（车辆工程专业论文）车用发动机顶置凸轮配气系统的研究.pdf

摘要 摘要 高速发动机广泛采用摇臂式顶置凸轮配气机构。本文针对k 1 5 7 f m 工型摩托车 发动机配气机构的特点，对摇臂式顶置凸轮配气机构进行了深入研究，对k 1 5 7 f m i 型摩托车发动机的配气凸轮进行了改进设计，改善了发动机的进气性能，提高了 发动机的动力性能。 首先，根据原机凸轮升程数据，求取了气门理论运动规律的数学表达式。由于 摇臂式顶置凸轮轴式配气机构的摇臂比是变化的，为提高计算精度，采取了三项措 施：一是根据凸轮升程数据求取气门理论升程数据并对该数据进行曲线拟合；二是 将气门升程曲线分为缓冲段和工作段分别进行曲线拟合；三是采用了最优化计算和 最小二乘法相结合的计算方法对工作段进行曲线拟合。计算表明，这种计算方法计 算精度高，求取的气门理论运动函数表达式对于分析气门运动规律和凸轮主要设计 参数具有重要的参考价值，同时也为配气凸轮的改进设计提供了重要的设计依据。 其次，用高次多项式型线对配气凸轮进行了改进设计。在设计中把最大速度点 和最大加速度点作为边界条件，将其确定在理想的位置上，可有效地控制加速度曲 线的基本形状和主要特征。这种高次多项式型线的新型设计方法计算简便，可灵活 地调整凸轮主要特征参数，并保持了整体式函数凸轮高阶导数连续的优点。计算表 明：这种新方法设计的凸轮型线在提高凸轮升程丰满系数、改善配气机构动力学特 性方面有明显的效果。 再次，根据最优化设计的理论，对配气凸轮在加工制造过程中产生的升程误差 进行了分析和评定。以凸轮0 。基准线位置x ，和0 升程基准线位置x ：为设计变量， 以凸轮各实测点的升程误差r 。的平方和为目标函数，建立最优化设计的数学模型， 用最优化设计方法分析配气凸轮升程误差。通过实际计算表明：与“敏感点法”相 比，用最优化设计方法求取的凸轮升程误差可准确地反映凸轮轮廓形状，将凸轮误 差精度最大可提高3 7 9 。这种配气凸轮升程误差分析方法具有简便、可行和实用 的优点，对准确确定凸轮实际加工误差具有重要意义。 最后，通过实验验证了凸轮型线改进设计后对发动机进气性能和动力性能的 i i 山东大学硕士学位论文 影响。实验结果表明，新开发的配气凸轮改善了发动机的的充气性能和动力性能。 关键词：配气机构凸轮型线最优化设计误差分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh i g hs p e e de n g i n ew i d e l yu s e st h er o c k e ra r ms t y l eo h cv a l v e t h is p a p e ra i m sa tt h ec h a r a c t e r i s t i co fk 1 5 7 f m 工m o t o r c y c l ee n g i n ev a l v et r a i n ， c o n d u c tt h et h o r o u g hr e s e a r c ho nt h er o c k e ra r ms t y l e0 h cv a l v e ，a n di m p r o v e t h ec a mp r o f i l ed e s i g n g e tt h eb e t t e re n g i n ea i ra d m i s s i o np e r f o r m a n c e ， e n h a n c e dt h ee n g i n ep o w e rp e r f o r m a n c e f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ec a ml i f td a t eo fk 1 5 7 f m 工e n g i n e ， i n t r o d u c et h e m e t h o do fv a l v et h e o r e ti cm o v e m e n tr u l e s o w i n gt ot h ef a c tt h a tt h er o c k e r a r mr a t i oo fo h cv a l v et r a i ni sv a r i a b l e ：t h r e em e a s u r e sa r ea d o p t e df o r r a i s i n gt h ec a l e u l a t i o np r e c i s i o n t h ef i r s ti sf i t t i n gt h ev a l v et h e o r e t i c 1 i f td a t ew h i c hi sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ec a ml i f td a t a t h es e c o n d i sd i v i d i n gt h ew h o l e1 i f tc u r v ei n t ot w os e c t i o n s ，t