（轮机工程专业论文）传统配气机构换装液压挺柱动力性能研究.pdf

、 d y n a m i c p e r f o r m a n c er e s e a r c ho f a d i t i o n a lv a l v e t r a i nu s i n g h y d r a u l i c t a p p e t c a n d i d a t e ：y a hb i n g s u p e r v i s o r ：p r o f l ix i a o b o a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a lit y ：m a r i n ee n g i n e d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：善 日期：2 p 年3 月偬2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可a 在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：尹导师( 签字) ：夕嬖獭帖 日期：2 p 肜年3 月2 2 日力靠年乡肋猸 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 本文介绍了国内外发动机配气机构的发展情况。参照某型柴油机凸轮 型线，利用配气机构凸轮型线设计理论，编制了配气凸轮缓冲段和工作段 型线计算程序，得出优化后的凸轮升程，用于进行动力学仿真计算。 应用a v l t y c o n 软件建立此单缸柴油机配气机构的仿真模型，在模型 中输入相关参数。在动力学仿真计算的基础上，分析配气机构的性能指标， 如丰满系数、油膜润滑系数、凸轮与挺柱的接触应力等。从结果中可以看 出，整个机构工作平稳，未产生飞脱及强烈振动，气阀弹簧各圈之间工作 均正常，未出现碰圈现象，油膜厚度符合要求，凸轮与挺柱的接触应力小 于许用值。说明配气机构设计合理，性能能够满足要求。 针对配气机构的振动和噪声，设计了液压挺柱，用以替换原先的机械 挺柱，并建立了改进后的仿真模型。经计算，使用了液压挺柱后，不仅振 动和噪声减小，而且凸轮与挺柱接触应力也有明显的改善。另外，分析了 液压挺柱部分参数对配气机构动力性能的影响。 设计配气机构试验台架，用来测试采用液压挺柱后，配气机构的实际 性能。用一个凸轮轴座及箱体代替原机体的作用，并用电机驱动凸轮轴和 机油泵。 关键词：配气机构；凸轮型线；仿真模型；液压挺柱；试验台架 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t so ft h ev a l v et r a i n so fd o m e s t i ca n df o r e i 盟e n g i n e sa r e i n t r o d u c e d r e f e r e n c i n gt h ec a mc o n t o u ro fs o m em o d e lo fd i e s e le n g i n e ，a c o m p u t e rp r o g r a mf o rt h ec a l c u l a t i o no f t h ec o n t o u ro ft h ec a m sb u f f e rs e g m e n t a n da c t i v es e c t i o nw a s w o r k e do u tb yu s i n gt h ed e s i g nt h e o r yo ft h ec a mc o n t o u r t h eo p t i m i z e dc a ml i f tr a n g ew a sg o ta n dw a su s e df o rd y n a m i cc a l c u l a t i o n t y c o ns o f t w a r ew a su s e dt os e tu pv a l v et r a i n ss i m u l a t i o nm o d e lo f s i n g l ec y l i n d e rd i e s e le n g i n ew i t hi m p o r t e dr e l e v a n tp a r a m e t e r s a n dt h e n ，o n t h eb a s eo fd y n a m i cs i m u l a t i o n , t h ev a l v et r a i n sp e r f o r m a n c ef i g u r e s ，s u c h 嬲 f u l l n e s sc o e f f i c i e n t , o i lf i l ml u