（动力机械及工程专业论文）基于多体系统的配气机构动力学特性研究.pdf

浙江大学硕j 学位论文 摘要 摘要 配气机构直接影响着发动机的可靠性，同时其控制发动机进排气过 程，对发动机性能具有一定影响。随着发动机技术的发展，配气机构动 力学模型分析方法及动力学试验方法的发展亦不断深入。 多柔体动力学理论，是近二十年来继有限元技术后，力学领域中最 为活跃的研究方向。论文以配气机构为研究对象，依据多体动力学理论， 利用m s c a d a m s 软件建立了多刚体动力学模型；同时利用p a t r a n 、 n a s t r a n 软件对气门弹簧等零件进行网格划分、模态计算生成相应柔性 体，从而建立了配气机构多柔体动力学模型。 文章同时对配气机构进行试验研究，利用得到的气门加速度和推杆 动态应变试验数据，对比了多刚体及多柔体两种动力学建模方法导致的 计算结果差异及动态应变计算方法的有效性；最后利用多柔体动力学模 型，细致地分析了柔性体气门的动力学响应、柔性体气门弹簧动刚度的 非线性及动态工作应力的变化规律，并对配气机构动力学指标进行了工 程分析。 通过配气机构多柔体动力学模型的计算研究，得出：多柔体动力学 建模方法，能够更加准确细致地分析配气机构动力学特性，同时通过柔 性体的模态综合建立方法，可以更加快速和详细地计算出柔性体的动态 应力变化曲线，使预测零部件疲劳性能的过程更为流畅。 关键词配气机构多体动力学柔性体动态应力模态综合法 浙江人学硕i 学位论文a b s t r a e t a b s t r a c t v a v l e - t r a i nn o to n l yi n f l u e n c e st h er e a l i a b i l t yo fe n g i n ed i r e c t l y , b u ta l s o d o e st h ep e r f o r m a n c eo fi t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe n g i n et e c h n i q u e ，t h e r ea r e m o r eq u e s t i o n sa n dd e e p l ys t u d yo nv a l v e t r a i nd y n a m i c s m a n yd y n a m i c st e s t m e t h o da n dd y n a m i c sm o d e lh a v eb e e na p p l i e dt ot h er e s e a r c ho fv a l v e t r a i n m u l t if l e x i b l eb o d yd y n a m i c si st h em o s ta c t i v er e s e a r c hf i e l do fm e c h a n i c s i nl a t e l yt w e n t yy e a r sj u s tl i k et h ef i n i te l e m e n tt e c h n i q u ei nt h ep a s t i nt h i s p a p e r , v a v l e t r a i na st h er e s e a r c ho b j e e ti ss t u d i e db yt h et h e o r yo fm u l t if l e x i b l e b o d yd y n a m i c s m u l t ir i g i db e d yd y n a m i c sm o d e l i sb u i l t b y s o f t w a r e m s c a d m a s ，a n dm u l t if l e x i b l eb o d yd y n a m i c sm o d e li sa l s ob u i l dt h r o u g ht h e s o f t w a r ep a t r a na n dn a s t r a n ，w h i c hm e s ha n dy i e l df l e x i b l e b o d y , s u c ha s f l e x i b l e b e d y - s p r i n ge r e v a l v e t r a i nt e s tr e s e a r c hi sc a r r i e do n ，s ot h a t t h ec o m p a r a s i o nd i f f e r e n c e b e t w e e nc a l c u l a t i o nr e s u l t so ft w od y n a m i cm o d e l sa n d d y n a m i cs t r