h et r a n s i t i o na n d w o r k i n gs e c t i o nw h i c ha r ef i t t e ds i n 9 1 y t h et h i r di sf i t t i n gt h ew o r k i n g s e c t i o nb yu s i n gt h em e t h o d so fo p t i m i z a t i o na n dt h el e a s ts q u a r e s t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o u n t e dp r e c i s i o no ft h i sn e w m a t h e m a t i c a lm e t h o di sh i g h e r i th a s t h ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et o a n a l y s et h ed y m a m i c so ft h ev a l v ea n dt h em a i nd e s i g nf a c t o ro ft h ec a m s e c o n d ，u s et h ep 0 1 y n o m i a lp r o f i l et od e s i g nt h ec a mo fv a l v et r a i n t h e d e si r a b l ec o n f i g u r a t i o na n dm a j o rp a r a m e t e r so ft h ea c c e l e r a t i o nc u r v e c o u l db eo b t a i n e db ys e t t i n gt h em a x i m u mv e l o c i t ya n dm a x i m u ma c c e l e r a t i o n t oe x p e c t e dp o s i t i o n t h ec a l c u l a t i o np r o c e s si ss i m p l ea n dc a nm o d i f yf o r t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h ec a me a s il yw h il em a i n t i n gt h em e r i t o fh i g h e rd e r i v a t i v ec o n t i n u i t yf o rt h ei n t e g r a l t y p ef u n c t i o nc a m t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tap e r f e c ta m p l ef a c t o ro fc a ml i f ta n d ab e t t e rd y m a m i c so ft h ev a l u et r a i nc o u l db eo b t a i n e db yt h i sd e s i g n t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ， a n a l i z et h el i f te r r o r i i i 山东大学硕士学位论文 w h i c hp r o d u c e si nt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s t h i sp a p e rw i t ht h ec a mp o s i t i o n o ft h e0 0r e f e r e n c ex la n d0l i f t i n gr e f e r e n c ex 2a st h ed e s i g nv a r i a b l e ， w i t ht h es u mo fs q u a r e so fm e a s u r e dc a mp o i n t sl i f t i n ge r r o rr ia so b j e c t i v e f u n c t i o n ， e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m i z a t i o nt oa n a l y z e c a ml i f t i n ge r r o rb yo p t i m i z a t i o nm e t h o d i n d i c a t et h r o u g ht h ea c t u a l c o m p u t a t i o n ：c o m p a r e dw i t ht h es e n s i t i v ep o i n tm e t h o