b r i c a t i o nc o e f f i c i e n ta n dc o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e n c a ma n dt a p p e t ，蒜a n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，s o m ec o n c l u s i o n sw e r e a c h i e v e d ：t h ev a l v et r a i nw o r k ss t e a d i l yw i t h o u tf l y i n go rs t r o n gv i b r a t i o n s0 1 t h ep h e n o m e n o no ft o u c hb e t w e e nt h es p r i n gc o i l s ；t h et h i c k n e s so ft h eo i lf i l m m e e t st h er e q u i r e m e n t ，t h ec a mc o n t a c ts t r e s si sl e s st h a nt h ea l l o w a b l es t r e s s t h e s es h o wt h a tt h ed e s i g no ft h ev a l v et r a i ni sr a t i o n a la n di t sp e r f o r m a n c e sc a l l m e e tr e q u i r e m e n t i na l l u s i o nt ov i b r a t i o na n dn o i s e so ft h ev a l v et r a i n ，ah y d r a u l i ct a p p e tw a s d e s i g n e di n s t e a do fo r i g i n a lt a p p e ta n dt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eo p t i m i z e d v a l v et r a i nw a ss e tu p b a s e do nt h ec a l c u l a t i o n ，a f t e ru s i n gt h eh y d r a u l i ct a p p e t ， t h ev a l v et r a i nn o to n l yh a sl e s sv i b r a t i o na n dn o i s e sb u tt h ec a mc o n t a c ts t r e s s h a sb e e ni m p r o v e do b v i o u s l y i na d d i t i o n , t h eh y d r a u l i ct a p p e t si m p a c t so nt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e so ft h ev a l v et r a i nw e r er e s e a r c h e d t h et e s tr i gw a ss e tu pt ot e s tt h ea c t u a lp e r f o r m a n c e so ft h ev a l v et r a i n u s i n gah y d r a u l i ct a p p e t ac a m s h a t ts e a ta n dat a n kw e r ed e s i g n e dt or e p l a c et h e o r i g i n a le n g i n eb l o c k ，t h ec a m s h a f ta n do i lp u m pw o u l db ed r i v e nr e s p e c t i v e l y 哈尔滨i ：平旱大学硕十学位论文 b ya ne l e c t r o m o t o r k e y w o r d ：v a l v et r a i n ；c a mc o n t o u r ；s i m u l a t i o nm o d e l ；h y d r a u l i ct a p p e t ；t e s t n g 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 配气机构的技术现状2 1 2 1 顶置凸轮轴配气机构2 1 2 2 多气门配气机构。