（光学工程专业论文）jym154fmi发动机配气机构仿真分析及凸轮型线设计研究.pdf

study on valve train simulation analysis and cam profile design of jym154fmi engine a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wu guohui supervisor: prof. zhang li major: vehicle engineering college of mechanical engineering of chongqing university april, 2008 中文摘要 i 摘 要 配气机构是内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的工 作性能和可靠性。随着内燃机向高速方向发展，现代内燃机对配气机构提出越来 越高的要求。配气机构运动学、动力学研究是当前内燃机研究的热点领域之一。 整个内燃机配气机构是由配气凸轮驱动的，因此凸轮的设计对配气机构的性能起 着决定性作用。 本文以 jym154fmi 发动机配气机构为研究对象， 从运动学和动力学角度对其 进行研究，并对凸轮型线的改进设计进行探讨。研究过程中，分别应用配气机构 专业分析软件 avl-tycon 和多体系统分析软件 adams，建立配气机构运动学 模型，进行仿真计算，并将气门升程及 1mm 升程值对应的配气相位计算结果和测 试结果对比，验证模型的正确性；通过运动学计算还考察了气门升程丰满系数、 凸轮最小曲率半径等运动学性能指标。 采用一维动力学分析方法对配气机构进行动力学仿真分析，计算结果显示， 机构运行平稳，气门落座速度、落座力均在许用值以内；没有机构飞脱、气门反 跳现象；气门弹簧运动正常，无并圈现象。在对原机构仿真分析的基础上，对新 的配气相位要求下凸轮型线的设计进行了探讨，并对新设计方案进行配气机构仿 真分析和发动机工作过程模拟，结果显示，配气机构运行平稳，发动机高速性能 有所提高。 目前国内外对凸轮型线的研究比较多，在由凸轮型线实测数据获取原始设计 逼近值方面，大都采用光顺-拟合的方法，过程比较复杂。在课题研究中，针对多 项动力凸轮设计原理，提出通过配气机构运动学的正逆联解方法反求凸轮型线， 并进行实例验证，提供了通过检测凸轮样件的型线来获取凸轮型线原始设计的新 途径。 关键词：关键词：配气机构，内燃机，凸轮型线，仿真分析，设计 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract the valve train system is one of the most important mechanisms of internal-combustion engine, whether its performance is good or bad, that affects the working performance and the reliability of the whole engine directly. along with the request of the engines high power, it demands a higher index about the valve train. the kinematics and dynamics research on valve train is one of the main active research fields about internal-combustion engine. the valve train is drived by the camshaft, so the cam design is crucial to the valve trains performance. in this paper, by taking the valve train of jym154fmi engine as research object, the kinematics and dynamics performance are researched and the method of cam profile improvement design is discussed. in the course of studying, the kinematics model on valve train is established in professional software avl-tycon and multi-body system analysis software adams respectively, and the kinematics performances of the valve train are calculated. the model is verified by contrasting the calculate results and test results of valve lift and valve timing (1mm valve lift). the other kinematics characteristic index such as fullness ratios and cam