a i n c o m p u t a t i o nm e t h o d sv a l i d i t yi sm a d et h r o u g ht e s td a t ai n c l u d i n gt h ev a v l e a c c e l e r a t i o na n dr o dd y n a m i cs t r a i n i nt h ee n d ，f l e x i b l eb o d yv a l v e sd y n a m i c s r e s p o n s e ，f l e x i b l eb e d ys p r i n g sn o n l i n e a rd y n a m i cs t i f f n e s sa n dd y n a m i cs t r e s s ， a r ea n a l y z e dd e t a i l e d l yi nm u l t if l e x i b l eb o d yd y n a m i c sm o d e l i ti sc o n c l u d e dt h r o u g ht h es t u d yo ft h i sp a p e r , t h a tt h em e t h o do fb u i l d i n g m u l t if l e x i b l eb o d yd y n a m i c sm o d e lc a na n a l y z ed y n a m i c sr e s p o n s eo fv a l v e t r a i n w e l la n dt r u l y , a n dd e t a i l e dd y n a m i cs t r e s sr e s u l tc a b b eg a i n e df r o mt h ef l e x i b l e b o d yw h i c hi s b u i l tb a s e do nt h em o d a ls y n t h e s i sm e t h o dw h i c hc a nm a k e f l e x i b l eb o d y sf a t i g u ep e r f o r m a n c er e s e a c hm o r er a p i d l y k e y w o r d s v a l v et r a i n ，m u l t ib o d yd y n a m i c s ，f l e x s i b l eb o d y ，d y n a m i cs t r e s s ， m o d a ls y n t h e s i sm e t h o d 浙江大学硕1 。学位论文目录 图目录 图1 1b m w 的v a l v c t r o n i c 机构2 图1 2f e v 电磁铁控制的可变气门系统。2 图1 _ 3 配气机构单质量模型和二质量模型2 图1 4 配气机构四质量模型2 图1 5 配气机构三维实体模型配气机构动力学模型零部件模块。2 图1 6 气门动态特性试验装置2 图1 7 凸轮与挺柱间摩擦系数测量原理2 图1 8 配气机构磨损试验装置2 图3 1 配气机构进气门驱动系统空间拓扑结构图2 图3 2 多刚体动力学模型2 图3 3 气门大弹簧前六阶自振频率及振型图2 图3 4 气门小弹簧前六阶自振频率及振型图2 图3 5 摇臂前六阶振型图2 图3 6 多柔体系统动力学模型2 图4 1 发动机额定转速2 2 0 0 r m i n 气门弹簧各圈弹簧加速度图2 图4 2 发动机额定转速2 2 0 0 r m i n 下气门弹簧动刚度变化曲线2 图4 3 气门大弹簧动刚度随衄轴转速变化图2 图4 4 气f 1 4 , 弹簧动刚度随曲轴转速变化图2 图4 5 曲轴转速2 2 0 0 r m i n 下气门大弹簧各圈弹簧最大剪切应力曲线2 图4 6 曲轴转速2 2 0 0 r r a i n 下气门小弹簧各圈弹簧最大剪切应力曲线2 图4 7 气门弹簧第一簧圈在最大剪切应力时剪切应力云图2 图4 8 不同曲轴转速下两种模型的气门加速度仿真结果2 图4 9 凸轮、挺柱接触应力随凸轮转角变化曲线2 图4 1 0 凸轮、挺柱最大接触应力随转速变化曲线图2 图4 1 1 两种转速下凸轮、挺柱之问油膜厚度随转角变化( 工作段) 2 图4 1 2 不同转速下凸轮、挺柱之间油膜厚度随转角变化( 工作段) 2 图4 1 3 不同发动机曲轴转速下气门速度曲线图2 图5 1v t t s i 测试系统控制柜2 图5 2 配气机构试验系统框图2 图5 3 加速度传感器频响特性图。2 图5 4 动态应变测试系统及应变连接桥路图2 图5 5 曲轴转速2 3 5 0 r m i n 气门加速度计算与试验结果。2 图5 6 曲轴转速2 1 0 0 r r a i n 气门加速度计算与试验结果。