4 1 2 3 可变配气相位配气机构5 1 2 4 电磁气门驱动机构8 1 3 本课题的主要研究内容9 第2 章配气机构计算理论1 l 2 1 配气机构动力学计算模型1 1 2 1 1 单质量模型。l l 2 1 2 多质量模型l3 2 2 配气机构的受力分析1 7 2 2 1 配气机构各组件的惯性力和惯性力矩1 7 2 2 2 作用在凸轮上的力1 8 2 2 3 作用在气阀弹簧上的力1 9 2 3 气阀弹簧的设计1 9 2 3 1 气阀弹簧的工作特点和材料的选择1 9 2 3 2 气阀弹簧的弹力及弹簧特性的确定2 0 2 3 3 弹簧主要尺寸的确定2 1 2 - 3 4 气阀弹簧的强度计算2 2 2 3 5 气阀弹簧共振校核2 3 2 4 本章小结2 3 第3 章柴油机原配气机构性能研究2 4 3 1 凸轮型线参数的确定2 4 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 3 1 1 原机凸轮升程表分析2 4 3 1 2 凸轮型线设计及参数计算2 5 3 2 配气机构模型的建立3l 3 2 1t y c o n 软件介绍3 1 3 2 2 仿真模型的建立3 l 3 3 配气机构运动学计算3 5 3 4 配气机构动力学仿真计算3 9 3 5 本章小结4 5 第4 章液压挺柱配气机构性能分析4 6 4 1 液压挺柱设计。4 6 4 2 液压挺柱式配气机构仿真计算4 9 4 2 1 液压挺柱式配气机构仿真模型的建立4 9 4 2 2 动力学仿真计算5 2 4 3 液压挺柱主要参数变化对配气机构性能影响6 2 4 4 试验台架设计6 5 4 4 1 总体设计6 6 4 4 2 零部件设计6 7 4 5 本章小结6 9 结论7 0 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 4 致谢7 5 哈尔滨t 榨人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 人类发展至今，通过对煤炭、石油等不可再生能源的无节制消耗，世 界经济迅速发展，物质、精神条件空前富足，但由此带来的大气污染、海 平面上升等一系列问题正使人类环境迅速恶化。可以说，世界目前所面临 的最严峻挑战就是能源和环境问题。幸运的是，越来越多的人已经认识到 了问题的严重性，正积极的采取措施应对挑战。近年来，多次召开的全球 气候会议就是这一背景下的产物。要想节约能源，保护环境就应该从所有 方面做起，而汽车正是消耗大量能源及污染环境的一大凶手。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 的双重压力小幻。 配气机构是发动机的重要组成部分，它的功用就是按照发动机工作循 环和发火顺序的要求，定时开启和关闭气门，使空气或油气混合物及时进 入气缸，同时将废气排出气缸。配气机构的性能，直接影响到发动机的经 济性、动力性和可靠性，并与发动机的噪声与振动有着直接的关系。所以 提高配气机构的性能，对发动机而言至关重要。在配气机构中，凸轮轴、 气阀及气阀弹簧是很重要的部分，它们性能的好坏对配气机构性能有很大 的影响。 一直以来，评价一个发动机性能好坏的最重要指标就是功率和扭矩， 目前人们也开始重视它的燃油经济性。但要提高发动机的功率和扭矩就必 然会使配气机构各零件的负荷增加，运动加剧，特别是对进、排气门。同 时提高进、排气门可靠性与改善配气机构动力学特性常常是设计中的主要 矛盾口1 ，这就对气门的可靠性设计提出了更高的要求。所以要研究气门及其 驱动零件的运动规律，只有这样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h 1 。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i i 传统配气机构中预留有气门间隙，这会使发动机工作时，配气机构产 生撞击和噪声。为了消除这一弊端，常采用液压挺柱，借以实现零气门间 隙。气门及其传动件因温度升高而膨胀，或因磨损而缩短，都会有液力作 用来自行调整或补偿。 本课题的意义就在于，通过验证将柴油机配气机构中的机械挺柱换成 液压挺柱是可行的，来提高凸轮及气门动力性能，进而提高整个配气机构 的动力性能。 1 2 配气机构的技术现状 目前，大多数发动机都采用气门一凸轮式配气机构，它能有效地保证气 缸密封性，而且均采用顶置气门，即进、排气门置于气缸盖内，倒挂于气 缸上壁】。 1 2 1 顶置凸轮轴配气机构 在这种机构中，凸轮轴被放置在气缸盖内，燃烧室上面，直接驱动摇 臂和气门，而不必通过较长的推杆。与气门数相同的推杆式发动机( 即顶 置气门结构) 相比，项置凸轮轴结构中需要往复运动的部件要少得多，因 此大大简化了配气机构，显著减轻了发动机重量，同时也提高了传动效率， 降低了工作噪声。尽管顶置凸轮轴使发动机结构更加复杂，但是它能带来 更出色的综合表现( 特别是平顺性的显著提高) 以及更紧凑的发动机结构。 