curvature radius are also investigated. the dynamics calculation about the valve train is made by avl-tycon using parametric model. the results show that the valve train run smoothly under rated speed , and the seating velocity and force are normal; there is no flying-away and valve rebound; the valve springs work normally and are not blocked. based on the simulation and analyses of the valve train, the method of cam profile improvement design according to new valve timing is discussed; then the valve train and engine working performance with new cam profile is simulated, and the results show that the valve train can work stably and engine high-speed performance are somewhat increased. there has been a lot of research on cam profile of the valve train at present. at the aspect of acquiring the original cam profiles approximation value through test data, most researchers use smoothing-fitting method, which is complex and may not effective sometimes. based on research, this paper put forward a obverse and reverse unite calculation of valve train kinematics , which can reversely obtain the cam profile data more accurately according to the basic principles of poly-dynamic cam design. it has been approved that this method provides a new and effective way to obtain the original 重庆大学硕士学位论文 iv cam profiles approximation values through measurement. keywords ： valve train, internal-combustion engine, cam profile, simulation analysis，design 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题背景课题背景 . 1 1.2 配气机构发展现状配气机构发展现状 . 2 1.3 配气机构研究进展配气机构研究进展 . 5 1.3.1 配气机构运动学和动力学研究 . 5 1.3.2 配气机构凸轮型线设计 . 6 1.4 本文的研究对象及主要内容本文的研究对象及主要内容 . 7 2 配气机构运动学计算配气机构运动学计算 . 9 2.1 一维运动学分析模型的建立一维运动学分析模型的建立 . 9 2.1.1 模型特征参数计算 . 9 2.1.2 运动学模型 . 13 2.2 运动学计算结果评价准则运动学计算结果评价准则 . 14 2.2.1 气门运动规律及凸轮升程 . 14 2.2.2 凸轮与从动件接触应力 . 14 2.2.3 凸轮曲率半径 . 15 2.2.4 其他评价指标 . 15 2.3 运动学计算结果及分析运动学计算结果及分析 . 16 2.4 多刚体运动学建模及计算多刚体运动学建模及计算 . 19 2.4.1 adams 运动学分析原理 . 19 2.4.2 多刚体运动学模型 . 20 2.4.3 多刚体运动学计算 . 23 2.5 气门升程的测量及对比分析气门升程的测量及对比分析 . 23 2.5.1 进、排气门升程的测量 . 23 2.5.2 测试值与模拟值的比较及分析 . 24 2.6 本章小结本章小结 . 25 3 凸轮型线的原理性反求凸轮型线的原理性反求 . 27 3.1 凸轮型线的实测凸轮型线的实测 . 27 3.2 凸轮型线的原理性反求方法凸轮型线的原理性反求方法 . 27 3.2.1 原理性反求基本思想 . 27 重庆大学硕士学位论文 vi 3.2.2 多项动力凸轮的设计原理 . 29 3.3 凸轮型线反求应用实例凸轮型线反求应用实例 . 32 3.4 本章小结本章小结 . 35 4 配气机构动力学计算配气机构动力学计算 . 37 4.1 动力学计算模型动力学计算模型 . 