2 图5 7 曲轴转速1 8 0 0 r r a i n 气门加速度计算与试验结果2 图5 8 曲轴转速1 5 0 0 r r a i n 气门加速度计算与试验结果2 图5 9 曲轴转速1 8 0 0r m i n 下推杆杆身动态应变2 图5 i o 曲轴转速2 1 0 0r r a i n 下推杆杆身动态应变2 图5 i i 曲轴转速2 3 5 0r m i n 下推杆杆身动态应变2 图5 1 2 曲轴转速2 3 5 0 r r a i n 下气门加速度与推杆动态曲线图2 浙江大学硕十学位论文 目录 表格目录 表格3 1 配气机构参数2 表格3 2 零件质量特性值2 表格3 3 约束关系表。2 表格3 4 气门弹簧的结构参数2 表格3 5 零件刚度计算结果2 表格3 6 推杆、摇臂、和气门自振频率2 表格4 1 发动机额定转速下气门大小弹簧动刚度变化极值2 表格4 2 气门大弹簧各有效簧圈最大剪切应力值( 额定转速) 2 表格4 3 气f - m , 弹簧各有效簧圈最大剪切应力值( 额定转速) 2 表格4 4 发动机不同转速下凸轮挺柱接触应力峰值2 表格4 5 气门最大落座速度计算结果。2 表格5 1p h o t o n 便携式动态信号分析仪性能参数2 表格5 2 内置i c p 压电式加速度传感器性能参数2 表格5 3 动态应变采集仪性能参数2 表格5 4 动态应变信号调理仪性能参数2 表格5 5 应变片性能参数2 表格5 6 曲轴高转速段加速度曲线峰峰值2 表格5 7 气门加速度计算结果与试验结果偏差2 表格5 8 推杆杆身动态压应变峰值，2 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：_ 钾办签字日期：函帅参年多月s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：。如6 年 却彰刚 月舻日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师勰磊驾 签字目期：参。薛月( o 日 电话： 邮编： 绪论 1 1 课题背景 第l 章绪论 随着现代科技的发展，以及石油资源紧缺和环境法规日益严格的客观环 境，内燃机技术向高功率密度、低燃油消耗、低污染、低噪声、高可靠性的 方向发展。配气机构作为发动机的重要部件，控制着整机的换气过程，其工 作效率及可靠性直接影响发动机的动力性、经济性及排放性能。 为了提高发动机的性能及排放，提高发动机的换气性能时一个重要手段； 因此针对配气机构开发设计，应用了许多新的技术，如多气门、顶置凸轮轴、 可变气门正时、可变气门升程等。 配气机构动力学特性的优劣不仅影响到发动机的性能，还直接影响到其 自身的可靠性。原因在于：由于发动机自身的工作原理，凸轮与挺柱之间、 气门与气门座圈之间不可避免的存在碰撞作用，配气机构工作条件十分恶劣； 而且，随着发动机转速不断提提高，配气机构各零件的负荷不断增加，传动 链的畸变越来越大：这种由于构件本身弹性所导致的工作异常，很可能使配 气机构正常工作遭到严重破坏，例如：凸轮与挺柱之间、气门与气门座圈之 间的早期磨损；而且凸轮与挺柱之间的磨损将导致噪声增加，甚至影响换气 性能；同时气门与气门座圈过早的磨损现象，会造成气门强度降低，进一步 发生气门掉头，气门头与活塞运动干涉产生撞击，最终导致发动机故障。 因此，配气机构动力学特性研究是配气机构设计的基础性工作之一，是 进行配气机构设计的前提。自2 0 世纪5 0 年代至今，已有大量研究技术人员对 配气机构动力学问题进行了深入细致的研究工作。2 0 世纪七十年代，国外研 究人员提出运动弹性动力模型，将配气机构系统简化为由理想弹簧和阻尼连 接的质点，建立动力学方程组，求解得到各质点运动规律，以满足实际工程 需要。 随着现代发动机高功率密度、高速及自身轻量化德要求，对配气机构设 计和计算要求其精确度愈来愈高。现代多体动力学的发展，尤其是近2 0 多年 来多柔体动力学的快速发展，使机械动力学计算的动力学模型更加精细、准 确。由于气门弹簧等零件的刚度较弱，配气机构本身是一个多柔体碰撞系统， 通过建立多柔体系统动力学模型，考虑刚度较弱零件的柔性效应，能够更加 准确的预测配气机构的动力学响应。 柔性多体系统碰撞动力学的研究已经取得了一定的研究成果，但大多是 建立在经典碰撞假定、点铰模型、忽略摩擦作用的基础上进行的，依据耳 前的碰撞动力学理论在解决许多复杂的工程实际问题时，尤其是在解决精度 要求很高的工程问题时，往往显示出很多不足。在动力学建模理论、碰撞模 型的建立、结构柔性与碰撞过程的相互作用推理、数值积分算法、实验研究 浙江大学硕士学位论文 等方面还存在许多不完善的地方。对以上问题进行深入的研究和探索，必将 对多体系统动力学及其诸多工程应用领域带来更加深刻的影响【i 】【埔l 。 