（轮机工程专业论文）内燃机配气机构优化设计研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 配气机构作为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 的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功 率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下 仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮 型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途 径之一。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 本文应用a v lt y c o n 软件，建立了某发动机配气机构运动学及动力学模 型，并进行了计算分析，明确了该配气机构存在的问题，为解决该问题，改进 设计了配气凸轮型线，同时进行了凸轮型线设计主要影响因素的分析。在发动 机试验台架上进行配气机构相关部件的受力测试，以验证模拟计算的有效性和 设计的可行性。主要研究工作包括： ( 1 ) 应用t y c o n 软件建立了发动机配气机构运动学和动力学模型，计算分 析表明进气门丰满系数偏低，进气凸轮与挺柱接触应力偏大。排气凸轮与挺柱 接触应力偏大，排气凸轮与挺柱问润滑效果不佳，针对这些问题提出了配气凸 轮型线改进设计的措旌和途径。 ( 2 ) 进行配气凸轮型线的改进设计及其主要影响因素的探讨，并提出了优化 设计方案。 ( 3 ) 结合提出的配气凸轮型线改进设计方案和原型线方案，加工出新的凸轮 轴，其中第l 、3 、5 缸采用原方案配气凸轮型线，第2 、4 、6 缸采用改进设计 的配气凸轮型线。装机在发动机试验台架上进行配气机构推杆及摇臂的受力测 试，对比分析了模拟计算与相应的实验测试结果，以及凸轮型线改进前后配气 机构相关部件受力变化情况。配气机构受力测试实验验证了配气机构模拟计算 的有效性。 关键词：内燃机，配气机构，凸轮型线，优化设计，受力测试 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev a l v et r a i ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e c h a n i s m si nai n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e ，w h e t h e rt h ep e r f o r m a n c e sa r eg o o do rb a d ，t h a ta f f e c t i n gt h e p o w e rp e r f o r m a n c e ，e c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，e m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo f t h ee n g i n e ，a s w e l la sa f f e c t i n gt h er e l i a b i l i t ya n dw e a rp e r f o r m a n c e so ft h ew h o l ee n g i n e a l o n g w i t ht h er e q u e s t so ft h ee n g i n e sh i g hp o w e r , s u p e r - s p e e d ，p e o p l ed e m a n dah i g h e r i n d e x t h a ti s ，w h e nt h ee n g i n er u n su n d e rah i g hs p e e d ，i tc a l ls t i l lw o r ks t e a d i l ya n d d e p e n d a b l y , w h i c hd e m a n dt h a t t h ev a l v et r a i ns y s t e ms h o u l dh a v eah i g h p e r f o r m a n c e c a mp r o f i l ei st h eh a r dc o r eo ft h ev a l v et r a i n ，w h i c hd e s i g ni so n eo f t h ei m p o r t a n tw a y st oc a r r yo u tv a l v et r a i no p t i m a ld e s i g n s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n a n de x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c ha r et w oi m p o a a n tw a y st oc a r r yo u tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to nv a l