d ， t h ec a m1 i f t i n g e r r o rc a l c u l a t e dw i t ht h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o dm a ya c c u r a t e l yr e f l e c t t h ec a mc o n t o u rs h a p e ，e n h a n c et h ee r r o n e o u sp r e c i s i o nb y3 7 9 t h i sm e t h o d h a sas i m p l e ，f e a s i b l ea n dp r a c t i c a lm e r i t i th a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t oa c c u r a t e l yd e t e r m i n a t ec a mp r o c e s s i n ge r r o r f i n a l l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n tc o n f i r m et h ee f f e c t i v ei n f l u e n c ea f t e r t h ei m p r o v e m e n td e s i g n s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h en e wd e v e l o p m e n t t i m i n gm e c h a n i s mh a s t h eb e t t e rg a s i f i c a t i o np e r f o r m a n c ea n dd y n a m i c s p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：v a l v et r a i n c a mp r o f i l eo p t i m i z a t i o ne r r o ra n a l y s i s i v 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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒童蕴!日期：型丑复! 盟 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：金童遂导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 发动机配气机构研究的必要性与设计要求 配气机构是发动机的重要部件之一，它的功能是实现换气过程，根据气缸的 工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，使可燃混合气或空气进入气缸并使废 气从气缸内排出【1 j o 它是内燃机结构中最复杂、工作最繁重的部件之一，承受着强 烈的热负荷和机械负荷，同时对燃油有效燃烧和提高动力性、经济性和改善排放 有关键的影响。 就气门的布置方式而言，配气机构可分为侧置式与顶置式。气门侧置的发动 机具有结构简单、使用维修方便等特点，但由于其仅能用于低压缩比和转速不高 的汽油机中，所以逐渐被淘汰。现代发动机绝大多数采用顶置气门，这种形式的 发动机，由于燃烧室结构紧凑，充气阻力小而具有良好的抗爆性和高速性，有利 于发动机动力性和经济性指标的提高。 传统的顶置气门机构中，气门布置在气缸盖中，而凸轮轴一般都布置在曲轴 附件的机体中部( 即所谓的下置凸轮轴式) ，两者相距较远，因此需要较多的传动 零件，从而使机构复杂，提高了制造成本；另一方面，由于运动件质量大，刚度 低，在发动机高速运转时易出现振动、气门机构脱离、气门反跳等现象，严重影 响发动机的动力性和工作可靠性，缩短发动机的寿命，并产生噪声。 鉴于发动机的最高转速受到配气机构自振频率的限制，于是高速发动机上出 现了提高刚度减小惯量的顶置凸轮轴式配气机构。在这种机构中，凸轮轴被放置 在气缸盖中气门的旁边，这样，凸轮通过一摆动的杠杆就可把运动传给气门，传 动机构运动件质量减轻，刚度提高，适于高速运转。现代的中小型车用发动机， 其额定转速都比较高，因而，顶置式凸轮配气机构得到了越来越广泛的应用。同 时，由于凸轮轴与曲轴相距较远，一般需要精密的高速传动链来驱动。为了保证 在冲击负荷作用下耐久地高速运转，对链条的制造工艺也提出了更高的要求。 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，即具有较大的时间一断面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机 山东大学硕士学位论文 麴还趣其骞良好静动力蝗麓，王露簿运动乎稳，扳动鞠礞鸯较，j 、，不发，圭强烈豹 冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件兵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 。