据库，u ( - i i 实现了c a d c a e c a m 各部分之间的 无数据交换的自由切换，能直接利用零件二维线框模型和三维实体、曲 面模型进行数控加工编程( 详见第五章) 。 7 ) 开发工具部分 提供u g 开发应用程序接口u g o p e na p i 以及图形交互编程语言 g r i p ，其中u g o p e n a p i 包含大量可供调用的库函数，可建立几何图 形和其它实体，查询u g 数据库，操纵属性，执行文件管理和u g 命令， 6 釜票揣薹匝景 攀鐾一 篓壅嚣 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引言 建立用户自己的u g 环境。可提供用户编写加工应用程序的能力，能显 著地提高零件数控编程利用u g 的生产率。提供了一个在u g 和其它软件 接口的用户功能软件库，允许编程员增加功能到u g 中，存取u g 数据库 及联接其它用户编写的程序到u g 中来等，可将其它用户程序集成到u g 系统中。 u g i i 的主要功能模块如图1 1 所示。 本论文即是在u o - i i 集成化系统的支持下，基于u g o p e na p i 进 行内燃机配气凸轮机构的设计、加工、数据分析与仿真研究。 1 3凸轮机构国内外的研究现状和发展概况 凸轮机构是一种典型的常用机构，由于它能以简单的结构实现任意复 杂的预期运动，并具有良好的运动刚性，长期以来被广泛地应用于各种 机械，在内燃机配气系统上的应用便是其中之一。 凸轮机构应用的广泛性推动了相关的研究和它的发展。最初人们只研 究凸轮的简单几何形状和运动，以满足对从动件运动的简单位置要求。 在2 0 年代，机器通常在低速下运行，凸轮机构的设计完全依赖经验和几 何结构。那时凸轮廓线通常是通过试凑法用圆弧和直线组成的廓线来制 成的，很少注意凸轮机构所涉及的力学问题。当时只局限于运动条件， 特别是限制凸轮机构的最大标称加速度值。以保持较低动力载荷。因为 只考虑标称加速度，故对加速度的变化形式就不加考虑了。一些简单的 解析函数，如抛物曲线和正弦曲线，在那时得到普遍应用。然而，随着 机器速度的增加，实践证明这些凸轮廓线的动力性能是比较差的。设计 人员没有认识到这些具有较低加速度值的凸轮曲线会产生加速度突变和 易于引起振动。 3 0 年代，由于内燃机速度的提高，一些汽车和飞机的配气机构的机 械失效问题无法用传统的分析方法加以说明。从而使人们逐步接受设法 避免高速凸轮机构的加速度值产生突变的这一看法。这就是说，不仅加 速度曲线的最大值是重要的，而且加速度对时间的导数亦即跃动度也很 重要。但如何设计没有跃动度的凸轮廓线还完全是个迷。此外，由于要 求高阶导数是连续的，因此就展开了凸轮许用加工误差和表面实际光洁 度和波度的研究。奥尔姆斯坦特( o l m s t e a d ) 和黑劳尼斯( h r o n e s ) 提出 了从动件系统的弹性在凸轮机构动力学方面的影响。黑劳尼斯第一个在 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引吉 微分分析仪上用简单的弹簧一质量力学模型来模拟凸轮一从幼件系统的 动力誉翊题。挂萋魏( t u r k i s h ) 握爨了配气壤麴振动叛率豹溅量技零良 及用装在发动机上的电磁式速度传感器来监褫凸轮速度从而测出实际加 速度。他还农测量凸轮机构真实加速度对应用了电予加速度分析仪。有 了较好的实验装备看，通过内燃视气f j 实际散应的研究证实，在高速情 况下，气门的运动与按静态算出的理论值有较大差别。 黠凸轮获渤锌振动豹谈 殳，导致了5 0 零谯对它懿懿大量磷究，薅来 人们叉试图褥出各种各样的修正凸轮曲线。肖人还建议用衰减调和级数 终凸舱凿线。