v et r a i no fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e i nt h i sp a p e r ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e lo nv a l v et r a i no ft h ee n g i n e a r eb u i l tu pw i t ha v lt y c o n ，t h ep e r f o r m a n c e so nt h ev a l v et r a i na r ec a l c u l a t e d ， s o m ep r o b l e m so nt h ev a l v et r a i na r em a d ec e r t a i n ，i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m s ， t h ec a mp r o f i l e sa r ed e s i g n e d ，s o m ef a c t o r so fc a m p r o f i l ed e s i g n i n ga r ea n a l y z e d t h e nf o r c e st e s t i n go nt h em e c h a n i s m so ft h ev a l v et r a i na r ec a r r i e do u to nt h e e n g i n ee x p e r i m e n tb e n c h ，t ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h e f e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e ： ( 1 ) t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e lo nv a l v et r a i no f t h ee n g i n ea r eb u i l tu p w i t ht y c o n t h ep e r f o r m a n c e sc a l c u l a t i o no ft h ev a l v et r a i ni n d i c a t et h a tt h e f u l l n e s sr a t i o so fi n t a k ev a l v ec u r v ei so nt h el o ws i d e ，a n dt h em a x i m u mc o n t a c t s t r e s sb e t w e e ni n t a k ec a l l aa n dt a p p e ti sh i g h e r , t h es s n l ep r o b l e me x i s t si nt h e e x h a u s tp a r t ，a n dt h el u b r i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e ne x h a u s tc a ma n dt a p p e ti sb a d ，t o t h ep r o b l e m se x i s t e di nt h ev a l v et r a i n ，s o m em e a s u r e sa n da p p r o a c h e so fc a m d e s i g na r ep u tf o r w a r d 【2 ) b yc a r r y i n go u tc a mp r o f i l e sd e s i g na n ds o m em o s t l yi m p a c t i n gf a c t o r sa r e d i s c u s s e d ，t h e ns o m eo p t i m a ld e s i g ns c h e m e sa r ep u tf o r w a r d ( 3 ) i nt h el i g h to ft h eo r i g i n a lc a mp r o f i l es c h e m e sa n dt h ei m p r o v e dc a m i i 武汉理工大学硕士学位论文 p r o f i l e ss c h e m e s ，an e wc a m s h a f ti sm a d e ，t h ec o r r e s p o n d i n gc a mp r o f i l e so ft h e c y l i n d e rn o 1 ，3 ，5a p p l y i n go r i g i n a lc a mp r o f i l es c h e m e s ，t h ec y l i n d e rn o ，2 ，4 ，6 a p p l y i n gt h en e ws c h e m e s t h en e wc 锄s l l a f ii si n s t a l l e di n t ot h ee n g i n et oc a r r yo u t t h ef o r c e st e s t i n go ft h ep u s