（机械制造及其自动化专业论文）发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究.pdf

同济大学硕士学位论文发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究 摘要 本文阐明了进行内燃机配气凸轮型线及机构设计与研究的意义，较系统地总结了 这一领域已有的研究工作，指出了目前柴油机配气凸轮型线及机构设计中存在的问 题。在此基础上，选取了二种典型凸轮型线，分别基于配气机构的单质量模型和多质 量模型，并采用非线性规划法，进行了以配气系统流通性能为目标函数，以凸轮一一 挺柱间接触应力等为约束条件的配气凸轮型线及机构优化设计。论文在m i c r o s o f t ： s u a lc + + 6 0 平台上编写了c + + 优化设计程序，并以1 6 v 2 4 0 z j 和3 8 5 q 两种柴油机 为例，给出了其配气凸轮型线及机构的优化设计计算结果，分析了多参数对配气机构 动力性能的影响。此外，论文还对配气机构总体优化思路作了探讨。 关键词 内燃机，配气机构，凸轮型线，动力学，优化设计 同济大学硕士学位论文 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究 a b s t r a c t p e r f o r m a n c eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n et i m i n gc a mp r o f i l ea n dv 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 o r t a n tt og o o df u e lc o n s u m p t i o n , h y d r o c a r b o na n dp a r t i c u l a t ee m i s s i o n s ， c o m p a c t n e s s h i g hr e l i a b i l i t y 舔w e l la st h en o i s ea n dv i b r a t i o n m a n yi n v e s t i g a t i o n sh a v e r e p o r t e do nt i m ec a mp r o f i l ea n dv a l v ea c t u a t i n gm e c h a n i s m ，h o w e v e r ，f u r t h e rs t u d i e si n t h i sa r e aa r es t i l ln e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , t h es i g n i f i c a n c eo ft h ec o n c e r n e di n v e s t i g a t i o n s w a sc l a r i f i e d ，a n das y s t e m a t i c a ls u m m a r i z a t i o no nt h ea v a i l a b l er e p o r t e dr e s e a r c hw o r k w a sm a d e b a s e do nt h es i n g l em a s sm o d e la n dm u l t i - m a s sm a s sm o d e l ，t h ed y n a m i c o p t i m a ld e s i g no ft h ec a mp r o f i l ef o rd i e s e le n g i n ev a l v ea c t u a t i n gm e c h a n i s mw a sc a r r i e d o u t , r e s p e c t i v e l yr e g a r d i n gt h ef l o wp r o p e r t y 弱t h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ec a m t a p p e t c o n t a c ts t r e s se t c 