按照配气结构内包含的凸轮轴数目，顶置凸轮轴可分为两种形式：一 是单顶置凸轮轴；二是双项置凸轮轴。 1 、单顶置凸轮轴配气机构 单顶置凸轮轴是一种在气缸盖内只设置一条凸轮轴的设计。采用这一 设计的直列气缸发动机只需一条安放在气缸盖上方的凸轮轴，而v 型气缸 则需要两条凸轮轴，分别安放在一侧气缸之上。图1 1 是一款应用单顶置 凸轮轴配气机构的发动机。 2 哈尔滨t 程火学硕+ 学位论文 2 1 进气门2 排气门3 摇臂4 摇臂轴5 凸轮轴 图1 1 单顶置凸轮轴配气机构 单顶置凸轮轴设计中，需要往复运动的部件及其总质量较同等条件下 的推杆式发动机显著减少。因此单顶置凸轮轴能提高发动机转速，从而在 输出扭矩相同的情况下提高发动机的功率输出。在这一设计中，凸轮轴能 够直接或通过摇臂控制气门开闭，而不需像顶置气门的推杆式发动机一样， 要通过挺柱、较长的推杆以及摇臂将发动机组内凸轮轴上凸轮的运动传递 到气缸盖内的气门上1 。 相比于推杆式机构，单顶置凸轮轴设计能使配气结构更加紧凑。这一 优势在同时采用多气门设计时特别显著。 不过单顶置凸轮轴也有其缺点，一是有时为了适应发动机设计的特定 要求，在使用单顶置凸轮轴设计的同时也需要采用一些附加部件；二是由 于进气门和排气门在进气道中位置不同，气门开闭时间的精确性会受到一 定影响。 ， 2 、双顶置凸轮轴配气机构 双顶置凸轮轴是一种在气缸盖内配备两条凸轮轴的气门排列形式。两 条凸轮轴分别控制进气门和排气门，如图1 2 所示。根据气缸排列形式的 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 不同，双顶置凸轮轴发动机最多可拥有两条到四条不等的凸轮轴h 1 。 1 气门2 气门导管3 气门弹簧4 液压挺柱5 凸轮轴 图1 2 双项置凸轮轴配气机构 双顶置凸轮轴结构的发动机并不一定有两个以上的进气门和排气门， 但是如果多气门发动机的气门需要被直接驱动，那么双项置凸轮轴是必不 可少的。并非所有的双顶置凸轮轴都是多气门的。在多气门技术普及之前， 两气门发动机上也经常配备两条凸轮轴。不过当今，在所有的双项置凸轮 轴发动机中，每个气缸都有三个到五个气门。 1 2 2 多气门配气机构 众所周知，影响发动机性能的因素有很多，其中最主要的因素之一是 进、排气门的流通面积。当发动机排量一定时，要提高其功率和扭矩，降 低油耗，必须使其在极短的时间内，迅速吸入尽可能多的空气或可燃混合 气，提高燃烧效率，并迅速将燃烧后的废气排出。由此可见，关键在于气 门的流通面积。增大气门的直径，无疑起到这种作用。除了增加气门本身 的直径，增大气门升程外，还要改进气门升程规律，让气门尽快的开启， 使进、排气流更加畅通。不过，气门升程及其规律的改变可能受到发动机 结构的限制，并给配气机构带来较大的惯性负荷，影响发动机的高速性能。 4 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 为此，采用增加气门数目来满足功率和扭矩的需要。 以往发动机是一个气缸2 个气门( 1 个进气门和1 个排气门) ，现在发 动机配气机构在气门数上有三气门式( 2 个进气门和1 个排气门) 、四气门 式( 2 个进气门和2 个排气门) 和五气门式( 3 个进气门、2 个排气门) 。应 用多气门的发动机与应用两个气门的发动机相比，优势显著。2 个进气门与 1 个进气门相比，由于增大了流通面积，使得充气系数有所提高，进而提高 发动机功率；2 个排气门相对于1 个排气门，也同样增大了流通面积，使得 废气的排放更加快速和彻底。而且，在中低、高转速范围内，4 气门发动机 所发出的扭矩一般比2 气门发动机大。另外，多气门发动机不仅能提高发 动机功率和扭矩，而且还能降低燃油消耗，减少污染物的排放。所以说， 多气门是配气机构发展的大势所趋阳9 1 。 1 2 3 可变配气相位配气机构 为提高充气系数，改善发动机低速和高速性能，配气机构最好能够做 到n 0 1 ： ( 1 ) 发动机低速时，气门升程较小，气门重叠角也较小，这样可改善 低速转矩输出，改善燃油经济性。 ( 2 ) 发动机高速时，气门升程较大，气门重叠角加大，进气门推迟关 闭，这样可充分利用进气流惯性，提高充气系数，改善发动机高速动力性 能。 传统发动机配气机构的配气相位都是固定不变的，是通过对不同配气 相位发动机性能进行测试，综合考虑各方面的因素，最后确定一个能使各 方面性能比较均衡的配气相位，这就不可避免的会使此配气机构在某些工 况下不能达到最好的性能。为了解决这个问题，近年来，可变配气相位技 术在发动机中得到了越来越广泛的应用。 所谓可变配气相位技术，是一种旨在通过改变发动机气门开启和关闭 时刻或气门升程来提高发动机充气效率，进而提高进、排气性能的新技术， 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 英文缩写为w t ( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) 。