而整个发动机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的， 瑟叛黼气捉 岛瓣这姥娃毙獾栝灰缀大程度上取决 ：配气热鲶豹结穆 舅。瓣j 篓：，在设 计配气凸轮时应合理地选择参数、材料、结构型式，并制定恰当的加工工艺，同 时凸轮型线的计算墩在设计中给予足够的萤襁。对发动机气门通过能力的要求， 实际上霹理瓣为怒怼交凸轮鳋彩瑟决定豹气门位移袭簿靛要求，显然，气疆开 l l 迅速就能增大时间断面，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留对机构动 力蛰羧瓣要求藤存凌一定矛霞，疫程舞设诗发麓壤夔褥震，磐发动辊z 终转速、 性能鼷求、配气机构刚度大小镣，主要在凸轮型线设计中兼顾解决【2 l1 4 】 3 1 。由此可 见，照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 鍪线貔凸轮是整个怒气程捣浚诗串最为关键熬游蓬。发动戳对酝气叠轮羹线设诗 的要求实际上可归结为对凸轮从动件即气门运动规律的要求。由于气门升程规律 的微小差异会引起加速度规律的很大变动，因此在确定气门运动规律时，加速度 运动旋律最为重要。 谶年来，随着发动机的高功率、高速化，人们对其 生能指标的要求越来越高， 要求其在高速运行舶条件下仍然能够乎稳、研靠地工作，这就对配气凸轮的设计 提窭了更高旋要黎。 1 ) 配气机构商足够大的气流通过面积，保证充气爨大。气门的升程和凸轮型 线是影酮发动机掇短和功率特性的重要因豢，对废气排放、燃油品质、噪声和行 驶舒邋往也有穰大彩镌。 2 ) 配气机构的动力学特性好，摩擦损失和噪声较低。同时气门弹簧力也对气 门运动特性有一定的影酮，特剐对气门的弹跳起到很重爱的作用。配气机构的噪 声也怒一个值得埝每重要关注豹1 菇遂，稷大程度上决定了发动极麴麓今噪声等级 水平。 3 ) 对非可变配气机构必须避摊气定时恰当，能够兼顾麓速和低速工况性能。 必须对凸轮的蓝线实现遴 亍傀纯设汗，满怠髑户需求和发动毒睡整体瞧髓需要。 2 第一章绪论 4 ) 便于制造和维修成本低。 因此，对发动机配气凸轮进行优化设计有非常重要的现实意义，且其应用前景广 阔1 6 廿1 。 1 2 国内外概况 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，随着发动机转速的增加，配气凸轮乃至整个配气机构引起的故障 日益增多，人们开始对配气凸轮机构进行深人研究，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 门。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【7 - 9 1 。 目前对发动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【7 l 等。 国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变正时等的研究有一些报道 【“1 1 ，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【6 | 【1 3 】。其中复旦大学在型线设计、程序设计、 凸轮靠模计算等诸多领域独领风骚【5 1 ，而原吉林工业大学则在多质量动力学研究方 面有所建树【3 1 。 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3 个阶段f 5 】。传统的凸轮机构采用静态设计，不考虑机构的弹 性变形，亦不考虑锁合弹簧作用下的响应问题，把整个系统简化成一个刚性机械 系统来处理，采用简单的凸轮型线。但随着发动机转速的提高，从动件系统各构 件的惯性力迅速增加，运动规律失真，同时振动和噪声越来越大，考虑系统的动 力参数特性( 质量、阻尼、刚度等) 的影响，采用动态设计【1 4 j 【1 埘。d u d d l e y 教授 提出的凸轮型线设计方法，即我们现在所说的多项式动力凸轮设计，在设计中得 到应用【1 6 1 。在设计中还有采用高次多项式非对称高速车用发动机配气凸轮型线设 计【1 】【仰，特别是高速发动机中大多采用这种型线。7 0 年代复旦大学数学系的尚汉 冀教授对配气机构动力学计算和凸轮型线设计做了系统的研究以后又对凸轮机构 3 山东大学硕士学位论文 优化设计和动力学晌应等方面开展了研究他提出的f b 型凸轮广泛的应用在国产 柴油机上【1 8 】吉林工业大学李惠珍教授做了配气凸轮型线动态优化及其建立内燃 机配气机构动力分析的多体动力学模型的研究【1 9 】清华大学陆际清教授做了凸轮 轴下置式配气机构的新动力学模型【删摇臂比的变化对凸轮轴下置式配气机构动 力学计算结果的影响研究【2 1 】赵雨东等做了电磁气门驱动设计及其电磁铁吸力特 性试验探索一种全新的设计理念。 