娃调和级数终为凸轮挂线时，其凸轮曩 l 线的诗箨精度主要 取决于凸轮曲线的傅嫩叶级数的项数，由于谴种调和级数在实际应用时 必须会去后藤的一些顶，以及其数学收敛的不确定性，因此狠难确愆要 莆凡颈才能傈证在运豹范围的终点憝所需静精度。 斯托达脱( s t o d d a r t ) 提出的“动力多项式”( p o l y d y n e ) 法已引超极 大数窳视。这一方法瑟求方糕鳃戆袋藏解潢怒辑给宠粒运羲边赛条耱帮 得出曲轮曲线的代数多项式。在给定了发动机速度时，计算髓轮廓线必 需考虑由于弹簧鄹动悫特牲溅弓| 起豹热轮一从动件系统静变彤。如暴动 力多项式得到非常光滑的凸轮升程曲线，由于这些曲线是圃定不变的， 因此就缺乏局部运动控制的灵活性。用动力多项式方法所得到的加速度 盏绞遥常其裔鸯r 速度交叠点 诧箍青e 遽度改变符号) ，使运豁行程朝一方 向偏离，用农内燃机上较合遗的凸轮曲线应经过多项式幂演变的复杂运 算。 随着各种机械在遵度、效率、寿命、噪声和可靠性等方面的要求翻益 提高，对凸辣枫构豹研究也逐步扩展岛涤纯。特别是从5 0 年代以来，出 于计簿机技术和各种数值方法的发展，使很多方面的研究得以深入，从 单纯地考虑几何尺寸、运动分析和静力分析，发展到考虑动力学、润滑、 误差影晌、撵性交形等，其秘究方向簿数卡个乏多。 农欧美备园，已商很多学街为凸轮机构的研究作出赁献，发表了大照 谂文耱专著。1 9 8 4 冬豁来，凌凸轮掇梅臻究上寝了较多工嚣黪学者鸯： a p p i s a n o ( 在摩擦及其试验方面) 、s t a s e a n ( 在稳定性方面) 、 v 。d ，b o r i s o v ( 在计辣枫辕助设诗方糕) 、h 。j 。w e d e n i v s k i ( 在诗冀规 辅助剃造方面) 和j a n g e l e s ( 在优化设计方面) 等。 根据欧美备国自1 9 5 0 年以来在各研究方向所发表论文数爨的统计资 3 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引言 料，基本上能反映这些国家4 0 年来凸轮机构研究的总体情况，大致有以 下特点： 1 ) 发表论文数量多，研究的范围广。在各种机构中，只有研究齿轮 机构和连杆机构的论文数量可能超过凸轮机构，而研究的范围则以凸轮 机构为最广，这是由它的结构和应用所决定的。 2 ) 研究的连续性和发展性强。连续性强是指在每个研究方向各年代 都有一定的论文数量，发展性强是指关于新技术应用的论文数量增多。 如在5 0 一6 0 年代，有关设计、加工与刀具的论文占大多数，到了7 0 8 0 年代，优化设计、c a d 、c a m 方面的论文显著增多。因此可以认为，凸 轮机构的研究是持续且有发展的，并不像有人估计的那样，步进电机和 电子控制的机构将完全取代凸轮机构。 3 ) 研究工作随着新技术、新方法的产生和应用而深化。例如凸轮机 构的优化设计，早期的优化目标极为简单，主要是确定最小基圆半径。 随着优化方法和计算机的应用，优化目标的选择也越来越复杂，对内燃 机配气机构，可以是最长寿命、最小接触应力、最大丰满系数、从动件 最小振动、最高效率、最小功耗等。 4 ) 基础理论的研究持续稳定。虽然凸轮机构的研究不断有新的扩 展，但对其基础理论如从动件运动规律、几何学、运动学等方面的研究 论文仍有相当多的数量。这是因为当其他方面的研究需要深化和扩展时， 往往由于基础理论研究的不够而难以继续。 日本在第二次世界大战后致力于发展实用的自动设备，特别重视对凸 轮机构的研究，经常举行专门讨论凸轮机构的学术会议，在有关的国际 性刊物上也经常刊登凸轮研究的论文。在f 1 本，有很多从事凸轮机构研 究的专家，早期有4 、) 1 1 许漯、中开英一等。