本课题目的在于：依据多刚体及多柔体动力学理论，研究配气机构多体 动力学模型的建立和动力学特性分析方法；并通过配气机构动力学试验研究， 将试验结果与两种多体系统动力学模型的计算结果进行对比，分析两种多体 动力学模型的动力学仿真特性的差异；此外通过模态技术，展开了柔性体气 门弹簧等零件的动态应力计算。 1 2 配气机构结构型式的发展历程 人类对凸轮机构的使用要追溯n 1 8 世纪，直n 1 9 世纪末，对凸轮机构还未 曾有过具有详细历史记载的系统研究。随着人类文明的进步和工业化的逐步发 展，对高效的自动机械的需求大大增加。特别是在内燃机诞生之后，以内燃机 为动力的机械逐渐增多，大大提高了人们对凸轮机械的重视程度。随着内燃机 动力机械的逐渐普及和发展，内燃机配气机构的特性对工作性能的影响逐步被 认识。到了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。在2 0 世纪4 0 年代以后，由于内燃机转速增加，配气凸轮乃至配气机构引起 的故障同益增多，人们开始了对配气机构的深入研究。 目前车用动力发动机，经典的凸轮式配气机构的型式按凸轮轴在配气机构 中的位置，它大致可分为两大类： 一类是凸轮轴位于气缸盖上，称为顶置凸轮轴式。顶置凸轮轮轴式按其 凸轮轴是否直接作用于气门组又可分成凸轮轴直接驱动气门和凸轮轴带动摇 臂而驱动气门两种型式。 顶置凸轮轴式的配气机构其总布置特点是： ( 1 ) 总体布置比较紧凑，但高度较大； ( 2 ) 零件数较少，减少了运动件的惯性质量，适于高速下工作； ( 3 ) 刚性好，自振频率较高，气门运动规律与凸轮外形所规定的运动规律 接近： ( 4 ) 凸轮轴的驱动比较复杂。 另一类是凸轮轴置于气缸体或上曲轴箱上，称为下置凸轮轴式。下置凸 轮轴式的配气机构其凸轮轴通过挺柱、推杆、摇臂来驱动气门。这种配气机 构其总布置特点是： ( 1 ) 凸轮轴的驱动较简单，安装调整容易； ( 2 ) 气门与气门导管几乎不受侧压力； ( 3 ) 适宜于系列化，大量生产； ( 4 ) 整个系统的刚度不如顶置凸轮轴式大。 现代汽车发动机的发展要求是节能、增效、低排放，但是为了获得这些 较好的发动机性能，传统固定的配气相位不能满足发动机不同工况的使用要 求。为此，可变气门驱动( v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ，简称为v v a ) 技术成为 2 汽车发动机配气机构的重要研究方向之一。 可变气门系统按照驱动方式主要可分为凸轮驱动系统和非凸轮驱动系统 两大类。凸轮驱动系统研究时间相对较长，由于系统相对简单可靠，在汽车 上已有应用。随着微电脑技术的发展，出现了非凸轮驱动可变气门系统，涉 及液压，电磁，电子等多个系统，结构较为复杂，目前多用于大型低速船用 发动机4 5 1 。 凸轮驱动可变气门系统 这类系统通过对凸轮轴传动，摇臂比，顶柱或正时皮带的调节达到改变 气门正时或升程的目的，多为机械控制，也有少量为电子控制。由于保留了 凸轮，因此，其调节能力仍受到原凸轮型线的限制。 变凸轮机构发展经历了：凸轮轴调相机构，变凸轮型线机构及全可变配 气相位机构三个阶段。 ( 1 ) 凸轮轴调相机构 该类机构利用凸轮轴调相原理，凸轮型线是固定的，而凸轮轴相对曲轴 的转角是可变的。机构原理简单，对原机改动小，成本低，便于采用。不足 之处是只能调节相位，不能改变气门开启持续时间和升程。如：b m w 的 v a n o s 是市场上具有代表性的此类机构【4 6 l 。此外。m e r c c d e s b e n z 公司的可 变气门正时系统，由电子控制，这一系统已用于r o a d s t e r 5 0 0 l 型的5 l v 8 发动 机。 ( 2 ) 变换凸轮型线结构 此类机构可以提供两种以上凸轮型线，在不同转速和负荷下，采用不同 的凸轮型线驱动气门。它能同时改变气门相位和开启持续时间，与第一阶段 相比，动力性有所改善，但由于凸轮切换方面的限制，无法实现气门正时的 连续调节，在扭矩输出方面没有大的改观，另外结构较复杂。十九世纪八十 年代中期，本田公司开发的三段式v t e c 机构【4 7 】。 这种机构在传统的凸轮轴上相邻布置了两个或更多的凸轮。任何时刻只 由一个凸轮驱动气门。它或者通过凸轮轴的轴向移动，或者通过移动摇臂与 各个凸轮配合，从而达到改变气门正时和升程的目的。m i t s u b i s h i 公司的 m i v e c 和n i s s a n 公司的n e ov v l 机构也属于此类机构类型。 h o n d a 公司的v t e c 系统其进、排气凸轮轴每缸设有三个凸轮相应三个摇 臂。高速时，由液压作用使液压柱销同时带动主摇臂和次摇臂，高速凸轮驱 动气门，改变气门正时与升程。其液压柱销的控制系电子控制。该系统已经 应用于n s x 型跑车的四气门发动机上。 ( 3 ) 全可变配气相位机构 汽车电子控制技术的发展和智能化将v v a 技术推向第三个阶段，即全可 变配气相位机构，该类机构综合凸轮调相和变换凸轮型线的优势，能够实现 对气门正时、升程的连续控制，较好的满足发动机在高转速与低转速、大负 浙江大学硕士学位论文 荷与小负荷时动力性、经济性、废气排放的要求。