通过这一技术，可以提高发动 机在各个工况下的动力性、经济性，并能够降低排放。因此，这些年来， 各汽车巨头都在这这一技术上倾注了大量的财力和物力，目前很多技术已 在新型发动机上得到了广泛的应用。其中最常用的可变配气相位技术有两 种：一是可变凸轮轴相位配气机构；一是可变气门正时及气门升程配气机 构。 1 、可变凸轮轴相位配气机构 当凸轮设计定型以后，凸轮型线也就确定了。在传统的配气机构中， 凸轮轴在任何工况下相对于曲轴转角都是固定不变的。可变凸轮轴相位的 优点就在于在不同工况下可以改变凸轮轴相对于曲轴的转角，以达到改变 进、排气门启闭时刻，进而提高发动机性能的目的。 下面以阿尔法罗密欧公司的可变凸轮轴相位配气机构n 1 1 来介绍一下 它的工作原理，如图1 3 所示。 图1 3 可变凸轮配气机构 这一套配气机构由电子控制装置根据节气门位置、负荷及转速来控制 进、排气门何时开启。在凸轮轴正时链轮盖上装有电磁线圈，用来关闭针 式喷嘴，以使装置内建立起油压。当油压升高时，齿圈将被推动，这时候 齿圈所起的作用相当于液压活塞。升高的压力使齿圈沿着凸轮轴轴线向另 一个方向运动。环形活塞的外圆面有直齿槽与正时链轮啮合，内圆面有螺 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 线形齿槽与凸轮轴啮合。当环形活塞被推着向凸轮轴另一端运动时，齿轮 和凸轮轴之间就会出现一定的角度差，此机构就是通过这个方法来改变凸 轮轴的相位。 2 、可变气门正时及气门升程配气机构 这一技术与上面的技术相比，它不仅能调整气门开启和关闭时刻，还 能根据发动机转速、负荷及水温等多个因素自行改变气门升程，来控制进、 排气，以提高充气系数，进而提高发动机功率和扭矩。 日本本田汽车公司在1 9 8 9 年推出了其自行研发的“v t e c 技术n 引，英 文全称“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 ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m ”，即“可变气门配气相位和气门升程电子控制系统”，是世界上 第一个能同时控制气门开闭时间及升程的气门控制系统。如1 4 图所示。 4 1 3 5 1 进气凸轮主摇臂2 排气凸轮副摇臂3 中间摇臂 4 进气凸轮副摇臂5 排气凸轮主摇臂 图i 4v t e c 可变气门正时及升程配气机构 与普通4 气门发动机相比，v t e c 发动机同样是采用每缸4 气门( 2 进2 排) ，但却有着自己鲜明的特点，即它并未采用惯用的双凸轮轴结构，而是 仍然采用了单凸轮结构，但在采用v t e c 系统后，使得单凸轮轴原本简单的 结构变得较为复杂。虽然同样是采用凸轮轴和摇臂等元件，但凸轮与摇臂 的数目及控制方法却较其它发动机有很大不同。 除了原有控制2 个气门的一对进、排气凸轮和和一对摇臂外，该系统 7 哈尔滨- ：程人学硕十学佗论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 一 增加了一个较高的中间凸轮及中间摇臂，3 个摇臂内部都装有由液压控制移 动的小活塞。发动机低速时，小活塞在原位置上3 个摇臂分离，2 个凸轮分 别推动相应的2 个摇臂，控制2 个进气门的开闭，气门升程较小。虽然中 间凸轮也推动中间摇臂，但由于摇臂之间已分离，其它2 个摇臂不受它的 控制，所以不会影响气门的开闭状态。但当发动机达到某一设定的高转速 时，发动机电脑会指令电磁阀启动液压系统，推动摇臂内的小活塞，使3 个摇臂连成一体，一起由中间凸轮驱动。由于中间凸轮比其它凸轮高，升 程大，所以进气门开启时间延长，升程随之增大。当发动机转速降低到某 一设定的低转速时，摇臂内的液压也随之降低，活塞在回位弹簧作用下退 回原位，3 个摇臂分开。 1 2 4 电磁气门驱动机构 机械凸轮驱动的气门机构，为了防止配气系统零部件快速损坏和降低 运转噪声，凸轮上设置了缓冲段、工作段等，并要求它们之间要圆滑过渡。 加速度值不能太大，更要避免加速度方向突变。于是气门升程曲线成弧线 状上升，成弧线状下降，这样的升程曲线不饱满。 气门升程曲线和横轴间的积分面积，与以气门最大升程为高、气门开 启所占曲轴转角为底形成的长方形面积之比，称为气门升程的丰满系数。 由于气门升程曲线是弧线，显然丰满系数远小于l 。如果能让气门需要开启 时瞬间升到最大开度，需要关闭时瞬间关闭，则可以大大提高气门升程曲 线的丰满系数。 电磁气门机构就是一种瞬间将气门开启到最大，瞬间将气门关闭的装 置。为了防止气门落座冲击，落座前瞬间，用电路控制使气门速度猛然降 低，然后再落座。 电磁驱动气门如图1 5 所示，已在试验发动机上取得进展。 