勰t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s i nt h eo p t i m i z a t i o n , t w ot y p i c a lc a mp r o f i l e s w e r es e l e c t e da n dt h en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o dw a sa d o p t e d f u r t h e r m o r e ，as e to f c + + a p p l i c a b l eo p t i m u mc o m p u t e rp r o g r a mo nt h ep l a t f o r mo fm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 w a sf i n i s h e d ，a n dt h eo p t i m u md e s i g na n dc o m p u t a t i o ne x a m p l e sf o rt w od i e s e le n g i n e s ， 16 v 2 4 0 z ja n d3 8 5 q ，w e r eg i v e n f i n a l l y , t h ee f f e c t so fm u l t i p a r a m e t e r so nt h e m e c h a n i s mw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dac o m p r e h e n s i v es y s t e m a t i c a lm e t h o df o rt h e o p t i m i z a t i o no fc a mp r o f i l ea n dv a l v ea c t u a t i n gm e c h a n i s mh a sb e e nd i s c u s s e da n d s u g g e s t e d k e y w o r d s i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，v a l v ea c t u a t i n gm e c h a n i s m ，c a mp r o f i l e ，d y n a m i c s , o p t i m u md e s i g n l i 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文：筮动扭醒氢凸捡型线毽扭掏 筮动力堂逡让皇硒究= = 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 秒中j 乃日 柘产 氰 月 作二 刘哗 剜 雠 砂 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究l 前言 1 前言 动力机械的诞生，引发了历史上一场伟大的工业革命。目前，动力机械己应用到 工业、农业、交通和军事等社会各个领域，它的发展对世界经济产生着巨大的影响。 在动力机械中，内燃式发动机是应用最为广泛、最为重要的动力装置，在汽车、船舶、 农业机械、工程机械、移动电站等动力设备中占绝对主导地位，并且这种优势仍将继 续保持下去。 虽然内燃机经历了一个多世纪的发展历程，但内燃机技术还将继续得到发展。石 油资源的限制迫使人们在寻求代用燃料或动力的同时，想办法设计低油耗的内燃机； 内燃机噪声和排气的污染，又迫使人们研究设计低噪声和低排放的内燃机。为适应社 会发展的需要，改善内燃机性能，需要从不同角度对内燃机进行深入研究。配气凸轮 机构是内燃机的重要组成部分，其设计合理性影响到发动机的总体布置以及内燃机的 经济性、动力性、可靠性、噪声、振动、排放等综合性能。因此，在发动机的高速化 进程中，既要保证发动机高性能指标，又要确保其工作可靠，这就给配气机构的设计 增添了难度，同时也给内燃机工作者提出了新的研究课题。基于此，配气凸轮型线选 择和配气机构动力学分析研究被认为是内燃机现代设计关键技术之一【l j 。 