相应地，此类机构结构复 杂、成本高，应用会受到限制。h o n d a 的v v t l i 机构、p o r s c h e 的v a r i o e a mp l u s 机构和h o n d a 的i v t e c 机构以及b m w 的v a l v e t r o n i c 机构都属于此类机构类型 4 5 1 ；其中b m w 的v a l v e t r o n i c 机构，气门升程可以实现从o 9 6 m m l 车_ 续可调， 如图1 1 所示。 图i 1b m w 的v a l v e t r o n i e 机构 f i g1 ib m wv a l v e t r o n i em e c h a n i s m 无凸轮驱动可变气门系统 这类可变气门系统取消传统发动机配气机构中的凸轮轴及其从动件，而 以电磁驱动，或是液压驱动。系统设有电子控制单元，以检测发动机的工况， 接受处理传感器的信号，并根据m a p 图发出控制信号，控制气门的开启与关 闭。由于系统不再受凸轮型线的控制，气门参数调节相当灵活。 ( 1 ) 电磁驱动可变气门系统 一 电磁驱动气门机构( e l e e t r o m e c h a n i e a lv a l v ea c t u a t i o n ，简称为e m v a ) 一般由电磁线圈直接驱动气门，通过改变线圈的通电和断电时刻控制气门的 开启始点和开启持续期。气门动作调节灵活，响应迅速，调节能力强。许多 专利都述及电子控制系统。 e m v a 的研究大致经历了无弹簧、单弹簧、双弹簧三个阶段。早期规定 的e m v a 装置或在传统气门组件上用一个电磁阀驱动气门开启，或者采用双 电磁阀驱动气门开启而取消了气门弹簧，均因不能满足发动机气门高速运动 和能耗过大而无法实用。 目前世界上为数众多的机构相继接受了双弹簧、双电磁铁的e m v a 方案， 并进行了广泛研究。在技术上较为成熟的机构有美国的a u r as y s t e m 公司、通 4 用汽车公司【4 9 1 、德国的f e v 公司、西门子公司、宝马公司，法国的雷诺汽车公 司等。 图1 2f e v 电磁铁控制的可变气门系统 f i g1 2f e vm a g n e t c o n t r o nv a r i a b l ev a v l et r a i n f e v 公司的电磁阀气门驱动装置，其装置特点是：双弹簧分别放在上下 静铁芯的上面和下面，静铁芯外形近似于长方体，衔铁形状为长方形，并装 有液力间隙调节器。据报道，此装置能使发到机在6 5 0 0 r r a i n 下工作，其过渡 过程时间为3 m s ，气门落座速度为0 1 m s ，如图1 2 所示。 ( 2 ) 电液驱动可变气门系统 a 电子控制无弹簧双作用液压活塞可变气门驱动系统 该系统取消了凸轮及回位弹簧。f o r d 公司推出电子控制无弹簧双作用液 压活塞可变气门驱动系统1 5 0 1 。它包括一个高压和一个低压油源。在气门顶部 装有一个双作用的液压活塞。活塞上部的油腔可分别与高压和低压油源相连 通。活塞下部油腔一直与高压油源连通。活塞上部的面积显著大于下腔的面 积。高压电磁阀在气门开启的加速过程中开启，减速过程中关闭。低压电磁 阎的开启和关闭控制气门的关闭过程。系统还包括有一个高压单向阀和一个 低压单向阀，使得气门在开启到最大行程时活塞上部不至压力过低，气门在 落座之前活塞上部油腔压力不至过高。 b 电子控制有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统 该系统也取消了凸轮轴。保留了气门回位弹簧。如：l u e a s 公司的电子控 制有弹簧单作用液压活塞可变气门驱动系统 s l l 。 系统使用一个常闭型和一个常开型两位两通电磁阀共同作用，控制气门 的开启与关闭。通过回位弹簧回位。液压系统压力为1 0 3 5 m p a 。这种系统中， 气门的开启与关闭时刻，以及气门的开启速度和气门升程由电子控制单元控 s t ( e c u ) 。e c u 能根据发动机的转速和负荷等输入优化发动机的性能。 w a r t s i l a 的大型二冲程柴油机上的电控排气门也属于这一类，但只用 浙江大学硕士学位论文 了一个两位三通电磁阀控制气门的开启与关闭。这种系统能实现气门正时， 气门升程、气门开启速度的灵活调节。 此外，还有电机控制可变气门驱动系统，如：g m 公司研发了以带旋转凸 轮的电动机驱动的可变气门系统。 在国内，针对可变气门驱动系统也展开了研究，其中清华大学、浙江大 学展开了电磁阀气门驱动系统的研制【7 1 1 8 】【9 】，天津大学、武汉理工大学对电液 控制可变气门系统进行了研制【1 0 】【1 1 l 【1 2 】【13 1 。但距离工程应用还有一段差距， 跟国外水平相差较大。 