凸轮型线设计好以后，其加工制造精度对传动机构的振动、噪音等有重要影响 1 1 3 j 阎f 2 3 j 。因此，对凸轮升程误差的准确计量和准确评定方法也是必不可少的。凸轮 升程误差的传统计量方法是通过凸轮升程最大速度点，确定最大升程位置( 即0 。 基准线) ，并以该最大升程位置为基准，测量凸轮升程，评定凸轮升程误差。这种凸 轮测量方法通常称为“敏感点法”。人们在实践中发现用“敏感点法”评定凸轮升程 误差存在一定不足：1 ) 凸轮升程最大速度点存在加工误差，这将使确定的0 。基准 线存在误差，从而导致测量误差。尤其对于非对称凸轮采用单个敏感点测量时，造 成的误差更为明显；2 ) 以凸轮的个别“敏感点”确定凸轮的0 。基准线，未考虑 整个凸轮轮廓形状对o 。基准线的影响，因而具有随机性和片面性：3 ) 以凸轮基圆 上的某一点作为凸轮的o 升程基准线，而未考虑整个基圆对凸轮升程误差的影响， 这也是随机的和欠准确的。针对上述问题，本文拟采用最优化设计的方法处理凸轮 升程误差。与“敏感点法”相比，采用这种新型凸轮升程误差评定方法将能够更加 准确、真实和全面地反映凸轮的实际加工误差。 由于环境保护和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染已经成为汽车发动 机的发展目标，要求发动机既要保持良好的动力性能又要降低油耗，满足排放法 规的规定。在各种现代技术手段中，可变配气相位技术已经成为新技术发展方向 之一1 2 4 。0 j 。传统式发动机其凸轮配气相位是通过各种不同配气相位实验，从中选 取某一固定配气相位兼顾各种工况，是发动机性能的一种折中方案，因而不可能 在各种情况下达到最佳性能。与固定配气相位相比，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、关闭时刻和升程，从而 改善发动机进排气性能，较好的满足高转速和低转速、大负荷和小负荷时的动力 性、经济性、废气排放的要求。可变配气相位技术可广泛应用在汽油机和柴油机 4 第一章绪论 上，特别是双凸轮轴的多气门发动机上。可变配气相位在汽油机上应用，可以提 高发动机的动力性能和经济性能；改善废气排放；改善怠速稳定性和低速时的平 稳性；提高充气效率和低速扭矩；降低怠速转速。可变配气相位在柴油机上应用， 可以控制发动机的有效压缩比，使其既有良好的启动性能，又能降低燃油消耗率； 提高各种转速下的充气系数，增加总功率；改善废气涡轮增压器与发动机在高、 低转速下的匹配。 由于可变配气相位技术的优越性，在美国已有8 0 0 多项专利产品【3 1 】1 3 2 】。但是也 存在一些问题，如造价昂贵、机构复杂、可调自由度有限以及冲击速度较高等等。 近年来，电子技术的发展促进了可变配气机构产品化，有些技术已在轿车上使用， 取得了较好的效果【3 3 】。b e n z 公司的5 0 0 s l 型车用v 8 发动机采用了可变气门正时， 使用进气凸轮轴两点调相法来改变气门正时。在进气门关闭角提前时调整工况， 发动机4 0 0 0 r m i n 全负荷工况下，扭转平均增加了1 5 n m 一3 0 n m ，提高了5 一8 ； 在进气门关闭角滞后调整时，标定功率增加1 5 k w ，提高了约7 。h o n d a 公司在1 9 8 9 年第一批采用了v t e c ( v a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dl i f te 1 e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m ) 的1 6 l 发动机，其最大输出功率可从原8 8 k w 增加到1 1 8 k 以可以达到 8 0 0 0 r m i n 的超高速。本田公司认为本田v t e c 发动机是把赛车发动机的高转速性 能和普通两气门发动机的低转速性能结合在一起的发动机。本田公司的三段式发 动机能在低、中、高三种不同状态下让气门以三种不同的方式工作。功率提高了 4 0 ，最大功率9 6 k w ( 6 4 k w l ) 。 随着电磁和液压阀控制技术的不断发展，微处理器应用的不断进步，可变气 门机构的产生和广泛应用将成为可能。同时由于能源和环保的问题也将促使人们 对此机构给与足够的关注【2 7 j 。 1 3 研究内容和价值 本文首先对发动机配气机构的设计和研究历史进行了详细的回顾和论述，总 结了各种设计研究方法的发展适用范围和存在的问题，结合工程实际，系统地研 究发动机顶置凸轮配气机构，深入地理解配气机构各种性能指标，主要完成工作 如下： 1 ) 利用凸轮升程表，求出k 1 5 7 f m i 摩托车发动机气门升程函数，根据其对原机 5 6 山东大学硕士学位论文 配气机构进行分析，找出实际使用中存在的问题； 2 ) 针对k 1 5 7 摩托车发动机在实际使用中存在的问题，采用最大速度和最大 加速度点位置的方法重新设计凸轮型线，将最大速度点和最大加速度点确定在理 想的位置上，有效地控制加速度曲线的基本形状和主要特征，保持了整体式函数 凸轮高阶导数连续的特点；适当改进发动机的配气相位，改善发动机的中低速充 气性能，改善中低速扭矩； 3 ) 用凸轮的o 。