37 4.1.1 单质量模型 . 37 4.1.2 多质量模型 . 38 4.2 一维动力学建模及仿真一维动力学建模及仿真 . 38 4.2.1 动力学模型建立 . 38 4.2.2 动力学仿真计算 . 39 4.3 本章小结本章小结 . 44 5 凸轮型线的改进设计研究凸轮型线的改进设计研究 . 45 5.1 配气凸轮设计的准则配气凸轮设计的准则 . 45 5.2 凸轮型线设计方法凸轮型线设计方法 . 49 5.2.1 凸轮型线设计思路 . 49 5.2.2 基本段的设计 . 49 5.2.3 缓冲段的设计 . 51 5.3 凸轮型线改进设计凸轮型线改进设计 . 51 5.3.1 配气相位和最大气门升程的确定 . 51 5.3.2 气门升程曲线设计 . 54 5.3.3 反推凸轮型线 . 59 5.4 新型线动力学分析及验证新型线动力学分析及验证 . 60 5.4.1 动力学分析 . 60 5.4.2 发动机性能模拟 . 63 5.5 本章小结本章小结 . 64 6 结论与展望结论与展望 . 67 6.1 全文总结全文总结 . 67 6.2 展望展望 . 68 致致 谢谢 . 69 参考文献参考文献 . 71 附附 录录 . 75 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题背景 随着现代科技的发展，以及能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，许 多内燃机现代设计技术得到了广泛应用,如：计算机辅助设计(cad)、快速成型技 术、有限元分析、可靠性分析、发动机循环模拟、计算流体动力学、磨损预测、 轴承轨迹分析、运动学及动力学分析等。加速内燃机现代设计技术的应用与推广, 对节约能源、保护环境必将十分有利1。 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，以保证气缸吸入新鲜空气和排出燃烧 废气。配气机构也是发动机结构中最复杂、工作最繁重的部件之一，承受着强烈 的机械振动、冲击、热负荷，配气机构设计的好坏直接关系到整个发动机的动力 性、经济性、噪声、排放指标以及使用寿命。一台发动机的经济性能是否优越， 工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与配气机构的设计是否 合理有密切关系。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，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构 还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲 击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以 及合适的正、负加速度值。 对于高速、大功率发动机，人们对其性能指标的要求较高，并且要保证它在 较恶劣的条件下仍能平稳可靠地工作，这就给配气机构的设计以及零部件的制造 增加了难度，从而提出了许多研究课题2。例如:(1)在传统的配气机构中，人们较 多地采用外形简单的圆弧凸轮和切线凸轮等。由于这些凸轮存在高速平稳性差等 缺点，因此在许多场合己被性能更为优越的各种函数凸轮所代替。怎样根据具体 机型的要求选取合理的函数凸轮型线并进行有关特性参数的计算和分析，是配气 机构设计中的一个重要课题。(2)过去进行气门运动规律的计算时，是将配气机构 的传动链作为完全刚性的，因而就只需要进行运动学计算，从而在本质上只是一 个纯几何问题。但对于高速或高柔度的配气机构来说，其传动链的变形往往不能 忽略，因此就需要建立新的计算模型和计算方法。这就是所谓的配气机构动力学 计算。只有在知道了气门及其驱动零件的真实运动和载荷变化情况后，才能对其 工作条件和可靠性做出正确结论，从而提出有效的改进措施3,4。(3)随着设计要求 的提高，在设计中需要考虑的因素越来越多，诸如配气相位、平稳性、充气性能、 重庆大学硕士学位论文 2 润滑特性、凸轮与挺柱间的接触应力等等，都需顾及。另一方面可以选取的结构 布置，特别是凸轮型线种类也日益增多，这样，为了选取一个最优的设计方案， 往往需要很大的工作量。(4)为了设计一台新的发动机，常常需要参考某些成功机 型的经验，或者在某些基础上进行改进。为此，在设计配气机构时也经常需要对 某种发动机配气机构的特性进行分析。比如，根据一张实测的凸轮升程表及其它 一些有关的实测数据对该配气机构的各方面特性作出判断，以及对这种凸轮用在 其它新设计的机型上的效果做出预测等等。 目前我国汽车、摩托车企业大都走与国外企业合作的道路，在产品设计制造 方面与国外还有很大差距5,6， 在引进国外先进技术后的系统分析和理解尤为重要。 本文以 jym154fmi 发动机配气机构为研究对象。 该发动机采用引进日本的设计技 术，但仅从对方提供的以生产用产品图纸为主的技术资料中，无法获得其设计参 数，更无法从系统层面上理解其设计思想和设计原理。本文对该配气机构从运动 学、动力学方面进行仿真分析，并对其凸轮型线设计原理进行了探讨研究，以期 从本质上掌握其设计原理，提高设计水平。 1.2 配气机构发展现状 世界汽车、摩托车工业的发展和技术的不断进步，对发动机乃至配气机构提 出了更高要求，如必须在原来的基础上进一步改善燃料经济性，在部分负荷时变 化配气正时。