h r o da n dr o c k e ri l l - i no ft h ev a l v et r a i n ，t h er e s u l t s b e t w e e ns i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n tt e s t i n ga r ec o n t r a s t e d t h ev a l v e t r a i nc o r r e l a t i v er i l e c h a n i s m sf o r c e sv a r i a t i o n so na e c o t l l to ft h ec a mp r o f i l e s i m p r o v e da r ea l s oa n a l y z e d 1 1 1 ev a l i d i t yo f t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sr e s u l t so nt h e v a l v et r a i ni sv a l i d a t e db yt h ef o r c e st e s t i n g k e yw o r d s ：i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e ，v a l v et r a i n ，c a mp r o f i l e ，o p t i m i z a t i o n d e s i g n ，f o r c e st e s t i n g l i l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 当前，世界面l 临最严峻的挑战是能源和环境问题，“节约能源，保护环境” 成为各个国家的重要发展战略。近些年来我国经济快速发展，汽车保有量与日 俱增。面临着汽车能源需求和环境保护的双重巨大压力1 1 】【2 1 。 内燃机是目前热效率最高的热力发动机，广泛应用于国民经济的各个领域 和部门，它所发出的功率占全世界所有动力装置总功率的9 0 左右【”，预计在今 后相当长的时期内，内燃机因其特有的优势仍将处于不可替代的地位。 随着内燃机的高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求 其在高速运行条件下仍然能够平稳、可靠的工作。这就对内燃机的相关零部件 提出了更高的要求，具有很好的工作可靠性就是关键所在1 3 】。 能源短缺和对人类生存环境加强保护的呼声愈来愈高，内燃机正面临严峻 的挑战。这些挑战促使内燃机的各种基础研究和应用技术在近些年来得到显著 的进步，使内燃机技术达到了一个新的水平。例如高性能、低油耗、低污染的 机型不断开发投向市场；稀燃技术，快速燃烧系统，分层进气系统，隔热发动 机，新型增压技术的研究步伐明显加快；新材料、代用燃料、高性能润滑油的 研究也广泛开展，并取得了引人瞩目的成绩。新的设计思想、新的制造技术、 先进的试验手段的产生和应用，使内燃机面目一新 4 1 。改善内燃机的经济性、 控制有害排放，实现工作过程及燃烧过程的优化控制，减少摩擦、磨损，提高 工作可靠性及使用寿命，是当前急待解决的热门课题i l 】。 内燃机的研究和设计，离不开测试的手段和方法，近年来内燃机技术的飞 速发展与测试技术的进步有密切的关系，随着计算机技术的进步和广泛应用， 内燃机测试技术在观念上产生了深刻的变革，在手段上开辟了新的局面。 配气机构是内燃机的重要组成部分。它的功能是实现换气过程，即根据气 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。一台内燃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，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系1 1 1 1 5 1 。 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 武汉理工大学硕士学位论文 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。内燃机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的，配气机构的这 些性能指标很大程度上取决于配气凸轮的结构f 们。本文从改进配气凸轮型线设 计角度来进行配气机构优化设计研究。 1 2 内燃机配气机构技术现状及设计方法 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其性能好坏对内燃机的性能指标有 着很重要的影响，要求配气机构具有良好充气性能的同时，还要求有较高的工 作可靠性。特别是对于高速、大功率发动机，人们对其性能指标的要求更高， 要保证它具有良好的动力学性能和工作可靠性，即关键摩擦副零件具有很好的 耐磨性能，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度，提出了些新的研 究课题【7 i ，需要从配气机构的结构型式、配气凸轮型线设计等方面来开展研究。 1 2 1 配气机构技术现状 内燃机配气机构应保证各气缸换气良好，充气系数尽可能高，能够根据工 作需要，合理地开启和关闭进、排气门。