1 1 配气凸轮型线及配气机构研究的意义 近年来，随着汽车工业的发展，汽车发动机的排放物对环境的污染日益严重，对 温室气候和酸雨的形成的贡献度越来越大，人们对发动机有害排放物的重视日益提 高，排放法规越来越严格，美国等发达国家甚至要求部分车辆达到零排放1 2 j 。研发符 合苛刻的排放法规，满足低噪声、有较高的燃油经济性、高强化程度并兼顾可靠性要 求的发动机，是内燃机发展的重要方向，其中排气净化技术的研究更是重中之重1 3 4 j ， 而配气凸轮型线及机构设计优劣与排放水平亦相关。 有关配气机构对发动机性能的影响简要说明如下： ( 1 ) 对动力性能、经济性、排放的影响 由于汽车保有量的大幅增加，汽车尾气中h c 、c o 、n o x 和微粒p m 等有害排放 物已成为城市大气主要污染源。在发动机总体设计基本一致的情况下，一个充排气性 能良好、与进气流运动合理折中的配气系统，能确保足够的进气量和一定强度的气流 运动，如同时能与燃油系统和燃烧室形状良好匹配，则将有利于改善混合气形成和燃 烧，进而提高动力性能和经济性、降低排放。 在确保配气机构工作可靠性的前提下，一个优化设计的配气系统能得到相对最大 的时间断面值和丰满系数，其充、排气性能可达相对最佳水平，因而可吸入更多的新 鲜空气，排气系统的阻力可减小。这时如适当加大每循环喷油量，则可提高发动机功 率；如保持每循环喷油量不变或略有增加，则在数量上由于吸入的空气相对于燃料较 充裕，因而混合气燃烧更充分，发动机经济性可望改善，h c 、c o 等有害排放物可望 减少。 目前汽车发动机趋于每缸采用多气门技术，其目的就是为了提高发动机充、排气 性能，从而提高动力性能和经济性、降低排放。上海大众的帕桑特b 5 发动机就采用 每缸5 气门技术，与同排量的普通桑塔纳j v 发动机相比，功率从6 6 k w 提高到了 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究l 前苦 9 2 k w 。 ( 2 ) 对振动、噪声的影响 气门开闭时的撞击以及油膜厚度为零处挺柱与凸轮的直接接触产生的摩擦是低 速发动机的主要噪声源之一。发动机高速运转时，气门的不规则运动会产生气门弹簧 圈与圈之间的高频撞击噪声。此外，配气机构的振动是内燃机振动的一个重要方面， 其激振因素是凸轮的振动。凸轮运动时，凸轮型线高次谐波中振幅大的成分可能激发 固有频率低的系统共振。若设计不当而导致气门在基本段以很高的速度开启或气门机 构传动链反复脱开、接合，则在接触点造成强烈的冲击，发动机噪声将明显增大1 5 , 6 1 。 优化设计的配气机构则可有效地减少发动机振动、噪声，而对发动机性能和制造费用 没有任何影响。 ( 3 ) 对内燃机可靠性的影响 由于发动机在向高速方向发展，柴油机的平均有效压力将继续增加，爆发压力还 会提高【7 1 ，这就要求发动机具有更高的可靠性。发动机配气机构承受的气缸内气体压 力大、运转过程中惯性力大，因此机构振动强烈，常导致气门不能按凸轮给定规律运 动、机构发生脱开与弹跳、凸轮与挺柱及气门与气门座磨损加剧等情况。随着内燃机 平均有效压力和转速的不断提高，配气机构动力性能的优劣往往直接关系到其可靠性 和耐久性。 ( 4 ) 对机体结构的影响 凸轮轴的布置和传动在很大程度上决定发动机的总体布置和外形尺寸。高速车用 发动机普遍采用项置凸轮轴机构，从而使发动机结构更加紧凑，外形尺寸更小。中低 速发动机仍较多地采用下置式凸轮轴机构，但在设计中也尽量提高凸轮轴的安装位 置，使其传动链趋于短的方向发展。 1 2 配气凸轮型线及机构研究的进展和现状 1 2 1 凸轮机构的发展 凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的传动装置，它能将凸轮预定的运动规律 传递给从动件系统，己在工程中获得广泛应用。在自动机械( 如发动机配气机构) 和 控制系统中都普遍采用凸轮机构，由此也推动了其研究和发展。 在欧美各国，凸轮机构研究开展的较早，主要分三个阶段： 第一、2 0 年代，凸轮机构在低速下运行，其设计完全依赖经验和几何结构，这 一时期只是简单地考虑几何尺寸、运动分析和静力分析。 第二、3 0 年代，随着发动机速度的增加，传统的分析方法己无法说明凸轮机构 的失效问题，人们开始进行动力学、润滑、误差影响、弹性变形、加工和刀具等方面 的研究。 第三、7 0 年代以来，由于计算机和各种数值方法的发展，使得各方面的研究得 以深入，n c 、c n c 、c a m 、优化设计甚至专家系统、人工智能型的c a d 系统得到 快速发展【引。 