1 3 配气机构动力学研究进展 配气机构动力学是进行配气机构动态设计的基础，它是研究机构零部件 刚度及零部件间碰撞对配气机构动力学特性的影响。 零部件弹性变形问题在机械运动中普遍存在，研究人员提出运动弹性动 力学方法予以分析。借助于运动弹性动力学方法，研究人员建立配气机构动 力学模型，依据简化程度，可分为单质量、二质量模型以及多质量模型。 在2 0 世纪8 0 年代，研究发现运动弹性动力学方法分析物体大空间运动 结果与实际结果不符，提出柔性多体动力学方法【3 】【4 l 。柔性多体动力学是刚 性多体动力学与结构动力学的综合与推广。近2 0 年来，柔性多体动力学在航 空、航天、机器人等领域得到迅速应用，并逐步发展完善，目前多体动力学 方法应用于配气机构研究中【1 5 】【1 6 1 【1 9 l 【5 5 1 【s 6 1 1 5 7 】【5 9 1 【6 们。 1 3 1 运动弹陛动力学方法 运动弹性动力学方法将运动系统简化为由理想弹簧和阻尼连接的质点， 建立动力学方程组，求解得到各质点运动规律。按照系统简化质点多少，可 以分为单质量和多质量模型【5 】【6 】【5 2 】【5 3 l 【5 4 l 。 单质量模型 单质量模型将配气机构由凸轮所驱动的全部零部件质量折算成集中质 量，由气门杆到凸轮轴的刚度作为系统刚度，零部件各阻尼之和作为系统阻 尼，如图1 3 ( a ) 所示。单质量模型多用来进行凸轮型线的设计优化。 多质量模型 二质量模型是在单质量模型基础上，将气门与集中质量分离，如图1 3 ( b ) 所示。质量l 与凸轮之闻刚度仍然是实测的系统刚度，与单质量模型系统剐 度相同。质量1 与气门之间刚度是气门杆刚度，气门杆形状规则，其刚度可 由计算得到。因此，二质量模型参数与单质量模型同样可由试验测定。 将凸轮轴下置式配气机构各零部件相互独立，建立四质量模型，如图1 4 。 为进一步研究气门弹簧振动状态，将气门弹簧分成多个由理想弹簧连接的质 点，提出4 + n 1 + n 2 模型，甚至5 斗n 1 + n 2 ，6 + n l + n 2 模型。 为提高动力学模型的准确性，研究者对多质量模型进行修正【1 6 】【 l ，如： 考虑运动过程中零部件刚度、阻尼变化；考虑摇臂比变化；局部采用近似解析 解替代数值解等。 ( a ) 单质量模型 ( b ) 二质量模型 图1 3 配气机构单质量模型和二质量模型 f i g1 3v a l v et r a i nd y n a m i cm o d e ( o n em a s sa n dt w om a s s ) y 4 y 3 图1 4 配气机构四质量模型 f i g1 4v a l v et r a i nd y n a m i cm o d e ( f o u rm a s s ) 1 3 2 多体系统动力学方法 所谓多体系统，是指多个存在相互运动的物体彼此通过运动副相联的系 统；包括多刚体系统和多柔体系统。 多刚体系统动力学模型可看作多质量动力学模型与刚体运动模型的耦合， 在刚体运动的同时，其模型中的刚度和阻尼施加在约束关节结点上；目前，其 理论发展基本成熟，至7 0 年代末8 0 年代初，多刚体系统动力学计算机辅助分 析软件系统在国外已达到商品化水平，广泛应用于上述工程领域的动力学与控 制性念的分析与优化。 7 浙江大学硕l 学位论文 然而目前工程问题的复杂性对动力学与控制的研究人员提出了新的挑 战；航空航天器系统和空间站、以及高速车辆中复杂机械系统的配气机构等构 件已采用轻质柔性材料，系统的运行速度加快，运行精度的要求越来越高，系 统的动力学性态越来越复杂。部件作刚体假设的多刚体系统动力学已无法解释 系统复杂的动力学性态。因此必须考虑部件大范围运动和构件本身的变形，这 类系统统称为柔性多体系统或刚一柔混合多体系统。2 0 世纪8 0 年代，多柔体动 力学理论丌始发展，并成为继有限元方法后力学界最为活跃的研究领域。 多柔体系统理论是在多刚体系统理论上发展的，通常选定一浮动坐标系描 述物体的大范围运动，物体的弹性变形将相对该坐标系定义。即弹性体相对于 浮动坐标系的离散基本上采用有限单元法或现代模态综合分析方法。在用集中 质量有限单元法或一致质量有限单元法处理弹性体时，用结点坐标来描述弹性 变形。在用正则模态或动态子结构等模态分析方法处理弹性体时，用模态坐标 描述弹性变形。因此所谓柔性体，通用的方法是将柔性体看做是有限元模型的 节点的集合，其变形视为模态振型的线性叠加。相对于局部坐标系有小的线性 变形，而此局部坐标系做大的非线性整体平动和转动。每个节点的线性局部运 动近似视为振型或振型向量的线性叠加。 配气机构柔性多体动力学模型多采用商业软件平台( 如m s c a d a m s ) 进 行建模并求解，a d a m s 软件是美国m s c 公司开发的多体动力学专业软件 ( 2 0 1 1 2 1 】1 2 2 l f 2 引，配气机构采用a d a m s 建立柔性多体动力学模型的特点： 气门弹簧、推杆、气门为柔性体； 计算弹簧振动状态； 变摇臂比； 分析接触过程刚度、阻尼变化。 ( a ) 配气机构三维实体模型( b ) 配气机构动力学模型零部件模块 图1 5 配气机构三维实体模型配气机构动力学模型零部件模块 f i g1 53 dm o d eo f v a l v et r a i na n dp a r tm o d u l eo f v a l v et r a i nd y n a m i cm o d e 图1 5 为a d a m s 软件建立的配气机构三维实体模型配气机构动力学模型 绪论 零部件模块。文献【1 1 中指出：将柔性体看做是有限元模型的节点的集合，其 变形视为模态振型的线性叠加，能够更加准确地描述机构中各零件的动力学 响应。 1 4 配气机构试验方法 配气机构试验主要包括动力学特性试验和可靠性试验两大部分，而可靠 性试验中配气机构的摩擦磨损试验是其重要研究课题。 1 4 1 配气机构动力学试验方法 配气机构动力学特性试验测量零部件实际运动规律，分析配气机构参数 对零部件实际运动规律的影响。目前最常用的是气门动态特性试验，研究气 门实际运动随转速、气门间隙、温度、润滑等条件的变化。气门运动规律测 量采用加速度传感器、速度传感器和位移传感器。 相对气门质量而言，速度传感器质量较大，会改变气门原有运动规律， 因此在气门动态特性试验中较少采用。常用压电式加速度传感器和非接触式 位移传感器，其中加速度测量应用尤其广泛。图1 6 为一种改制的配气机构 动力学特性试验装置。电涡流位移传感器用于测量液压挺柱变形量，采用压 图1 6 气门动态特性试验装置 f i g1 6v a l v ed y n a m i c sr e s p o n s et e s te q u i p m e n t 电式加速度传感器测量气门加速度。为便于电涡流位移传感器安装，将气门 弹簧移至气门下方。气门弹簧固定端的弹簧座用一块钢板支承，钢板由穿过 缸盖螺栓孔的专门加工的长螺栓固定，弹簧的安装高度通过螺栓上的螺母调 整。为减小气门上的附加质量及安装加速度传感器，上弹簧座采用尼龙材料 并设计成空心，加速度传感器用螺钉固定在气门头部中心，其引线从上弹簧 座上侧引线槽引出。为防止试验过程中气门转动而拉断传感器引线，在气门 杆中部铣出一个小平面，安装气门防转螺钉。为避免气门运动时位移传感器 引线产生过大的摩擦阻力，这两个传感器的引线从气缸盖下部引出，弓l 线孔 9 嚣器雠谋鹱髓钏it5 浙江大学硕_ i ：学位论文 内衬塑胶套管。 1 4 2 配气机构磨损测量方法 凸轮与挺柱间接触力测量是配气机构磨损试验研究的重要方法。图1 7 为配气机构磨损试验装置。凸轮由电机驱动，调节气f - j e o 簧，改变凸轮与挺 柱间接触力。挺柱连接杆上安装应变片，测量支持杆应力。通过接触力曲线 和支持杆受力曲线可计算凸轮与挺柱间摩擦系数。取凸轮轴一转中摩擦系数 平均值，平均摩擦系数随着凸轮挺柱磨损而变化，以此为依据评价凸轮与挺 柱磨损状况。 图1 8 为一种配气机构磨损试验装置，它以配气机构零部件磨损量和表 面微观特征为试验依据，研究材料、热处理方法、润滑状况、运行模式等对 磨损的影响。配气机构由电机驱动，电机与凸轮轴间以弹性联轴节连接，供 油系统可控制供油压力和温度。调节电机转速并改变润滑油压力、温度，设 定不同运行模式。运行过程中，实时测量凸轮轴转速、扭矩、气门升程、速 度、加速度等参数。 i 八 i 凸轮与挺柱 摩擦系数 图1 7 凸轮与挺柱问摩擦系数测量原理 f i g1 7t e s tt h o r yo f f r i c t i o nc o e f f i c e n tb e t w e e nc a ma n dt a p p e t 在配气机构中，经常出现零部件磨损、气门弹簧折断、气门断裂等问题， 需要进行可靠性试验分析其可靠性。借助于润滑油铁谱分析和光谱分析，可 以实时评价配气机构磨损情况。近年来，随着三维显微技术的发展，零部件 表面三维特征分析已应用到零部件磨损研究中。 1 0 i 皇霍餐齄芎 ：矗耋s 盘气机嚣：嚣鑫鬈苔箍 ! 舞譬麓魏髓麟乱氅貔嚣9 譬兰 1 2i 啡聊翠菸嚣 拈气r 嬲疆谁嚏桕像棒佟蓐嚣 图1 8 配气机构磨损试验装置 f i g1 8v a l v e t r a i na b r a s i o nt e s te q u i p m e n t 1 5 配气机构优化 基于配气机构动力学模型，某项动力学参数作为优化目标，几项动力学 参数作为边界条件，对凸轮型线函数参数寻找最优解。 典型凸轮型线优化方案： 凸轮型线：高次方函数( 如五项式、七项式等) 优化目标：挺柱升程丰满度系数 约束条件：接触应力限制 机构不出现飞脱现象 凸轮最小曲率半径 润滑特性等 从配气机构设计角度考虑，凸轮型线优化牵扯到配气机构各个零部件， 上述优化方案是局部优化问题。即在配气机构各零部件已确定的情况下对凸 轮型线寻优。局部寻优的基础在于配气机构动力学模型，通常为简便计算， 选用单质量模型。 