基准线位置和o 升程基准线位置评定凸轮升程误差的新方法 对新加工的凸轮进行校核，以凸轮0 4 基准线位置x 和0 升程基准线位置x 2 为设 计变量，以凸轮各实测点的升程误差r j 的平方和为目标函数，建立最优化设计的 数学模型，用最优化设计方法分析配气凸轮升程误差，以保证实验的精确性； 4 ) 实验验证凸轮型线改进设计后对发动机进气性能和动力性能的影响并对 其结果进行分析。 第二章k 1 5 7 f m i 原机酉已气机构的分析 繁二章k 器7 潮l 漂机配气橇构豹分析 k 1 5 嚣m i 发动机是济南轻骑集团引进翻外先进技术丽生产的摩托牮发动机， 箕发麓耩主要按零参数参凳表2 一l 。配气橇 构采用先进的摇臀剜：顶置凸轮轴结构( 如图 2 1 所示) 。在实环使用中反映存在两个方面 黪瓣蹶：是低速般速往舷差，螽亏：该氍登 最初设计为高速车趔用发动机，低速扭矩较 小，仪适合于高转速行驶；二怒气门敲击缸 头的嗓膏大，在锛德过程中，用户普遍反映 该机型缸头部分存谯异响，冷机时稍轻，热 瓿后嚣常鹎显。为戴须对该发动枧豹配气凸 轮和配气杌构进行稻应的改进设计。 銎2 一l 醚气祝掩传动圈 袋2 - lk 1 5 帮m l 发动机主要技术参数 型号k 1 5 7 f 疰l 型式单缸、四冲程、自然风冷 缸径行稷m m5 7 o 4 8 8 接量 m li 2 4 压缩院9 5 ：l 标定功率标定转速k w r m i 5 9 5 最大功率，相应转速k w m 佃i 丑 8 3 丹5 最大翅矩潮应转速n 捌钠斑n8 1 您5 最低燃油游耗率g 承v 陆 3 6 7 殿低空载稳定转速及波动r m i n 1 4 5 0 1 0 0 怠速排放c 0 4 0 ； h c 1 0 0 0 p p m 火拖塞型号 c r 7 e g d r a 棼国。6 o 7 诧酒器型式串吸等囊空罔s 籀 汽油牌号 9 3 变速器型式机械式五档变速 麓了更有效穗黢遴设诗k 1 5 7 f m l 发动瓿豹配气凸轮，鬟鼹原飙黪勰线送行深 入分析。由于k 1 5 7 跏i 型摩托率发动机是引进产品，我们没有发动机配气定对、 7 山东大学硕士学位论文 凸轮型线等设计资料，只有一张由离散数据组成的凸轮升程表( 表2 2 ) 。本章拟 表2 k 1 5 7 f m i 发动机凸轮升程 角度升程角度升程角度升程角度 升程 角度升程 7 1 o 7 2 0 7 3 o 7 4 o 7 5 o 7 6 。o 7 7 0 7 8 o 7 9 o 8 0 o 8 1 0 8 2 o 8 3 o 8 4 o 8 5 0 8 6 o 8 7 0 8 8 o 8 9 o 9 0 ，o 9 1 0 9 2 o 9 3 0 9 4 o 9 5 o 9 6 o 9 7 0 9 8 o 9 9 0 l o o o 1 0 1 o 1 0 2 o 1 0 3 o 1 0 4 o 1 0 5 ，o 1 0 6 ，0 1 0 7 ，0 1 0 8 0 1 0 9 ，0 0 o o o 0 0 0 2 o 0 0 6 0 o l o o 0 1 5 0 0 2 l o 0 2 8 0 0 3 5 o 0 4 3 o 0 5 l 0 0 5 9 o 0 6 8 0 0 7 6 0 0 8 5 0 0 9 3 o 1 0 2 o 1 l o 0 1 1 9 0 1 2 7 o 1 3 6 o 1 4 4 0 1 5 2 o 1 6 l 0 1 6 9 o 1 7 7 0 1 8 5 o 1 9 3 0 2 0 l o 2 0 9 o 2 1 6 o 2 2 4 0 2 3 3 0 2 4 l o 2 4 9 o 2 5 9 o 2 6 8 o 2 7 9 0 2 9 2 o 3 0 6 1 1 2 o 1 1 3 0 1 1 4 o 1 1 5 o 1 1 6 0 1 1 7 o 1 1 8 0 1 1 9 o 1 2 0 o 1 2 1 0 1 2 2 o 1 2 3 o 1 2 4 o 1 2 5 0 1 2 6 o 1 2 7 o 1 2 8 0 1 2 9 o 1 3 0 0 1 3 1 o 1 3 2 o 1 3 3 o 1 3 4 o 1 3 5 0 1 3 6 o 1 3 7 0 1 3 8 o 1 3 9 0 1 4 0 o 1 4 1 0 1 4 2 o 1 4 3 0 1 4 4 0 1 4 5 0 1 4 6 o 1 4 7 o 1 4 8 0 1 4 9 o 1 5 0 o o 3 6 2 o 3 8 7 o 4 1 4 0 4 4 5 0 4 8 0 o ，5 1 8 0 ，5 5 9 o 6 0 5 o 6 5 4 0 7 0 8 o 7 6 5 0 8 2 7 o 8 9 2 0 9 6 3 1 0 3 7 l1 1 6 1 1 9 9 1 2 8 6 1 3 7 8 1 4 7 4 l5 7 4 1 6 7 8 1 7 8 7 l9 0 0 2 0 1 7 2 1 3 7 2 2 6 0 2 3 8 8 2 5 1 7 2 6 5 0 2 7 8 4 2 9 2 0 3 0 5 7 3 1 9 4 3 3 3 l 3 4 6 