四冲程内燃机大多采用气门一凸轮式配 气机构，因为这种机构工作可靠，尤其是进排气门能够持久地保证燃烧室的密 封性。随着汽车及发动机技术的发展，对配气机构也提出了更高的要求，其相 关新技术也得到了发展【6 j 。 1 2 1 1 顶置凸轮轴式配气机构 顶置气门机构按凸轮轴的放置位置分成顶置凸轮轴型和下置凸轮轴型。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。顶置凸轮轴型是把凸轮轴放在气门上方，省去了挺柱、 推杆。还有些机构将顶置凸轮轴放在气门室罩里，凸轮直接作用于气门上，省 去了摇臂，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳 6 1 【7 1 。 顶置凸轮轴型有单根凸轮轴型和两根凸轮轴型。前者用一根凸轮轴来驱动 进、排气门：而后者采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门，适用于进、排气 2 武汉理丁大学硕士学位论文 门呈v 形排列的内燃机1 8 】。 配气机构采用顶置凸轮轴式结构，减少了从凸轮到气门之间的传动零件， 减轻了配气机构的运动质量，提高了系统的刚度，使配气系统可在很高的转速 下正常工作。在国内，已有不少汽油机已采用顶置凸轮轴配气机构，但相应的 技术研究还处于起步阶段f 9 j 1o l 【“1 。 1 2 1 2 多气门配气机构 最初出现的多气门内燃机，仅用于赛车，主要是为了降低排气门的机械负 荷和热负荷，但由于技术及制造技术不够成熟，没有在内燃机制造业得到推广。 当前应用多气门内燃机的主要目的是提高功率。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，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。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【6 j 。 促进内燃机多气门技术广泛应用的原因有：有关自动化设计计算技术方面 取得新成就；制造和加工工艺水平越来越高；计算机控制技术的迅速发展，可 以充分发挥多气门配气方案的优越性，保证内燃机在整个负荷和速度范围内形 成最佳混合气，并适时适度送入气缸等等f l 】f 6 】。 多气门内燃机具有两气门内燃机无法比拟的优越性。世界各国的汽车内燃 机制造业都将转向多气门内燃机的制造。多气门配气方式是内燃机配气机构发 展的必然趋势 】o j 。 1 2 1 3 可变气门正时配气机构 在各种现代技术手段中，可变配气相位( v v t ) 技术已成为新技术发展方向之 一。传统式发动机其凸轮配气相位是通过各种不同配气相位的试验，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，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、关闭时刻或升程，从而改善发 动机进、排气性能，较好地满足高转速和低转速、高负荷和低负荷时的动力性、 经济性、废气排放要求。可变配气相位技术可广泛应用在汽油机以及柴油机上， 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和经济性：改善废 3 武汉理工大学硕士学位论文 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，使其既具有 良好的起动性能，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。 可变气门正时配气机构大致可分成两种形式：一种是使气门配气正时变化 的机构，称“可变配气相位的配气机构”；另一种是分别使用具有不同轮廓的凸 轮而使气门配气正时和升程产生变化的机构，称“可变配气正时及气门升程的 配气机构”1 1 4 j 。 ( 1 ) 可变配气相位的配气机构 可变配气相位配气机构实现形式有很多。1 ) 无凸轮轴可变配气相位机构： 该类机构没有凸轮轴，直接对气门进行控制，能对气门正时的所有因素进行控 制，在各种工况下获得最佳气门正时。直接对气门控制，是比较理想的状况， 但该类控制机构操纵时需要消耗较高的能量。德国f e v 电磁控制全可变气门机 构，美国f o r d 公司与德国b e n z 公司的无凸轮电控液压可变配气相位机构是属 于该类型的典型机构。2 ) 变换凸轮型线的可变配气相位机构：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。 m i t s u b i s h i 公司的m i v e c 机构、f i a t 三维凸轮机构、e l r o d 和n e l s o n 可变凸轮 相位机构都属于此类机构类型。3 ) 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迸气门关闭角和避排气重叠角， 在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，但机构 原理简单，可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。n i s s a n 凸轮轴可变相位机构，是日本n i s s a n 公司开发的一种液 压机构，用在双顶置凸轮轴发动机上，改变凸轮轴相角，实现配气相位可变。这种 机构的结构见图1 1 所示。