8 哈尔滨翻犟人学硕十学位论文 1 电磁驱动机构2 气门 图1 5 电磁气门驱动机构 与机械凸轮驱动相比，电动气门有下列优点n 3 ： ( 1 ) 发动机燃油经济性改善了1 0 , - - , 2 0 ； ( 2 ) 发动机低速转矩性能改善了1 0 2 0 ； ( 3 ) 排气中有害排放物n o x 和h c 明显降低； ( 4 ) 空燃比控制得到改善，发动机气缸内燃烧更稳定。 尽管电磁驱动气门有很多优点，但还没被广泛采用，这是由于它还存 在目前不能被很好解决的一些问题： ( 1 ) 需要研制更优化的电子控制系统，以进一步改善发动机性能； ( 2 ) 需要为此电磁装置提供4 2 v 直流电源，但传统的电源是1 2 v 、2 4 v ， 这显然不能满足使用要求； ( 3 ) 使用此装置后，会大幅提高发动机造价。另外，还需要进一步改 善系统可靠性和提高安全执行器技术。 1 3 本课题的主要研究内容 9 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 在所研究的柴油机配气机构的基础上，设计一个液压挺柱替换原先的 机械挺柱。分别建立两种配气机构的动力学仿真模型，并对两者的动力学 性能进行比较，以验证换装液压挺柱后，能够改善配气机构动力性能。为 此，本文的主要工作有： 1 、建立柴油机原配气机构的仿真模型，对其进行运动学和动力学计算， 并分析计算结果。 2 、设计一个液压挺柱替换原先的机械挺柱，并对其进行动力学仿真计 算及分析，然后与机械挺柱式配气机构比较。 3 、分析使用液压挺柱后，影响配气机构性能的因素，并对其进行优化 设计。 4 、设计能够测试配气机构性能的试验台架。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章配气机构计算理论 2 1 配气机构动力学计算模型 在进行配气机构动力学计算时，我们需要在一定程度上简化配气机构， 建立配气机构的动力学模型。但也要注意，这种简化必须合理，否则计算 出来的结果会与真实情况相差甚远。 为此，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。 柴油机配气机构的动力学计算，通常采用的是单质量或多质量的质量 一弹簧模型n 引。 2 1 1 单质量模型 单质量模型由于刚度、阻尼等参数容易获得，可以用它来计算气门位 移、速度、加速度等运动规律n 朝n 6 1 。 单质量系统是把配气机构简化为一个当量质量，而当量凸轮和集中质 量之间通过刚度和阻尼联系，如图2 1 所示。图中m 为系统当量集中质量， 包括气门、气门弹簧、摇臂、过桥、推杆及挺柱等；c o 为系统刚度，包括 凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、摇臂轴、摇臂座及过桥等；c 。为气阀弹簧刚 度；d - 为系统内阻尼；d z 为系统外阻尼。计算的目的是要确定气阀实际升 程规律。 哈尔滨一i ：稗大学硕十学何论文 气门升程规律 图2 1 单质量模型 x ( 口) = i h r ( a ) - x c ( 2 1 ) 式中：h r ( a ) 一刚性系统挺柱升程规律； i 摇臂比； 勋一气门机构间隙。 设若作用在当量集中质量m 上的外力总和为f ，那么 f ：m 垂：m o o r 2 耍 ( 2 _ 2 ) d t 2d a 2 其中力f 主要由配气机构弹性恢复力、气阀弹簧预紧力、气阀弹簧力、 气缸内气体对气门作用力及内、外阻尼力组成，各部分的计算公式如下： ( 1 ) 配气机构弹性恢复力f l = c o j ； 其中是指机构的变形，在整个气门开启和关闭的进程中， j - x ( 口) - y ( a ) ；需要指出的是，当x ( a ) 一y ( 口) o 时，取，= 0 ，此时传 动链出现“脱开 ，凡应为零。 ( 2 ) 气门弹簧力只； 只= 一 ( 口) ( 2 3 ) 1 2 哈尔溟t 程大学硕十学何论文 ( 3 ) 气门弹簧预紧力一只o ； ( 4 ) 气缸内气体压力对气门作用力一只( 口) ； 在计算进气机构时，这个力可以忽略不计。 ( 5 ) 内阻尼力d l ； f d i = d l 功r j o( 2 - 4 ) 式中( d r 指凸轮轴旋转角速度。f b l 正比于弹性变形的速度，其方向与变 形方向相反。式中j o 是系统的速度变量，j o = _ d x 一孚。在整个气门开启 和关闭过程中，当x ( a ) - y ( a ) 魁气 式中：a 一一凸轮负加速度在气阀处所引起的惯性力； 七一一储备系数，通常为1 3 1 7 。 2 、气阀弹簧要有足够的安装预紧力p 曲，以保持气阀关闭状态的密封 性。 对于排气阀弹簧要保证进气行程时，排气阀不开，亦即 p r o 孚( p p 。) ，式中( p p 。) 为排、进气管压力差。对于增压式柴油 机的进气阀弹簧尸疵 单( 一p r ) ，式中( p p ) 为排气行程时作用于进 气阀的压力差；d l 为气阀直径。 一般的船舶柴油机，气阀外弹簧的二p 竺= 1 5 2 5 ；气阀内弹簧的 !