此方案的问题： 优化效果依赖于动力学模型的准确性，尤其是模型的转速适用范围； 型线优化侧重于额定转速，但额定转速下动力学特性优良，整个转速变 化范围内动力学特性未必优良； 不能解决由于零部件本身设计缺陷而导致的动力性问题。 配气机构优化研究中，凸轮型线优化研究集中在动力学性能提高方面， 气门弹簧优化研究集中在可靠性优化设计方面汹“1 。配气机构零部件系统优 化方法研究较少旧儿”1 ，各零部件优化目标相互冲突，造成实际机构性能达不 浙江大学颈七学位论文 到设计指标。随着发动机设计要求的提高，为保证换气时面值，在零部件质 量无法降低的情况下，不得不增加气门弹簧刚度。这不仅造成配气机构驱动 力矩增加，还导致零部件快速磨损，噪声、振动加剧。甚至气门落座振动与 缸内燃烧噪声相互干扰，导致发动机爆震传感器无法正常工作。因此，配气 机构零部件设计迫切需要进行系统优化研究、试验优化设计方法研究。”，综 合各方面因素，寻求最优方案“”。 1 6 本论文研究的主要内容、目标 本论文以6 v 1 5 0 柴油机推一挺一摇配气机构为研究对象，主要研究内容、 目标包括： 研究配气机构多刚体及多柔体两种动力学学模型的建立方法； 研究配气机构动力学测试及推杆动态应变的测试方法研究； 对比分析多刚体及多柔体两种动力学模型计算结果，研究多柔体系统动 力学模型的独特的动力学效应及其特点； 利用多柔体模型，研究柔性体气门弹簧、摇臂、推杆的动态应力计算方 法，使零件的疲劳性能研究更加流畅。 1 2 多体动力学及m s c a d a m s 软件 第2 章多体动力学及m s c a d a m s 软件 配气机构作为机械部件，属于多体系统，传统的动力学计算将其简化 为集总质量点，并通过线性弹簧和阻尼对其施加约束，可以对其配气机构 动力学进行分析，但无法考虑整个刚体的运动规律。现代分析力学的发展， 如：多体系统动力学，考虑了刚体的空间运动规律，能够更加形象、精细 地描述出配气机构的运动规律，同时通过引入柔性体，依据多柔体系统动 力学理论，在深入完成配气机构动力学分析的同时，可以完成柔性体自身 的力学特性分析。目前针对多体系统，采用的计算软件有m s c a d a m s 和 d a d s 等等，其中m s c a d a m s 软件目前在整个商品化的多体软件的销 售中，市场占有率最高，其中汽车行业的使用率约为4 3 。 2 1 多体动力学概述 2 1 1 多刚体动力学理论 以欧拉( l e u l e r1 7 0 7 1 7 8 3 ) 为代表的经典刚体动力学发展至今已有二百 多年的历史。两个世纪以来，经典刚体动力学在天体运动研究、陀螺理论及 简单机构的定点运动研究等方面，取得了众多的成果。但由于现代工程技术 中大多数实际问题的对象，是由多个物体组成的复杂系统，要对它们进行运 动学和动力学分析，仅靠古典的理论和方法已很难解决。六十年代末至七十 年代初，美国的r e 罗伯森、t r 凯恩，联邦德国的j 维登伯格，苏联的波波 夫等人先后提出了各自的方法来解决这些复杂系统的动力学问题。他们方法 的一个共同特点是推导出的数学模型都适用于电子计算机进行建模和 计算。于是，将古典的刚体力学、分析力学与现代的电子计算机技术相结合 的力学新分支多刚体系统动力学诞生了1 5 引 多刚体系统动力学是以系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件 联结点( 关节点) 处的弹性、阻尼等影响，来模拟实际情况。 多刚体系统动力学中有下述几种研究方法【矧【2 5 】【2 6 l 【2 7 1 【2 9 1 1 3 1 ”1 1 ：图论方法， 凯恩方法，旋量方法，最大数量坐标法，变分方法。 多刚体系统动力学虽发展成许多方法体系，但它们的共同点是采用程式 化的方法，利用计算机解决复杂力学系统的分析与综合问题，由于建模、分 析、综合都是由计算机完成的，这给多刚体系统动力学理论带来了很多优点 【2 8 1 。 ( 1 ) 适用对象广泛。由于多刚体系统动力学是由计算机按程式化方法自 动建模和分析，并且只要输入少量信息就可以对多种结构及多种联接方式的 系级进行计算，因此其通用性强，同一程序可对各类复杂系统进行分析； ( 2 ) 可计算大位移运动。多刚体系统动力学的公式推导是建立在有限位 浙江大学硕士学位论文 移基础上的，因此即可做力学系统微幅振动的分析，又可做系统大位移运动 分析，这更符合系统的实际运动状况，并且给研究非线性问题带来很大方便， 能够使计算结果更精确； ( 3 ) 模型精度高。多刚体系统动力学的数学模型可由计算机自动生成， 不必考虑推导公式的难易程度。所以不但适用于较简单的平面模型，而且更 适用于复杂的三维空间模型。 目前多刚体动力理论发展已经较为成熟，但由于其无法考虑带挠性部件 的更广义的多体动力学问题，其计算方法存在一定的局限性。 随着部件尺寸的增大、结构重量的减轻，从而刚度的减弱以及运行速度 的提高，在几个不同的领域都提出了柔性多体系统建模的需求。 在航天领域，问题