同本在凸轮机构研究方面做了大量探索，近年来的工作主要集中在： 第一、机构设计方面，寻求凸轮机构的精确解和使凸轮型线多样化。 第二、凸轮机构动力学和振动研究，提高机构速度，发展高速凸轮。 第三、研制新的凸轮加工设备，适应新开发的产品。 2 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究 1 前言 我国对凸轮机构的研究主要集中在设计、运动规律分析和凸轮型线的综合等几个 方面，8 0 年代后才逐步开展动力学分析、振动和优化设计的研究。虽然这方面的工 作已取得了一定的成绩，但仍不能满足工程应用中机构强化程度不断提高的要求。 1 2 2 配气凸轮型线及机构研究的进展和现状 配气凸轮型线的设计方法经历了从静态设计、动态设计到系统优化设计的发展过 程。 静态设计时，配气机构被视为绝对刚体，即不考虑其工作时的弹性变形。早期圆 弧凸轮因充气性能好、设计简单，曾得到了广泛应用。但因其加速度不连续，配气机 构振动强烈，当配气机构转速较高时不宜采用。于是又发展了挺柱的升程、速度和加 速度都连续的函数凸轮( 组合函数凸轮) ，如复合正弦凸轮、复合摆线凸轮、低次方 凸轮、高次方凸轮等，这些函数凸轮在一定程度上减小了配气机构的振动和噪声。 随着发动机速度的提高，凸轮机构的机械失效问题用传统的刚性分析方法已无法 加以解释。3 0 年代末o l m s t e a d 9 j 提出从动件系统的弹性变形在凸轮机构方面有较大 影响，4 0 年代末h r o n e s l i 0 1 在微分析仪上用简单的弹簧一质量模型来模拟凸轮机构的 动力学问题，m i t c h e l l 1 1 j 则进行了凸轮提升阀机构动力学的实验研究， w m d u d l e y 1 2 j 发现气门运动规律与挺柱运动规律不一致，并认为原因在于配气机 构存在弹性变形，进而提出了动力学修正的多项式凸轮设计方法。谐波凸轮基于谐波 振动理论，先计算配气机构的自振频率，然后给定气门升程规律，在给定的约束条件 下反求挺柱升程规律。这种配气凸轮理论上引起的振动最小，但挺柱升程函数在基圆 部分忽正忽负地波动，设计上有一定难度。 动态设计虽考虑了配气机构的弹性变形和振动问题，但没能从配气机构的运动规 律出发，未能精确地获得配气机构参数和凸轮型线之间的动态优化匹配，仍有局限性。 大量实验和研究表明，凸轮型线、凸轮轴转速和配气机构参数之间存在着最优匹 配关系。李惠珍【l3 】用单质量动力模型和有限元动力模型进行匹配和优化计算后发现： 配气机构振幅是配气机构刚度和凸轮轴转速的函数，在某一转速时都有一个配气机构 刚度使振幅达到最小值，随着凸轮轴转速的增加，最优配气机构刚度值增加，对同一 机型，不同的配气凸轮型线所匹配的最优配气机构刚度不同；气门质量、推杆直径、 摇臂直径及其支承刚度等均对气门振动有很大影响，且有最优匹配值。 刘佳才【1 4 j 用平稳性系数k 值来评价配气凸轮型线、配气机构自振频率和凸轮轴 转速之间的匹配关系： 聒等= 丢= 蠡 式中： 乙一凸轮正加速度段宽度，秒 f 。一配气机构自振周期，秒 口一凸轮正加速度段包角，弧度 日。一配气机构一个自振周期所占的凸轮转角，弧度 厂一配气机构自振频率，次分 疗。一凸轮轴转速，r p m 知道配气机构各参数之间的匹配关系，采用系统优化设计可节省许多试制和试验 工作，用较少的时间和费用得到最优方案。 八十年代以来，国内在配气凸轮型线及机构设计与研究方面主要做了以下工作： 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究1 前言 沈文君等i l5 j 将配气机构总体上划分为5 大类型，并对每一种类型分别进行了详细 阐述。吴广全等【l6 j 进行了内燃机配气机构的多体系动力学研究；李为镒等【l7 j 展开了 对配气机构多质量模型的研究，提出了几种多质量模型；张可村i l8 j 提出了由控制目的 求控制源的一种数值方法，即凸轮设计的反推法；李人宪l l 州提出了内燃机配气凸轮型 线设计的约束b 样条方法；袁兆成等【2 0 j 用多质量模型进行了配气机构的动态特性研 究；张可村1 2 1 1 进行了凸轮设计的多目标规划研究。 尚汉劐2 2 2 3 1 提出了f b 2 、m f b 2 及p f b 2 型凸轮的设计方法，并进行了p f b 2 凸 轮的优化计算；王明武1 2 4 】作了高次方五项式凸轮的研究和应用；浦耿强等1 2 5 j 进行了 高速发动机配气机构的高次方凸轮设计：姜树李等【2 6 l 提出了凸轮型线动态特性的评价 指标信噪比，并进行了高信噪比凸轮型线的设计。 