同时，提高汽车持续行驶的性能，其关键在于如何提供低燃油消耗 性能和高功率性能兼备的汽车动力装置。 为了满足现代发动机的发展需要，配气机构也发展了各种新技术。目前国内 外配气机构的发展趋势主要有以下几个方面7： 顶置凸轮轴配气机构 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。 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。下置凸轮轴型，应用最广， 但这种机构高速运转时会产生较大的惯性力和振动及噪声，消耗较大的动力。顶 置凸轮轴型总体布置比较紧凑，零件数较少，减少了运动件的惯性质量，适于高 速下工作；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。 现代中小型车用发动机上广泛采用链传动形式的顶置凸轮轴配气机构。目前 顶置式凸轮轴配气机构主要有 3 种结构形式，其机构简图如图 1.1 所示。图 1.1(a) 是凸轮直接驱动气门式 （简称直动式） ， 图 1.1(b)与图 1.1(c)分别为摆臂式和摇臂式。 1 绪 论 3 直动式机构运动零件少，结构简单，气门运动规律与凸轮驱动平底挺柱配气机构 的运动原理相同，摆臂式和摇臂式结构是将凸轮的作用通过摆臂和摇臂传给气门， 摆臂和摇臂同时不起到放大凸轮升程的作用，故而这种结构的凸轮升程小于气门 升程，可以较灵活地选择摆臂比或摇臂比，使凸轮型线的升程工作包角调整到比 较合适的状态。 （a）直动式 （b） 摆臂式 （c） 摇臂式 图 1.1 顶置凸轮轴机构类型 fig.1.1 types of ohc valve train 多气门配气机构 早在上世纪 20 年代初，多气门内燃机就己经出现了，但仅用于赛车，主要是 为了降低排气门的机械负荷和热负荷。现阶段利用多气门内燃机的目的主要是为 了提高功率。多气门内燃机具有很明显的优势，如：两个进气门与单个进气门相 比，通断面加大 30%35%以上，可大大提高充气系数；用两个排气门，气缸扫气 也将大为改善；在中低、高转速范围内，四气门内燃机扭矩一般比两气门内燃机 大 10%15%，高转速范围内大 10%20%。多气门内燃机不仅提高了内燃机功率， 在降低燃油消耗，减少排污方面也有很好的潜力。据分析，4 气门内燃机燃油消耗 比 2 气门内燃机燃油消耗低 6%8%。另外，多气门机构还具有易实现可变技术， 改善低速、低负荷性能；布置紧凑燃烧室，火花塞放置在燃烧室中央，从而改善 燃烧，减小运动件质量，利于高速化等优点。 由上观之，多气门内燃机的优越性是 2 气门内燃机无法比拟的。因而，世界 各国的汽车拖拉机内燃机制造业都将生产转向多气门内燃机的制造。日本的一些 汽车制造商由于早己在摩托车上采用多气门内燃机技术，因而设计和生产多气门 内燃机的效率都高于欧美竞争对手。不仅研制新内燃机时间短、投产快，而且生 产周期也短。上世纪 90 年代日本多气门内燃机有了更大的发展，几乎所有的新内 燃机系列都是多气门内燃机，每个系列中都有 3、4、5 气门内燃机。本田公司从 1990 年开始停止生产 2 气门内燃机。上世纪 90 年代欧洲公司也是如此。奥贝尔、 菲亚特、标致、大众、奔驰等公司经过改进，也已经生产多气门变形机，从直列 4 重庆大学硕士学位论文 4 缸到 v8 内燃机，都采用 4 气门配气方案。美国几大公司于 19901993 年己开始并 大量生产多气门内燃机。 总之，多气门配气方式是内燃机配气机构发展的必然趋 势8。 可变配气相位配气机构 现代车用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。可变 配气相位(vvt)技术是近年来应用在发动机上的新技术， 是现代车用内燃机发展方 向之一9,10。它改变了传统发动机中配气相位固定不变的状态，使配气相位优化， 从而较好地解决了发动机高转速与低转速、大负荷与小负荷工况下动力性与经济 性的矛盾， 同时在一定程度上改善了排放性能9。 由于可变配气相位技术的优越性， 在美国已有 800 多项专利产品。近 10 多年来，电子技术的发展促进了可变配气相 位机构产品化， 有些技术已在轿车上使用， 取得了较好的效果。 benz 公司的 500sl 型车用 v8 发动机采用了可变气门正时，使用进气凸轮两点调项法来改变气门正 时。在进气门关闭角提前调整的工况，发动机 4000r/min 全负荷工况下，扭矩平 均增加 15nm30nm，提高了 5%8%，在进气门关闭角滞后调整使标定功率增 加 15kw，提高了约 7%。目前常见的 vvt 机构采用的结构形式可划分为：变换 凸轮型线的 vvt 机构、改变凸轮轴相角的 vvt 机构、改变凸轮与气门之间联结 的 vvt 机构、无凸轮轴的 vvt 机构等。 1）变换凸轮型线的 vvt 机构 这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。honda 公司的 vtec 机构、mitsubishi 公司的 mivec 机构11、 fiat 三维凸轮机构、elrod 和 nelson 可变凸轮相位机构13都属于此类机构类型。 图 1.2 honda 公司 vtec 可变配气相位机构 图 1.3 fiat 三维凸轮机构 fig.1.2 honda vtec mechanism fig.1.3 fiat 3d cam mechanism 1 绪 论 5 2） 改变凸轮轴相角的可变配气相位机构 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。