4 ) 改变凸轮与气门之间联结的可变配气相位机构： 该类机构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， 间接地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 4 武汉理工大学硕士学位论文 系存在冲击，有的结构也很复杂”2 1 1 引。 图1 - 1n i s s a n 凸轮轴可变配气相位机构 ( 2 ) 可变配气正时及气门升程的配气机构 这种机构比可变配气相位配气机构更为优越，不但可以根据内燃机运行状 态改变配气相位，而且可以适时地调节气门升程，具有更好的配气效果l l 。 同本本田公司和日产公司首先采用这种机构，不但可以根据内燃机运行状 态改变配气相位，而且可以适时地调节气门升程，具有很好的配气效果。本田 公司的v t e c ( v a r i a b l ev a l v et i m i n ga n dv a l v el i f te l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m ) 机 构是其中的代表，见图卜2 所示。 该机构由3 个不同外形轮廓的凸轮轴和各自与凸轮相匹配的中间摇臂，主 摇臂、副摇臂和液压柱塞构成。低转速时，摇臂各自独立工作，中间摇臂虽然 沿着凸轮动作，但不驱动进气阀，主、副摇臂按照低转速时各自的标准气阀正 时和升程驱动进气阀。高转速时，用来自e c u 的指令加液压给柱塞，3 个摇臂 同时移动，主、副及中间摇臂联成一体，于是，由于高速凸轮外形轮廓较大， 高速凸轮及主、副摇臂都不起作用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 凸轮轴2 低速凸轮3 高速凸轮4 主摇臂 5 中间摇臂6 副摇臂7 液压活塞a8 液压活塞b 9 制动栓1 0 制动弹簧1 1 排气门1 2 进气门 图1 2v e t c 结构图 气门在高转速时的标准气阀正时和升程驱动下开阀。整个机构的动作由e e u 控制，并根据负荷、转速、车速等因素进行变化；控制进入液压回路的高压油， 以此换用不同外形轮廓的凸轮来控制气门，达到可变配气正时及气门升程的目 的。 采用这种机构，气门的升程和开启的持续时间在高转速下均可被加大，从 而采用这种机构，气门的升程和开启持续时间在高转速状态下均可被加大，从 而使汽车在低速和高速状态下均可获得较大的输出功率1 1 3 1 f 14 】。 1 2 2 配气凸轮结构型式及特点 配气凸轮是影响配气机构工作状况的关键零件，如何设计和加工出具有合 理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的问题。对内燃机气门通过能力 的要求，实际上是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求，气门开闭迅速 就能增大对面值，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与机构动力特性 的要求间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能 6 武汉理工大学硕士学位论文 要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决【1 1 1 6 1 。 发动机配气凸轮外形的设计也就是对凸轮从动件运动规律的设计。从动件 升程规律的微小差异会引起加速度规律的很大变动，在确定从动件运动规律时， 加速度运动规律最为重要。通常用其基本工作段运动规律来命名，一般有下面 几种： ( i ) 组合多项式型 组合多项式型凸轮的正负加速度曲线由若干低次方多项式组合而成，通过 调整各段所占角度及函数方程。获得不同斜率的加速度曲线。组合多项式型式 的凸轮时面值大，而且能够方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的 圆滑过渡，可以较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求。由 于凸轮从动件运动规律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律 三阶以上导数的连续性，可能会影响配气机构工作的平稳性。组合多项式型凸 轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性能的情形【1 5 1 。 ( 2 ) 等加速型 等加速型凸轮从动件的正、负加速度值恒为常数。当不考虑配气机构的弹 性变形时，在最大升程、初速度相同，对最大正负加速度值做一定限制的各种 凸轮中，这种型式的凸轮所能达到的时面值最大。在平稳性易保证，而充气性 能较差的中低速柴油机中，常常采用等加速型凸轮。但实际配气机构并非完全 刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内 燃机中一般不采用等加速型凸轮【1 5 1 【1 6 l 。 ( 3 ) 高次多项式型 高次多项式型函数凸轮是整体式函数凸轮中应用较广的一种，其工作段型 线是单的函数式，即高次多项表达式。其幂指数选取对气门升程的丰满程度 以及加速度曲线形状等均有直接影响。一般情况下。幂指数越大，升程曲线就 越丰满，且最大负加速度越小，而使凸轮外形最小曲率半径增大，有利于减小 该处接触应力、降低磨损。