薛劲松等【2 7 】进行了圆弧凸轮优化设计；王德海等【2 8 2 9 1 作了椭圆一幂函数组合凸轮 和高次方凸轮的动力学优化；张可村等【3 0 j 作了内燃机分段组合幂函数凸轮的优化设 计；洪家娣等p l j 进行了以多项动力凸轮为研究对象的高速凸轮机构的动态优化设计研 究；陆际清等1 3 2 删以组合凸轮出现飞脱时最高转速为优化目标的优化设计，并对气门 机构优化设计进行了探讨：王军岗等【3 4 j 应用p f b 2 凸轮进行了机车柴油机配气机构凸 轮型线的优化设计；王璐婷等1 3 5 j 进行了8 2 4 0 z j 柴油机配气机构的动力学优化研究； 杨小华等【3 6 j 对1 6 v 2 4 0 z j 柴油机配气机构凸轮进行了以高次方为凸轮型线的优化设 计。 以上诸多优化研究结果表明，同传统设计方法相比，优化设计方法能取得更好的 动力性能和充气性能等综合性能。 目前国外配气凸轮型线及机构的研究主要是从动件、振动和噪声、摩擦、润滑、 应用、优化设计、c a d 及c a m 等方面研究的延续： m i t s u h i r o l a7 j 对滚轮挺柱和平底挺柱进行了大量实验对比，指出滚轮挺柱的摩擦力 峰值比平底挺柱减少了5 0 ；b e r gm t 3 8 j 介绍了一种由凸轮片和直轴组配成的新型凸 轮轴，采用空心轴以减轻轴重，优化选择材料以降低制造成本；w i l s o nd t j 用a v t ( a c t i v ev a l v et r a i n ) 代替c p s ( c a mp r o f i l es w i t c h i n g ) 。 从动件方面，y a nh o n g s e n 4 0 j 进行了双曲面滚轮研究；t s a yd e rm i n 4 l j 研究了振 荡滚轮。为减轻传动链重量，f u k u o k a , s a t o s h i l 4 2 j 进行了选用铝推杆、铝弹簧固定器( 摇 臂) 及铝调整垫片的研究，使气门机构质量减轻2 8 ，摩擦损失减少4 0 。 b e r gm t 叫介绍了全柔性控制机一电控制发动机气门传动系统；h e n r yr r f 4 4 j 贝f j 用一套永磁直流电机驱动凸轮机构传动到每个发动机配气机构。 y e u s h e n gs h i u e t 4 5 j 用v b 、p e n n e s t r i l 4 6 】用m a p l e 设计凸轮，a l a n d e r 【47 j 用遗传算 法来进行凸轮型线优化设计。d t e s a r 4 8 j 进行了典型凸轮系统的动力学综合分析和设 计。 到目前为止，国内外提出了多种型线，作了许多优化研究，但对它们的特性和应 用还没有全面的比较和评价。 1 3 配气凸轮型线及机构研究的一般方法 内燃机配气机构是由配气凸轮驱动的，配气凸轮型线直接影响气门升程、速度和 加速度的变化规律，对提高内燃机的充气效率、改善内燃机动力性能有决定性作用。 1 3 1 配气凸轮型线设计的任务和要求 4 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究l 前言 配气凸轮的设计任务是根据内燃机的性能选择适当的凸轮廓形，具体有两种方 法： 一是给出凸轮廓形的几何形状或曲线方程。对于传统的圆弧凸轮或切线凸轮，给 出廓形的各段圆弧和直线的几何参数即可； 二是给出配气凸轮基圆半径和对应的挺柱升程曲线。对于下置凸轮轴配气机构， 只要给出挺柱随凸轮轴转角的升程表和基圆半径，整个配气凸轮廓形即唯一确定。 由于采用第二种方法时，从动件的运动学和动力学计算较方便，且配气凸轮的加 工也需要配气凸轮从动件升程表，所以配气凸轮型线设计一般都采用第二种方法。 在内燃机配气凸轮型线设计中，流通性能和动力性能是一对关键性的矛盾，应在 确保配气机构工作可靠性的前提下，追求最佳流通性能，具体要求： ( 1 ) 确保准确的配气相位，即保证气门按设计要求开启和关闭 配气凸轮由缓冲段及基本段组成，其中缓冲段包角由气门落座速度决定，基本段 包角则由配气相位决定。理论上气门应在缓冲段上升沿终点开启，下降沿始点关闭。 实际上由于配气机构的弹性变形和振动等原因，无法保证配气相位绝对准确，但必须 确保气门在缓冲段开、关。 ( 2 ) 确保良好的充排气性能 衡量充排气性能的好坏主要看反映气体流通能力的时间断面值和丰满系数的大 小。