8 3 6 0 3 3 7 3 6 3 8 6 7 1 5 2 5 1 5 3 o 1 5 3 5 1 5 4 0 1 5 5 o 1 5 6 0 1 5 7 o 1 5 8 0 1 5 9 0 1 6 0 0 1 6 l _ 0 1 6 2 o 1 6 3 0 1 6 4 0 1 6 5 0 1 6 6 o 1 6 7 o 1 6 8 o 1 6 9 o 1 7 0 0 1 7 1 o 1 7 2 0 1 7 3 o 1 7 4 0 1 7 5 o 1 7 6 0 1 7 7 0 1 7 8 o 1 7 9 o 1 8 0 o 1 8 1 0 1 8 2 o 1 8 3 0 1 8 4 0 1 8 5 0 1 8 6 0 1 8 7 o 1 8 8 o 1 8 9 0 4 1 8 3 4 2 4 4 4 3 0 4 4 3 6 4 4 4 8 0 4 5 9 2 4 7 0 l 4 8 0 7 4 9 0 9 5 0 0 7 5 1 0 2 5 1 9 3 5 2 8 0 5 3 6 3 5 4 4 l 5 5 1 6 5 5 8 7 5 6 5 3 5 7 1 5 5 7 7 2 5 8 2 4 5 8 7 2 5 9 1 5 5 9 5 2 5 9 8 4 6 o l l 6 0 3 2 6 0 4 7 6 0 5 6 6 0 6 0 6 0 5 6 6 0 4 6 6 ，0 3 0 6 0 0 5 5 9 7 3 5 9 3 4 5 8 8 5 5 ，8 2 8 5 7 6 1 1 9 3 5 1 9 4 o 1 9 4 5 1 9 5 0 1 9 6 o 1 9 7 0 1 9 8 o 1 9 9 0 2 0 0 o 2 0 1 0 2 0 2 o 2 0 3 o 2 0 4 0 2 0 5 o 2 0 6 0 2 0 7 0 2 0 8 o 2 0 9 o 2 1 0 o 2 ，0 2 1 2 o 2 1 3 o 2 1 4 o 2 1 5 0 2 1 6 o 2 1 7 0 2 1 8 0 2 1 9 o 2 2 0 0 2 2 l0 2 2 2 o 2 2 3 o 2 2 4 o 2 2 5 o 2 2 6 o 2 2 7 0 2 2 8 o 2 2 9 o 2 3 0 0 5 3 2 3 5 2 5 9 5 1 9 2 5 1 2 0 4 9 6 6 4 7 9 5 4 6 0 8 4 4 0 8 4 2 0 2 3 9 9 3 3 7 8 6 3 5 8 2 3 3 8 4 3 1 9 l 3 0 0 6 2 8 2 6 2 6 5 5 2 4 9 l 2 3 3 4 2 1 8 4 2 0 4 l 1 9 0 5 1 7 7 6 1 6 5 3 1 5 3 7 1 4 2 7 1 3 2 3 1 2 2 5 1 1 3 4 1 0 4 8 0 9 6 7 0 8 9 l 0 8 2 1 0 7 5 6 0 6 9 6 o 6 4 l o 5 9 0 0 5 4 4 0 5 0 i 2 3 4 5 2 3 5 o 2 3 5 5 2 3 6 o 2 3 7 0 2 3 8 ，0 2 3 9 o 2 4 0 o 2 4 1 o 2 4 2 o 2 4 3 ，0 2 4 4 o 2 4 5 0 2 4 6 ，o 2 4 7 o 2 4 8 0 2 4 9 o 2 5 0 0 2 5 i o 2 5 2 o 2 5 3 0 2 5 4 o 2 5 5 o 2 5 6 o 2 5 7 o 2 5 8 o 2 5 9 o 2 6 0 o 2 6 1 0 2 6 2 o 2 6 3 0 2 6 4 0 2 6 5 ，0 2 6 6 0 2 6 7 o 2 6 8 o 2 6 9 o 2 7 0 0 2 7 i 0 o 3 6 0 0 3 4 9 o ，3 3 9 o 3 2 9 o 3 1 l o 2 9 6 o z 8 3 o 2 7 1 o 2 6 1 0 2 5 2 o ，2 4 3 o 2 3 4 o 2 2 5 o ，2 1 7 0 2 0 9 o 2 0 1 o 1 9 3 0 1 8 5 o 1 7 6 o 1 6 8 o 1 6 0 o 1 5 l 0 ，1 4 2 0 1 3 3 o ，1 2 5 0 1 1 6 o 1 0 7 o 0 9 8 0 0 9 0 0 ，0 8 l 0 0 7 2 0 0 6 4 o 0 5 5 0 0 4 6 o 0 3 8 o 0 3 l o 0 2 3 0 ，0 1 7 0 0 1 2 儿o oo 3 2 21 5 1 o 3 9 9 61 9 0 o5 6 8 32 3 1 oo 4 6 32 7 2 o0 0 0 7 l i i ：坌 q ：墨垒il 互星：壁蔓：i 星星! 旦! ：q墨：曼殳曼星墨星：垒q ：垒墨q星z 墨：qq ：q q 垒 利用该凸轮升程数据求出气门运动的升程函数表达式，为分析k 1 5 7 f m i 发动机配 气机构的设计特性，并进一步改善配气凸轮型线提供设计依据。 