现在有牧野洋、西罔雅夫、 绦原茂之等。日本近期在凸轮技术的发展上所做的工作主要在以下方面： 1 ) 在机构设计方面，致力于寻求凸轮机构的精确解和使凸轮曲线多 样化，以适应新的要求。 2 ) 加强凸轮机构动力学和振动的研究，以提高机构的速度，发展高 速凸轮。 3 ) 研制新的凸轮加工设备，以适应新开发的产品。 4 ) 加强凸轮机构的标准化，发展成批生产的标准凸轮机构。 5 ) 发展凸轮机构的c a d c a m 系统。 9 昆明理工大学硕士学位论文 第一章引言 日本学者特别注重将各方面的研究成果应用到实际产品的开发中去， 如他们充分认识到凸轮机构作为控制机构具有高速下的稳定性、优良的 再现性、良好的运动特性和可靠性、易于实现同步控制、刚度高等优越 性，因而十分重视将凸轮机构与电子技术相结合，在控制机构上作广泛 的研究，以拓宽凸轮机构的用途。 我国对凸轮机构的应用和研究已有多年历史，目前仍在继续扩展和深 入。如在1 9 8 3 年全国第三届机构学学术讨论会上关于凸轮机构的论文共 有8 篇，涉及设计、运动规律、分析、凸轮廓线的综合等四个研究方向。 到了1 9 8 8 年第六届会议，共有凸轮机构方面的论文2 0 篇，增加的研究 方向有动力学、振动、优化设计等。1 9 9 0 年第七届会议，共有凸轮机构 方面的论文2 2 篇，还有含凸轮的组合机构方面的论文6 篇，增加了误差 分析、c a d c a m 等研究方向。1 9 9 8 年召开的第三届全国凸轮机构学术 研讨会对凸轮机构的研究则更为广泛和深入。在内燃机、汽车、机械制 造等有关领域，也有很多关于研究凸轮机构的内容。由此可见，我国对 凸轮机构的研究是不断发展的。此外，在凸轮机构的共轭曲面原理、c a d 和专家系统等方面，也有相当研究。但是，与先进国家比较，我国对凸 轮机构的研究仍有较大差距，特别是在振动、加工、产品开发等方面。 综上所述，虽然已有很多学者对凸轮机构的研究作了相当多的工作， 但在各研究方向仍有许多可继续进行的工作，并有一些研究方向有待开 发。从设计的角度考虑，大致有以下几点： 1 ) 从动件运动规律的研究，除继续寻找更好的规律外，要研究有效的 方法，当对从动件的轨迹有要求时，能用这些方法组成或创造出满足要 求且性能良好的运动规律。 2 ) 几何学和运动学的研究要综合考虑各种凸轮机构，尽可能导出精 确的计算公式。已有的研究大多集中于平面和圆柱凸轮，而且是一种凸 轮一种凸轮的研究，因而造成设计公式过多和近似公式较多等情况，并 将影响到其他方面( 如c a d 的应用等) 的研究。 3 ) 发展通用而有效的c a d 系统。由于上述原因和其他因素，计算 机在凸轮机构设计中的应用一直被局限于几种平面和圆柱凸轮机构，且 每一程序一般只能处理一二种机构。对比较完整的c a d 系统的研究，仅 在最近两年才开始。 4 ) 引入专家系统或人工智能型的c a d 系统。由于凸轮机构不是标 1 0 垦堕望三；查堂堡主堂垡笙奎 笙二童! ! 童 准机构，种类多，应用广，设计质量与设计者的水平和经验有密切关系， 且有许多已有的知识不能公式化，所以应用普通的c a d 系统，效果并不 很理想。如果引入专家系统，则可以获得较为理想的结果。随着专家系 统的引入，必须注意收集萃取已有关于凸轮机构及其设计的知识和经验。 5 ) 动力学研究成果的进一步实用化。由于动力学问题的复杂性和对 研究成果可靠性的怀疑，使这些成果在实际应用上并不广泛a 6 ) 加强对凸轮机构的运动特性和动力特性的计算机模拟，以提高设 计质量和缩短产品开发周期。 7 ) 研究c a d c a m 的一体化。数控用于凸轮加工已有很长的历史， 目前计算机数控的应用也比较普遍，因而c a m 是有一定基础的。但由于 对c a d 的研究不够，所以c a d c a m 集成的工作成效甚少。