竺：。过大的安装预紧力会使弹簧rai应n2030力及机构接触应力过大n 9 】。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 2 3 3 弹簧主要尺寸的确定 气阀弹簧一般是采用圆柱形螺旋弹簧，其结构参数包括：平均直径仉、 弹簧钢丝直径d 、有效圈数乙、总圈数z 及节距t 等。 气阀弹簧的平均直径眈主要是根据柴油机结构布置来选取，当采用二 个弹簧时，内平均直径为 d k 西+ 西+ 2( m m ) 式中：画一一气阀导管外径( 咖) ； 西内弹簧钢丝直径( 姗) 。 另外，d o 为外弹簧钢丝直径( 舢) 。 弹簧平均直径一般可参考下面尺寸范围： 单弹簧，d m - - ( o 2 5 0 3 0 ) d ；双弹簧中的内弹簧跳= ( o 2 0 - 0 2 5 ) d ， 外弹簧眈o = f 0 2 5 0 3 5 ) d 。 式中d 是气缸直径( m m ) 。 内、外弹簧应按所受的最大应力大体相等原则来设计，即应使_ d r n i 与 口f 掣值大致相等。为此，内、外弹簧负荷的分配通常为 d o 擘坐：1 n 2 6 【p j 式中：( p 一) o 一为外弹簧的最大弹力( n ) ； ( p 一) r 为外弹簧的最大弹力( n ) 。 令m ：掣，当m 增大时，弹力降低，容易颤振；反之，当肌减小时， d o 弹力增大，但弹簧钢丝内外侧应力差将增大，通常m = 5 1 0 。 弹簧钢丝直径d 可根据弹簧强度，按p 吣负荷值来计算，即 d =( m m ) 式中：【f 卜一一弹簧钢丝材料许用剪切应力； 2 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 x 一一考虑到_ d m 值的修正系数。 口 x ：! 盟+ 业( n z - n z o 一) = 一十一 ， 4 m 4m 其中第一项反映弹簧曲率的影响，第二项反映断面上切应力分布不均 的影响。 从式( 2 - 2 5 ) 求得的钢丝直径d 要圆整到国家标准。 弹簧有效圈数乙或z e o 可根据弹簧变形( 刚度) 公式来求 厶：姿，z e o = 娶 ( 2 2 7 ) 8 尼正臻8 豇。或。 式中：g 一钢丝的剪切弹性模量( m p a ) ； 、心。一一分别为内、外弹簧刚度( n r a m ) 。 弹簧总圈数 z = 乙+ ( 2 3 ) ( 2 2 8 ) 弹簧螺距 f = d + 尝 + ( o 5 0 9 ) ( r a m ) ( 2 2 9 ) z ，f 气阀全开时弹簧高度三m i n = z d + 乙( o 5 0 9 ) ( 姗) ( 2 3 0 ) 弹簧自由高度 日= 西一+ z d + 乙( o 5 0 9 ) ( r a m ) ( 2 3 1 ) 式中：西一一一弹簧自由状态到气阀全开时的最大压缩量。 2 3 4 气阀弹簧的强度计算 弹簧工作时承受交变载荷，应对它进行疲劳计算。若载荷的最大值和 最小值分别为p 一和p 曲，则钢丝截面上的切应力f 雌、f m i n 分别为 8 卯。d 。1 2 r ( 2 3 2 ) 2 了j 疲劳强度的安全系数刀：t j l ( 2 3 3 ) 凡f 一九+ 坼f ” 式中：f 。一一应力幅，= ! 字； 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 f m 平均应力，f m = 半； f i 一材料扭转疲劳极限。 系数堡可取为l ，弘取为0 1 5 。弹簧安全系数一般在1 4 1 6 以上。 岛 2 3 5 气阀弹簧共振校核 当气阀弹簧产生共振时出现强烈振动，引起弹簧弹力大幅度波动，使 噪音增加，弹簧有效弹力减小，并在钢丝截面上产生附加应力，甚至破坏 气阀的正常运动规律。实验表明，当弹簧的自由振动频率( n ) 大大超过 激振力的频率( 凸轮轴转速n t ) ，则可认为不大可能出现共振危险。 圆柱弹簧自由振动频率可按下式来估计 j = 3 6 2 1 0 4 ( h z ) ( 2 - 3 4 ) 乙 若原设计不能满足上述要求，则可通过增加d 、减小眈或减少乙来适 当提高弹簧的值。 高速柴油机的气阀也有采用变螺距弹簧结构的。这种弹簧在工作时， 它的有效圈数一直在变化着，因而自振频率也随之变化，不易产生共振。 2 4 本章小结 本章主要是介绍了配气机构设计中的一些理论知识。先是介绍了配气 机构的动力学计算模型，包括单质量和多质量模型，后者是在动力学仿真 计算中采用的模型。然后对机构各部分的受力及弹簧的设计理论做了较为 详细的介绍，为下面的计算及分析打下基础。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 第3 章柴油机原配气机构性能研究 3 1 凸轮型线参数的确定 配气机构的凸轮由三部分组成：一是基圆；二是缓冲段；三是工作段。 