因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和进排气门 重叠角，在多气门双顶置凸轮轴发动机上，单独控制进、排气凸轮轴，可以实现 对这两个因素的控制，改善发动机性能。虽然这类机构不能改变气门升程和持续 期，但是它机构原理简单，可以保持原发动机气门系不变，只用一套额外的机构 来改变凸轮轴相角，对原机改动较小，便于采用，应用较广泛。属于这种原理的 机构很多，大多是液压式的。文献12中提到的螺旋花键轴式、张紧轮式、差速器 式、液压马达式机构均属此类。 3）无凸轮轴的 vvt 机构 无凸轮轴可变配气相位机构没有凸轮轴，直接对气门进行控制，其优点是能 对气门正时的所有因素进行控制，在各种工况下获取最佳气门正时；另外，还能 关闭部分气缸的气门，实现可变排量。但该类控制机构操纵时需要消耗较高的能 量，如何降低能量消耗是这类机构必须解决的问题。德国 fev 电磁控制全可变气 门机构13、美国 ford 公司的 ecv、德国 benz 公司的无凸轮电控液压可变配气相 位机构14是属于该类型的典型机构。但这类机构尚未有完全实现商品化的产品。 4）改变凸轮与气门之间联结的 vvt 机构。 该类机构主要是通过改变凸轮与气门之间的联结机构，如挺柱、摇臂或推杆 的结构，间接的实现改变凸轮型线作用。这类机构机械式的较多，也有液压式的， 可以较好的实现可变配气相位的功能；不足之处是大多数机构从动件比较多，气 门系存在冲击，有的结构也很复杂。 除了以上几类机构外，还有一些其它机构，如文献15中提到的采用 2 个气门 为一组控制一个进气口，只有 2 个气门全开时，进气口才打开；文献16中提到的 利用电机驱动凸轮的机构等等。 1.3 配气机构研究进展 1.3.1 配气机构运动学和动力学研究 对于专门用于内燃机的配气凸轮机构的研究，一直是该领域的研究前沿。研 究内容也从最初的单纯的凸轮经验设计，拓展到整个配气机构的运动学与动力学 的综合研究。国外自 20 世纪 60 年代起就有许多学者开始进行这方面的深入研究。 相比较而言，国内则起步较迟，大约从 1973 年起某些科研院所才开始全面研究凸 轮设计与动力学计算等课题。此间复旦大学在凸轮型线设计、程序设计、凸轮靠 模计算等多领域独领风骚，而吉林工业大学则在多质量动力学研究方面有所建树。 配气机构运动学研究是配气机构设计和分析的基础，分析配气机构运动学的 重庆大学硕士学位论文 6 主要目的在于确立凸轮外形与挺柱或气门运动规律直接之间的联系。在这方面， 已有文献从几何关系出法，对配气机构运动学问题进行研究17,18,19。计算机仿真技 术的发展则为人们提供了强有力的工具，如采用基于多体系统运动学数值原理和 方法来研究配气机构运动学问题20。 配气机构动力学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，研究方法主要有运动弹性动力学方法和多体系统动力学方法等。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21-27。20 世纪 70 年代末 80 年代初，随着多体系 统动力学理论的发展和成熟，多刚体系统动力学计算机辅助分析软件系统在国外 己达到商品化水平，广泛应用于工程领域的动力学与控制型态的分析与优化。但 多刚体系统动力学将部件作刚体假设，并不能真实描述配气机构工作中的动力学 性态。于是一些文献提出采用柔性多体系统方法研究配气机构动力学问题28，与 多刚体动力学方法相比， 多柔体动力学对配气机构的描述更加全面和合理, 成为目 前理论和应用力学研究中很活跃的领域29,30。 近年来，奥地利 avl 公司开发的用于配气机构运动学和动力学分析以及凸轮 型线设计的专业软件 tycon，由于具有友好的用户界面和强大的专业化分析功 能，在行业内得到越来越广泛的应用。 1.3.2 配气机构凸轮型线设计 在凸轮型线的设计方面，大致经历了静态设计、动态设计、系统优化设计三 个阶段31 。 静态设计 在设计凸轮时，将配气机构看成绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形， 最初使用圆弧凸轮、其型线简单，挺柱的位移和速度曲线连续，而加速度曲线不 连续，配气机构惯性力有突变。在内燃机转速不高时，它所引起的振动和噪声较 小，所以圆弧凸轮在内燃机曾得到广泛应用。但随着内燃机转速的增高，它的振 动和噪声愈来愈大。人们又设计了挺柱位移、速度和加速度都连续的函数凸轮， 即复合正弦凸轮、复合摆线凸轮、低次方凸轮、高次方凸轮等。函数凸轮在一定 程度上减小了配气机构的振动和噪声。但当内燃机转速再提高时，振动和噪声仍 然较大，这说明函数凸轮仍未解决实际问题。在 40 年代末和 50 年代初，有人在 运转的内燃机配气机构上做气门运动试验时发现，气门的运动规律并不与凸轮所 控制的挺柱运动规律相同，有时相差很大。因此，将配气机构看成绝对刚体的静 态设计观点显然不合理，于是就提出了动态设计的方法。 动态设计 开始发现气门运动与挺柱运动规律不一致的是 w.m.dudley 教授， 他认为不一 1 绪 论 7 致的原因是配气机构的弹性变形。配气机构是个弹性振动体，它除了按照凸轮型 线控制的运动外，还发生弹性振动。为了研究和校核它的振动状况，很多