现在计算 机数控机床已能使用由高级语言编制的程序和计算机图形系统，这方面 的研究将很快发展起来。 1 4 本课题的来源和研究的主要任务 本课题来源于云南省科委“九五”电子信息计划重点项目云南内 燃机厂c i m s 应用工程，是该厂内燃机改型及产品开发c a d c a e 模块 的一个子项目。作者所在的昆明理工大学c i m s 研究中心自1 9 9 5 年以来 承担了该应用工程的技术服务支持，为企业应用及推广c i m s 技术做了 大量工作。在c a d 、c a e 、c a m 单项技术应用方面，先后完成了活塞连 杆组有限元分析、离合器壳体开裂有限元分析、进气道曲面造型分析、 模具c a d c a m d n c 一体化技术应用研究等，为改善产品质量、缩 短产品开发周期、增强企业的市场竞争能力，进而为提高企业的经济效 益和社会效益打下了良好基础。 云南内燃机厂是一个以生产轻型四缸柴油机为主的中型企业，由于轻 型柴油机生产具有产品相对稳定，批量较大的特点，其所属内燃机研究 所在产品改型及产品开发中大多沿用参照对比设计及经验设计方法，且 生产车间采用的是可调性很小的生产线，因而在开发新产品、工模具设 计制造过程中，均有较大的局限性。通过对该厂4 1 0 0 q 系列柴油机配气 机构的设计以及配气凸轮加工过程的调查，发现存在以下问题： 1 ) 在配气凸轮设计方面，仍然采用比较陈旧的设计方法，致使设计 的凸轮型线虽能满足基本的配气相位和运动要求，但配气机构充气系数 1 l 垦塑望三查堂堡主堂堡笙奎 星二主! 堕 低，在高速工况下动力性能差，振动、噪声较大。 2 ) 采用靠模仿形法加工配气凸轮，其中靠模凸轮的加工精度难于保 证，因而引起最终加工的配气凸轮廓线有较大误差，同时对加工后的凸 轮缺少误差检测与分析手段。 3 ) 对现有配气凸轮型线的实测升程数据缺乏有效的分析方法，无法 对现有的或使用中的配气机构作出性能评价，不利于凸轮机构的仿制工 作。 4 ) 凸轮设计阶段的数据无法直接为加工过程所利用，往往要人为地 经过多次中间转换，造成零件几何信息的重复描述，不仅大大降低了生 产效率，而且增加了计算误差，影响加工精度。 由于上述原因，配气机构通常难于达到满意的工作性能，这在很大程 度上制约了内燃机整机性能的提高，且新产品的设计开发周期长，生产 效率低，因而急需寻求有效的解决方案，本课题的研究即是围绕以上问 题而展开的。由于时间所限，本论文不可能全面解决配气机构设计与制 造过程面临的诸多问题，主要研究任务集中在如下几方面： 1 ) 寻求一种新的配气凸轮型线设计的方法，解决目前凸轮型线设计 中遇到的由设计初始条件无法控制最终设计结果的矛盾。 2 ) 配气凸轮机构动力学模型及动态分析。 3 ) 对凸轮的设计误差、数值计算误差和加工误差进行全面分析，探 讨误差修正方法和减小误差的途径。 4 ) 在c a d c a m 集成化系统u g i i 的支持下，基于u g o p e n a p i 开发两个集成应用系统，一个用于配气凸轮的设计、加工和数据分析， 另个用于配气机构其它部件的设计、加工和数据分析。这两个集成应 用系统实现了配气凸轮c a d c a m 过程一体化，从而大大提高产品设计 与加工生产效率。 昆明理工大学硕士学位论文第二章内燃机配气机构概述 第二章内燃机配气机构简介 内燃机配气机构是内燃机中的一个重要控制机构，它的功能是按预定 要求实现气缸的换气过程，根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进排 气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃烧废气。设计良好的配气机构