但是其负加速度初段形状不理想，往往会提高对弹 簧的要求，而且还使最大正加速度值增大，正加速度段宽度减小，导致配气机 构振动；0 h , n 。在设计过程中，一般先针对若干组幂指数，计算出反映凸轮特性 的各相关参数，确定性能较好的组作为计算方案。高次多项式型凸轮主要应 用在对动力性能要求较高的现代高速车用柴油机上【1 7 1 1 8 l 。 ( 4 ) 多项动力凸轮 7 武汉理工大学硕士学位论文 上述几种型线型式都是把配气机构视为完全刚性的。实际上，配气机构总 是存在弹性变形，无论挺柱升程怎样设计，它与气门升程之间总是有差别的， 因此，在设计凸轮时要考虑这一差别，对挺柱升程曲线预先做一定的修正，使 得按动力学计算出来的气门升程曲线比较理想。多项动力凸轮基本工作段的气 门升程曲线是高次多项式来设计的，然后考虑配气机构的弹性变形来进行凸轮 设计。能够进行这种动力学修j 下的型线有很多种，应用最为广泛的是多项动力 凸轮，这种凸轮具有良好的高速适应性。多项动力凸轮型式在高速汽油机中应 用较多f 1 8 j 。 1 2 3 配气机构设计方法 1 2 3 1 配气机构动力特性计算模型 内燃机配气机构的动力学计算，不管是凸轮轴下置式配气机构还是凸轮轴 顶置式配气机构都有多种动力学模型，这里就有单质量模型、多质量模型、有 限元模型等【6 j 。 ( 1 ) 单质量模型 单自由度质量一弹簧振动模型，简称单质量模型。单质量模型把气门的运 动用一个集中质量描述( 集中质量包含有气门质量以及其它传动零件换算到气 门处的质量) ，集中质量一端通过刚度为c 的气门弹簧与气缸盖联结，而另一端 联结一假想的刚度为c 的“弹簧”，此弹簧的上端由“当量凸轮”直接控制。用 单质量模型可以对配气机构的运动情况作出基本上达到工作精度要求的综合分 析，并且计算量小，在配气机构设计方案初选阶段单自由度模型是经常使用的， 但是更详细的情况，诸如传动链的飞脱，弹簧的颤振是否会导致过大的应力或 某些弹簧圈相碰，各接触副和气门的动载荷有多大等等，就无法由单自由度模 型的分析得到吼【1 8 】。 ( 2 ) 二质量模型 二质量动力学模型将配气机构简化为两个集中当量质量m l 和m z 。其中， m l 质量成分包括挺柱的质量，推杆的质量。m 2 为气门侧部件的质量。其中摇 臂轴凸轮一侧的质量、刚度和阻尼都应换算为相应的当量质量、当量刚度和当 量阻尼。此两质量由一根代表气门系统刚度的弹簧相连，而气门弹簧使两质量 与上述弹簧保持接触。 8 武汉理工大学硕士学位论文 二质量动力学模型，主要是可以分析挺柱刚度值、阻尼值的变化规律对配 气机构动力特性的影响。有关挺柱对配气机构动力特性的影响，除了分析气门 处的响应外，还要分析挺柱与推杆接触点的运动规律。或者分析摇臂以前的传 动链的刚度值和阻尼值的变化规律对配气机构动力学特性的影响f 1 8 l 【1 9 】。 ( 3 ) 多质量模型 为了考虑高阶振动的影响，细致描述各驱动零件的运动规律，特别是气门 弹簧圈的振动时，往往要进行多自由度模型动力学。多自由度振动模型，简称 多质量模型，与单质量模型相比，能够更精细地研究传动零部件的运动规律。 在多质量模型中，把挺柱一推杆摇臂一气门的传动链用四个集中质量来 代替，把外弹簧用n 1 个集中质量来代替，内弹簧用n 2 个集中质量来代替( 其中最 后个质量代表弹簧下座) 。此种计算称之为“4 + n l + n 2 自由度模型”。 多自由度系统计算便于对机构各零件，尤其是弹簧的运动进行分析。由于 计算耗时耗费，一般只在气门弹簧振动十分严重的重点工况下才进行多自由度 系统计算【1 8 】。 ( 4 ) 有限元模型 采用有限元模型对配气机构进行动力学分析，可以得到振型、自振频率和 气门弹簧的振动，以及整个配气机构的动力特性。 配气机构有限元模型与单质量模型相比有一定的优越性，可以进行配气机 构的动力计算，可以计算出配气机构各零件的位移、速度和加速度、零件的接 触应力和变形。配气机构有限元模型计算方法主要应用在研究气阀振动情况的 情形下，反映气阀振动对工作可靠性和使用寿命的影响。 1 2 3 2 配气凸轮型线优化设计方法 内燃机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、摩擦应力等。在研 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 型线的拟合等方面上，国内外都有很大的发展【l ”。 配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻 求最佳的凸轮设计参数。凸轮型线的设计已从静态设计、动态设计发展到系统 动力学优化设计，系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述 配气机构的运动和受力情况，并统一考虑机构动态参数与凸轮型线，从而实现 9 武汉理工大学硕士学位论文 凸轮型线优化设计f j “。 ( 1 ) 静态优化设计 静态优化设计，将配气机构看作绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形。 用静态方法设计的圆弧凸轮，容易引起较大的振动和噪音。转速增高时，有时 会产生飞脱和反跳，不仅加剧了内燃机的振动、噪音和零件问的磨损，还会使 充气性能有所下降。将配气机构看成绝对剐体的静态设计观点显然不合理，为 了解决这些问题，于是就提出了动态设计的方法1 1 5 】。 ( 2 ) 动态优化设计 动态优化设计，考虑弹性变形，把配气机构看作是弹性系统。