但追求大的时间断面值和丰满系数必须兼顾配气机构的动力性能。 ( 3 ) 确保配气机构运转平稳、振动尽可能小 对高强化发动机，必须进行动力学计算以验证配气机构是否平稳、是否存在传动 链飞脱和气门落座反跳等现象，具体要求有： 一挺柱升程曲线有较好的光滑性，尽可能使挺柱升程曲线二阶、三阶甚至高阶连 续 二挺柱最大正、负速度不能过大； 三气门落座速度不能过大； 四挺柱最大正、负加速值不宜过大或带有突变； 五挺柱正加速度段的宽度与配气机构的自振周期应有较好的配合，一般正加速度 段不应过小，即要求有合适的机构平稳系数； 六缓冲段高度应适当选择，一般不应过小。 ( 4 ) 确保凸轮与挺柱间的接触应力不致太大。 配气机构与挺柱间的接触应力过大会使配气凸轮与挺柱发生强烈的磨损、刮伤和 点蚀，甚至还会出现裂纹和破碎，应根据凸轮与挺柱两接触副的材料确定最大接触应 力的限值。 ( 5 ) 确保凸轮的可加工性 最小曲率半径过小( 绝对值) 不但会导致配气凸轮与挺柱间接触应力过大，还会 增加加工工艺上的困难。一般认为正的最小曲率半径应不小于3 m m ，负曲率半径的绝 对值应大于3 0 0 m m 。 ( 6 ) 确保气门与活塞不相碰 上述六个方面的要求常常互为矛盾。挺柱升程函数光滑程度高，平稳性就好，但 丰满系数却相对较低，对充气性能不利。故配气凸轮设计必须针对具体机型的用途， 综合考虑，系统权衡。 1 3 2 配气凸轮型线的传统设计方法 5 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究l 前言 传统的凸轮型线设计是一种经验、类比和尝试相结合的优选设计方法，具体设计 流程如图卜l 。 图l l 凸轮型线传统设计流程 凸轮型线应根据相应配气机构在设计转速下的振动特性参数的大小来选择： e - - m o j 2 | c 式中：m 一配气机构当量质量，k g ( - ) 一凸轮旋转角速度，弧度秒 c 一机构刚度，n m 当 0 0 0 2 时，应较多地顾及平稳 性；当0 0 0 1 p o 0 0 2 时，则应综合考虑流通性能、平稳性和磨损情况等。 1 3 3 配气凸轮型线及机构优化设计的一般方法 随着计算机技术和最优化理论的迅速发展，配气凸轮型线设计正由上述传统设计 方法向优化设计发展，从而可提高配气系统综合性能，并缩短产品开发周期。 配气凸轮型线的优化设计大致可按以下步骤进行： ( 1 ) 确定最优化问题的数学模型； ( 2 ) 求解的准备。主要是对优化问题和优化模型做些简单修正，使其适合在计 算机上运算求解，避免一些潜在的数值计算困难，提高计算的有效性，识别一些能指 导实际计算的模型结构特征； 6 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究l 前言 ( 3 ) 选择一个合适的最优化算法； ( 4 ) 为所选的算法准备一个有效的计算机执行策略： ( 5 ) 在计算机上进行运算，对优化问题和优化算法的参数进行必要的调整，求 出数值解； ( 6 ) 在实际系统中对所得的最优解进行解释并执行。 1 3 3 1 优化模型的建立 解决实际优化问题的关键是建立该问题的数学模型。最优化问题的数学模型有三 个部分组成：目标函数( 性能指标) 、约束变量和约束条件。为了能真实地反映实际 运动规律，要力求模型尽可能详细，但由于受诸多因素的限制，又要对模型作必要的 简化；另一方面，优化是针对模型进行的，而不是针对实际系统进行的，所以模型又 不能太粗糙、简单。 工程最优化中常用的模型主要可概括为以下三种： 一是面向方程的模型 这类模型由基本的物体平衡和能量平衡方程、工程设计关系、物理性质方程组成， 汇集成显式的方程组和不等式组。由于面向方程的模型使用基本的工程原理来描述系 统的特性，所以它的有效范围比下述的响应曲面模型要宽。 二是响应曲面模型 这类模型的建立是先选择一个具有某种形式的方程组，方程组中含有一些未知系 数，然后使用直接或间接测量到的系统响应数据去拟合这些系数，得到一组表示整个 系统或其组成部分的近似方程，适用于对系统的响应理解不透或系统响应太复杂以致 不可能从基本工程原理出发进行精细建模的场合。这种模型虽有简化结构的好处，但 只在系统变量的有限取值范围内有效。 三是面向过程或面向模拟的模型 这类模型是把描述系统特性的基本方程安排成一些分离的模块或子程序组，每个 模块或子程序是独立的单位，代表机构的特殊部分或一组与系统状态变化有关的运 动。