k 1 5 7 f m i 型摩托车发动机的配气机构是摇臂式顶置凸轮配气机构( 如图2 1 8 第二章k 1 5 7 f m i 原机配气机构的分析 嚣示) ，该配气瓤羧静传囊关系其奏班下特焱： ( 1 ) 摇臂比的炎化较大，谯数学计算中不能按定值处理； ( 2 ) 凸轮轴、播臂和气门的位置关系对气门升程运动规律有重要影响； 3 ) 凸轮秀缓凝其一跨导数共嚣影响气门理论运动麓律。 这些特点决定了计算摇臂式顶置凸轮气门理论运动燧律的复杂饿。下面主要 论述求取k 1 5 7 雕i 服机气门理论运动规律的计算方法。 2 。 门理论舟糕的数据计算 将图2 一l 所豕的配气机构传动关系简化为图2 2 所乐的计算简图。即将摇臂 简化先以轴心o 为支点的摆杼a 0 8 加上两 个攘镑好和8 c ；邸始终垂赢籀惫凸轮表 面，b c 始终垂直指向气门杆端澜( 与气门 中心线平行) ：o a 、虾、b c 的长度均为 定值。从o 点商气门中心线作舔线与b c 豹 延长线交于d 点，曲0 d 为直角三角形。 当凸轮饶魏点转动楚摆铮a f 攒趣凸轮菜一 测量点( 暖，咒) 时，“。由驿0 变为磁， 么占刑由圣。变为虞，使气门舞程增大为 雇 谯闰2 3 中给出了顶置凸轮轴及摇臂从 魂辞懿关系霪。嚣巾确是援饕糗嚣孛心矗在 凸轮以顶点d 与掰臀接触时的能置。任一瞬 时凸轮的转角以瓦石与瓦万酮夹角q 表示， 摇臂的位置则良藉与砸的夹角形表示。 凸轮上同一点f 岛平底挺柱接触时的升程为 y ，转建秀a 。半径麓瓣球覆掇桎蕺滚轮麓 气门中心线 圈2 2 配气机构计算简化图 豳2 3 壕萋凸轮毒鸯奄撂鹫约运动荚系蛰 9 山东大学硕士学位论文 柱接触时的升程为y s ，凸轮转角为。 由已知的y = ， ) 计算气门运动规律的第一步是先从每一个 ，y ) 数据求对 应的( q ，) 数据。由倒q 可见 = 学 倍， 试中毛，含义见图2 3 ，而且由o _ e 知 r ：厄丽：厄再而i 万 凸轮转角q 与q ，盯的关系为： ( 2 2 ) q = 口，千( k 一髟) = 口+ s 千( k 一髟) ( 2 1 3 ) 式中( k 一髟) 前的一号适用与朝枢轴转的凸轮，+ 号适用于背枢轴转的凸轮，占、k 帮k 。为 。 s ：a r c t a i l 譬：a r c 诅n ( 上一) s = a r c t a n = 兰= = a r c t a n 【_ 二一) a e j 飞+ r i 士y k 似警， 髟o s ( 掣) ( 2 4 ) 式中心= r i 。；o = ，0 + + 儿。 接着再由( 形，嘶) 求对应的气门升程h 。由图2 2 可见，当摇臂与凸轮基圆接 触时，摇臂长臂端与气门杆端面间有间隙，而气门杆端面比摇臂中心高出z ，这 时摇臂的位置角为： 一c o s c 掣) l。， 岛；嬲i n ( 旦孚与i 1 0 第二章k 1 5 7 f m i 原机配气机构的分析 与凸轮转角对应的和气门理论升程h 为 ? 2 9 一乡2 岛二- ! 形_ ( 2 6 ) 厅= 厶( c o s 一s 属) 一j 。 若算出 的线性函数，故式( 2 1 0 ) 和式( 2 9 ) 联立， 峨 即组成个未知数怒( 岛、a i 、a 2 a - ) 和 、九和五的埘+ 4 元线性方程。因此， 当指数( “、r 2 、“) 是一组确定的值时，趱过式( 2 一l o ) 和式( 2 9 ) 可求出唯 一一缀系数( & 、气、矗2 。矗) 的值，镬蠡数艺取辍，l 、蕊黪满是式( 2 9 ) 连续戆 条件。 邋过上述分辑霹翔，式( 2 7 ) 孛对于组确定的攒数( r ，r 2 ，“) ，必然 存在唯一的系数( 如、a i 、a 2 ) 使函数取得极值。，但对于不丽的指数( r i r 2 、“) 该极值m 则是不同的，即极值m 是指数( r l ，如、r - ) 的函数为 使函数c 进一步取得最，j 、僮，建立最优纯 受诗的数学篌墅： j m i n 柚识，2 。) 一m i n 【骞( 三4 置。一 ) 2 】 ( 2 一1 1 ) s j 2 s ，z 式( 2 1 1 ) 中系数( a 0 、a 。、如a - ) 由式( 2 1 0 ) 和式( 2 9 ) 联立求解；指数 ( “施、r - ) 为设计变量其取後为正整数。通过编铡楣墩豹淞? l a 8 稷序进行求 解。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 气门理论升程函数的m a t l a b 实现 姒t l a b 是一套强大的工程计算软件，它可求解复杂的工程问题，并可方便的 用图形化的手法对数值结果进行显示。工程设计人员熟练运用m a t l a b 的可编程和 符号运算功能，可以使复杂的设计问题及其优化过程变得十分方便。本文主要应 用m a t l a b 的符号计算功能求解了多元线性符号方程组，确定了多项式的系数，利 用0 p t i m i z a t i o nt 0 0 1 b o x 中的f m i n c o n 函数 编写m 文件，实现上述优化数学模 型的求解。 根据曲线拟合的理论可知，式( 2 7 ) 中的项数越多，则计算精度越高但拟合 计算越复杂。在此取m = 7 。设升程函数为： h ( x ) = a o + a 。x 2 + a ：x ”+ a 。x r 3 + 屯x “+ a 。矿+ a 6