用动态优化 设计方法的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、n 次谐波凸轮等。多项动 力凸轮从弹性变形角度出发设计凸轮外形，未考虑配气机构的弹性振动，没有 从根本上解决配气系统的振动等问题。 谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条 件设计谐波凸轮，在理论上引起的振动量小。但设计时调整工作量大，特别是 难以调整负加速度段的波动，在缓冲段和工作段连接处附近有波动，很难做出 合理设计，限制了它的应用。 动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题，但仅仅只是单 纯地设计凸轮，没有从整个配气机构运动状况出发，未明确指出配气机构动态 参数和凸轮型线之间有系统优化问题，有一定的局限性。 现在已出现针对系统优化的模型，将凸轮型线与配气系统的动态行为统一 考虑。这种模型较为全面地评价了对配气系统的各种要求，达到了较好的效果 【1 7 i 【1 8 】。 ( 3 ) 系统动力学优化设计 系统动力学优化设计将配气凸轮型线与配气机构动态参数( 刚度和质量) 统考虑在内，进行凸轮型线的优化设计。配气凸轮型线、凸轮转速和配气机 构参数之间有一个最优化匹配关系。即系统优化问题。而在实际上配气机构刚 度、质量和凸轮型线的试验成本太高，进行多方案研究成本更高，就出现了用 单质量模型及其它各种动力学模型进行了计算。为了使动力学模型与实际相符， 先用试验结果考核动力学模型，待两者得到的结果相近后，才做匹配和优化计 算【2 4 1 。 配气凸轮型线优化设计方法和类型很多，而其设计优劣评价常常需要与整 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 个配气机构的设计乃至内燃机其他系统的设计联系起来考虑，所以要孤立地设 计一个“最优”的配气凸轮是困难的。应该进一步发展考虑包括配气凸轮型线 在内的整个配气机构乃至更大规模的系统优化设计【。5 】。 1 2 3 3 配气机构试验研究方法 实验方法是配气机构设计、研究的重要方法之一，为理论研究提供参考和 验证依据。研究人员开发了多种配气机构试验装置，对配气机构动力学特性， 润滑特性，耐久性等性能进行了试验研究2 0 。 配气机构动态测试系统，就是直接采集在运动中配气机构的动态数据。配 气机构动态参数测试与处理技术是研究配气机构工作特性、设计和改进配气机 构的重要手段 2 0 1 。 配气机构动态测量可使用直接测量法和间接测量法。问接测量法是测量气 门的加速度经积分运算获取配气机构的速度和升程曲线，较之直接测量速度和 气门升程更加方便，在目前配气机构的动态测试中应用较广1 2 ”。 浙江大学开发的配气机构动态特性测试系统，可以通过直接采集气门运动 加速度信号，进行气门运动规律的分析。华中理工大学开发了配气机构数据采 集分析软件，包括采集控制、数据传送、数字滤波、数值积分和结果输出等一 系列功能，可以实现测量配气机构气门动态特性的功能。清华大学在直动式液 压间隙调节器气门机构上使用了一种测量配气机构气门动力学特性的方法，这 种测量是在气门机构试验台上进行的。用一个直流电机通过联轴节驱动装在发 动机缸盖总成中的凸轮轴，电机由可控硅调速装置调速。为保证气门机构运动 件的润滑，设置了试验台的润滑系统，润滑油温、油压均可独立调节障2 i 2 3 i 。 本文采用了粘贴应变片的方法，测量配气机构推杆及摇臂受力，来分析配 气机构凸轮型线优化前后相关部件的受力情况，从而验证配气机构模拟计算的 准确性和凸轮型线设计的可行性。这种方法则是基于测量配气机构实际工作过 程中，配气机构相关部件受力的验证试验，相对比较简便，缩短了周期，降低 了成本。 1 3 课题的提出 根据当前内燃机配气机构的研究方法及现状，这里采取了模拟计算及实验 武汉理工大学硕士学位论文 测试相结合的方法。针对某发动机配气机构存在凸轮挺柱副磨损严重的问题， 建立配气机构运动学及动力学模型，进行相关计算分析，针对存在的问题，进 行了配气凸轮型线的改进设计，最后通过实验测试的方法来综合评价模拟计算 的有效性和设计方法的可行性。 1 4 本文主要内容 1 4 1 研究对象 本文研究工作是针对某企业开发的6 缸车用发动机配气机构进行的。该发 动机配气机构采用下置凸轮轴式四气门机构。发动机及其配气机构相关参数见 表1 - 1 、表1 - 2 所示。 表1 - 1 发动机基本参数 型式立式、直列、四冲程、水冷、增压中冷 气缸数6 气缸直径( m m ) 1 1 3 活塞行程( r a m ) 1 4 0 总排量( l ) 8 4 2 4 压缩比 1 7 s ：l 标定功率，转速2 2 8 2 2 0 0 ( k w r r a i n ) 表l 。2 发动机配气机构相关参数 配气机构型式二进二出 进气门开上止点前2 9 5 。c a 进气门关下止点后5 7 2 0 c a 排气门开下止点前7 8 4 。c a 排气关上止点后3 2 i o c a 冷态气门间隙进o 3 5 m m ，排o 4 0 m m 1 4 2 研究内容 配气机构作为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 的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。配气凸轮型线是 配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。 