这类模型在方程含有隐式变量、求值复杂，且在选择一个计算步骤或适当方程的 逻辑块受到系统状态的限制或在模型必须涉及m o n t ec a r l o 采样技术的随机因素时较 适用。 可能时应优先选用面向方程的模型，因为用传统的非线性技术处理是最方便的。 尽管面向过程的模型允许方程递归块的特殊处理，甚至有时更有效，但在存取中间因 变量的值、对中间因变量施加限制及交换自变量和因变量的作用等方面不够方便。本 文建立的优化模型属第一类模型。 1 3 3 2 设计变量、目标函数及约束条件的选取原则 在最优化设计问题中，设计变量是影响设计目标的可变参数。变量过多，将使问 题变得过于复杂：变量过少，优化的程度就差。所以要结合具体问题，选择对目标函 数影响较大的变量，在满足设计要求的前提下减少次要的变量，使问题简化。 目标函数是评价设计方案好坏的标准。一般来说，目标函数可以表示为问题变量 的解析表达式，这时可用解析法或直接法进行优化。对于无法把目标函数表示成变量 的解析表达式的情形，需在调优过程中通过各种方式获得数据，采用直接法进行优化。 通常设计目标不止个，应选取主要的作为目标函数，其余的列为约束函数。 约束条件是设计变量取值的限制条件，有等式和不等式两种。它是评定设计方案 可行或不可行的标准。约束条件的确定要与加工工艺、可能发生的故障与危险情形结 7 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究l 前言 合起来，当然，要去掉不必要的限制，否则可行域变小，影响到最优化的结果。 1 3 3 3 最优化问题的求解方法 配气凸轮型线及机构的最优化问题都属于不等式约束非线性规划，求解这类问题 一般采用直接法和间接法。直接法有网格法和复合形法，问接法有罚函数法、拉格朗 同乘子法、近似规划法等。间接法一般要涉及目标函数和约束函数的偏导数；直接法 简单、直观，对函数无特殊要求，它找到的解即使不是最优解，也是一个可靠改进过 的解。比较常用的方法有复合形法、网格法和罚函数法等，本文选用了复合形法和离 散复合形法。 、复合形法1 4 9 , 5 0 】又称b o x 法，就是在n 维设计空间的可行域内，对复合形各项点 的目标函数值进行逐一比较，不断剔除最坏点，代之以既能使目标函数值有所下降， 又满足约束条件的新点，如此反复迭代，逐步逼近最优点。复合形法是求解有约束最 优化问题的一种重要方法。 离散复合形法1 4 9 , 5 0 j 是在复合形法基础上发展起来的一种解离散变量约束最优化 问题的直接法，它可以在可行域内的离散空间中直接探索离散点，且探索范围较小， 可以大大加速求解过程。其初始顶点可以是非可行点。寻优迭代过程是计算离散复合 形各顶点的目标函数值，找出其中函数值最大的一点称最差点x 。，及算出除最差点外 其它各点的形心x 。，并以x 。为基点，以s = x 。- x 。为离散一维探索方向，进行离散一维探 索，可有反射、扩张和压缩等过程，不断地丢掉最差点代之以目标函数值有所下降的 一个新点，如此重复计算，使新的离散复合形不断地向约束离散最优点靠拢，直到满 足计算精度为l t 。 1 4 本文的主要研究内容 目前国内在进行配气凸轮型线及机构设计时，大多仍采用经验、半经验的试算择 优方法，设计精度不高，周期较长。本文基于现代最优化理论和数值分析方法，编写 了能用于对目前应用较广泛且有代表性的p f b 2 凸轮、高次方凸轮进行优化设计的应 用程序，并以1 6 v 2 4 0 z j 、3 8 5 q 两种柴油机为例，给出实际优化算例。具体内容包 括： ( 1 ) 配气机构若干计算参数及缸内压力的确定； ( 2 ) 配气凸轮型线设计及有关特征参数计算； ( 3 ) 配气机构的单质量和多质量模型的建立及其数值计算； ( 4 ) 配气凸轮机构优化设计； ( 5 ) 配气凸轮机构多参数研究； ( 6 ) 配气系统总体优化设计的探讨； ( 7 ) 优化程序的设计。 