本文应用a v lt y c o n 软件，建立配气机构运动学及动力学模型，进行计算 分析，针对该配气机构存在的问题，并进行配气凸轮型线的改进设计。同时进 行了凸轮型线设计主要影响因素的分析。最后在发动机试验台架上进行配气机 构相关部件的受力测试，以验证模拟计算的有效性和设计的可行性。主要研究 工作包括： 1 ) 应用a v lt y c o n 软件建立发动机配气机构运动学及动力学计算模型， 获取相关部件的基本参数。进行配气机构运动学及动力学分析，明确配气机构 存在的问题，并提出相关改进设计的措施和途径。 2 ) 进行配气凸轮型线的改进设计及其主要影响因素的探讨，并提出了优化 设计方案。 3 ) 结合提出的配气凸轮型线改进设计方案和原型线方案，加工出新的凸轮 轴，装机在发动机试验台架上进行配气机构推杆及摇臂的受力测试，对比分析 了模拟计算与相应的实验测试结果，以及凸轮型线改进前后配气机构相关部件 受力变化情况。通过配气机构受力测试实验，以进一步验证配气机构模拟计算 的有效性和设计方法的可行性。 1 5 本章小结 本章首先指出了内燃机所面临的挑战，介绍了当前内燃机发展的一些新技 术。接下来介绍了内燃机配气机构技术及配气机构设计发展现状，配气机构优 化设计计算方法及实验方法。最后指出了本文的主要工作内容。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章配气机构模型建立及模拟计算 根据配气机构三维模型，应用a v l t y c o n 软件，分别建立了配气机构进、 排气部分运动学与动力学模型，进行配气机构运动学和动力学计算分析。对比 发动机厂家所提供的发动机配气凸轮轴可靠性试验结果与模拟计算，进行综合 分析。 本文应用a v l t y c o n 软件对发动机配气机构进行模拟计算，主要得到以下 几个方面的结果： ( 1 ) 进、排气门运动规律。包括进、排气部分的推杆及气门的升程、速度 及加速度变化曲线。 ( 2 ) 进、排气部分凸轮与挺柱间接触应力情况。即在标定工况点，原凸轮 型线方案时，进、排气部分凸轮与挺柱之间接触应力变化曲线。 ( 3 ) 进、排气部分的进气及排气性能。从进、排气门的升程曲线上获得各 自的丰满系数，由此评价其进气门的充气性能及排气门扫气性能。 ( 4 ) 进、排气部分凸轮与挺柱之间动力学润滑效果。通过计算得到配气凸 轮与挺柱之间动力学润滑系数( 油膜系数) ，从而评价凸轮与挺柱接触副间润滑 效果。 2 1 配气机构模拟计算模型 2 1 1 配气机构运动学计算模型 配气机构运动学主要任务是确定凸轮廓线及挺柱与气门运动规律之间的联 系1 6 1 。 y 图2 1下置凸轮轴式配气机构 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 运动学计算是动力学计算的基础，下置凸轮轴式配气机构示意图如图2 - 1 所示。对于下置凸轮轴式配气机构，运动学计算时的升程关系一般采用式( 2 一1 ) 的计算方法【6 1 【1 5 】： y = y ( 口) = 七h ( a ) 一x o ( 2 1 ) 式中： y 气门升程： h 挺柱升程，挺柱是移动式平面挺柱； 口凸轮转角； 气门间隙； k 摇臂比，后= ，i ， 等于常数： 进行配气机构运动学计算，可以明确挺柱及气门的运动规律，还有气门升 程丰满系数、润滑效果等运动学参数，这种运动学计算方法为单质量动力学模 型提供了计算基础。1 2 4 1 1 2 习1 2 6 】 2 1 2 配气机构动力学计算模型 配气机构在实际工作过程中会产生弹性振动，一般不能将配气机构看作绝 对刚体来考虑。在考虑构件弹性变形情况下，计算气门及其传动构件的真实运 动情况和受力情况。动力学计算，是根据作用在弹性系统中各构件上力的平衡 关系，考虑系统中的阻尼、间隙、脱离、落座等各种因素，建立气门运动微分 方程来求解一定转速下气门的真实运动情况。在高速发动机中，气门弹簧颤振 常常会造成系统脱离、噪声及弹簧断裂等问题。多质量动力计算将气门弹簧考 虑到质量弹性系统中去，这为深入地研究配气机构的运动，设计良好的凸轮廓 线提供了有效的方法。 6 1 【”l 为了进行配气机构动力学特性分析，需将配气机构作必要的简化，建立配 气机构的动力学模型。简化模型必须选择恰当，才能获得可靠的计算结果。 可以将配气机构看作是一组无重量的弹簧和集中质量相互联系组成的系 统。在简化过程中，可以把位于挺柱一侧的构件质量和刚度转换到气门一侧。 内燃机配气机构的动力学计算，通常采用单自由度或多自由度的质量一弹簧 模型。从理论上说多自由度模型比较精确，但在实际计算中工作量太大，而且 某些系数很难精确测定；而单自由度模型由于刚度阻尼等参数容易获得，分析 气门位移、速度、加速度等运动规律比较合适，而且单质量模型的方程也比较 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 简单。这里详细分析单自由度动力学模型的计算方法2 4 1 。 配气机构单自由度模型，将气门的运动简化成一个集中质量m 的运动来描 述，m 包含有气门质量以及其它传动零件换算到气门处的质量。结合图2 - 1 所 示的下置式配气机构结构形式，有2 7 】【2 8 1 ： m = 订气门+ 岛簧盘+ 卡块+ ，气门弹簧+ 彳摇臂 。m 推杆。h 挺柱 ( 2 2 ) 厶2 。z ，2 x y 图2 2 单自由度模型 m 的一端通过刚度为c 的气门弹簧与气缸盖相连，而另一端联结一假想的 刚度为c 的“弹簧”，此“弹簧”的上端则由“当量凸轮”直接控制。由公式( 2 1 ) 可以推出，气门的运动