1 5 本章参考文献 【1 】翁祖亮，内燃机产业关键技术分析，内燃机工程，1 9 9 9 ( 2 ) 【2 】蒋德明，要充分重视内燃机技术在最近所取得的突破性进展，内燃机，1 9 9 8 ( 3 ) f 3 b a u d e rr 柴油机技术的朱来，国内外内燃机，n _ o 2 ，1 9 9 9 8 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究 l 前言 【4 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s i so fc y l i n d r i c a lc a m sw i t h o s c i l l a t i n gr o l l e r - f o l l o w e r s ，a d v a n c e si nd e s i g na u t o m a t i o na m e r i c a ns o c i e t yo fm e c h a n i c a l e n g i n e e r s ，d e s i g ne n g i n e e r i n gd i v i s i o n ( p u b l i c a t i o n ) d ev6 5p tl 19 9 3 p u b lb ya s m e ，n e w y o r k n y 9u s a p 7 1 l 7 1 8 【4 2 f u k u o k a , s a t o s h i ；h a r a , n o b u o ；m o r i ，a k i y o s h i ；o h t s u b o ，k i z u k u , f r i c t i o nl o s sr e d u c t i o nb yn e w l i g h t e rv a l v et r a i ns y s t e m ，j s a er e v i e wv18n2a p r19 9 7 【4 3 b e r gm ，g e r h a r dkk u n h n 只a 控制一机械全柔性气门控制机构，国外内燃机，1 9 9 9 ( 2 ) 【4 4 h e n r yr i ll e q u e s n eb ，新颖全柔性机一电控制发动机气门传动系统，国外内燃机，1 9 9 6 ( 6 ) 【4 5 y e u s h e n gs h i n e ，v i s u a lb a s i ca sad e v e l o p m e n tt o o lf o rt h ed e s i g no fd i s kc a n lw i t hr e c i p r o c a t i n g f o l l o w e r s c o m p u t e r si ne d u c a t i o nj o u r n a lv o l ：8i s s ：lp 3 4 7 【4 6 p e n n e s t r i ，e ；f a l a s c a , v ，d e s i g no fc a mm e c h a n i s m su s i n gm a p l e ，m a p l e t e c hv o l ：3l s s ：lp 7 4 8 4 7 a l a n d e r , j t ；l a m p i n e n ，j ，ad i s t r i b u t e di m p l e m e n t a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h mf o rc a ms h a p e o p t i m i z a t i o n , a d v a n c e si nc o m p u t a t i o n a lm e c h a n i c sw i t hp a r a l l e la n dd i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gp 2 0 9 1 7 【4 8 d t e s a r , g k m a t t h e w , t h ed y n a m i cs y n t h e s i s ，a n a l y s i sa n dd e s i g no fm o d e l e dc a ms y s t e m s ， l e x i n g t o nb o o k , d c h e a t ha n dc o ，l e x i n g t o n ，m a s s a c h u s e t t s ，19 7 6 【4 9 r i j 惟信，机械最优化设计( 第二版) ，清华大学出版社，1 9 9 4 【5 0 叶元烈主编，机械优化理论与设计，中国计量出版社，2 0 0 1 l o 发动机配气凸轮型线及机构的动力学设计与研究2 配气凸轮型线设计及特性参数计算