此配气凸轮基圆是半径为2 1 7 m m 的段圆弧，缓冲段和工作段的参数则通 过对原机的凸轮升程表进行分析，再结合凸轮型线设计理论计算得到。 3 1 1 原机凸轮升程表分析 由于柴油机凸轮轴图纸上给出的凸轮升程表，为每度给一个数据，直 接用来进行动力计算，加速度杂波太多，且数值很大，基本上掩盖了正常 值。为使动力计算结果更能反映其设计思想，计算结果更符合实际，首先 对原机的凸轮型线进行拟合分析，而动力计算时用误差在允许范围内的拟 合的理论型线则更能反映设计规律。为此本文先对此柴油机的理论型线进 行拟合。 首先对原机的凸轮型线进行插值计算，求出其插值速度和加速度。通 过对其速度和加速度曲线进行分析可以看出：此柴油机凸轮型线为对称整 体函数凸轮，采用余弦型缓冲段。进气、排气凸轮最大升程均为8 2 m m ( 均 含缓冲段) ，凸轮作用角进气为1 6 7 。凸轮轴转角，排气为1 8 9 。凸轮轴转 角，缓冲段进气开启段和关闭段均为2 0 。凸轮轴转角，升程为0 3 1 r a m ，排 气开启和关闭段转角均为2 5 。凸轮轴转角，升程0 3 8 8 m 。排气凸轮在上 升段和下降段之间插入了一段圆弧，所占角度为1 0 。凸轮轴转角，进气凸 轮没有。经分析认为此柴油机的凸轮型线为高次方曲线，缓冲段为余弦型。 所以选用五项式高次方凸轮型线进行拟合，经反复对比最后确定进、排气 凸轮型线的幂指数为p = 2 、q = 8 、r = 1 6 、s = 3 2 。凸轮外轮廓形状如图3 1 所 示。 2 4 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 2 7 0 2 7 0 p o l a rr e p r e s e n t a t i o no fc a mp r o f i l e e 三亟三珂 f - 妯a u s tc a m o c a ma n g k i d e g 图3 1 进气凸轮外轮廓 p o l a rr e p r e s e n t a t i o no fc a mp r o f i l e e 三亘圃 f _ 沛a u s tc a m 3 1 2 凸轮型线设计及参数计算 凸轮型线可以说是配气机构设计中最重要的部分之一，因为它基本上 能决定气门启闭时刻及所占凸轮轴转角、配气时间一断面值的大小、机构各 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 零件的运动规律，而且很大程度上影响机构惯性力和气阀的落座状况，这 些都是评价配气机构工作能力和动力性能的主要指标啪3 。所以说，凸轮型 线设计好与坏将直接决定配气机构设计的成功与否。 合理的凸轮型线，要求满足以下几点基本要求弛： ( 1 ) 要有良好的配气相位，进、排气阀要迅速的开启和关闭，配气时 间一断面值要足够大，以提高充气效率，最终提高发动机的功率和扭矩，并 尽可能的改善经济性。 ( 2 ) 凸轮升程曲线和速度曲线要平滑，不能有太大的突变。最大正、 负加速度值不能太大，同时要求加速度曲线也不能变化太快，以免产生过 大的惯性力，同时使各零件在运动中受力过大。 ( 3 ) 气阀最大落座冲击力要尽可能的小，同时气阀落座速度不能太大， 至少不能超过允许值，以免产生太大的撞击和噪声，最终影响零件寿命和 机构的可靠性。 ( 4 ) 凸轮与挺柱的接触应力不应过大，而且还要有良好的润滑条件。 但是，要同时使上面所有要求都达到最佳几乎是不可能的，因为上面 的要求有些是相互矛盾的。比如说要想使气阀启闭快，就很难较好的控制 气阀落座速度和冲击力。在实际设计中，要根据柴油机机型和用途的具体 要求，重点提高影响发动机性能的主要方面，对其它方面只要能达到基本 要求即可。 配气机构凸轮的设计方法一般可以归纳为两类乜2 儿2 3 i ： 第一类是根据以往的经验，参考配气机构性能要求，先选择一种凸轮 的几何形状和挺柱类型，计算出挺柱的运动规律，然后来判断此设计是否 满足设计要求。这类方法应用最多的就是由几段圆弧构成的几何凸轮。 第二类是从发动机性能对配气时间一断面值、充气效率及机构性能等的 要求出发，先拟出挺柱的运动规律，然后求出凸轮型线口钔。 凸轮型线中的缓冲段和工作段是凸轮设计的关键。 1 、缓冲段的设计 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 此配气机构是由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、过桥、气门等多个部件 组成，这些部件之间都是机械连接。在配气机构的设计中，我们要求在非 工作段时，气阀与气阀座必须严密结合。但是，由于结构、材料等方面原 因，这些部件在时刻变化着的受力及受热情况下必然会有不同程度的伸长， 这就会破坏气阀与气阀座之间的密封，造成气缸的漏气，从而使发动机功 率下降，起动困难，甚至不能正常工作。要想解决这个问题，可以在气门 及其传动件之间设计一个气门间隙。间隙大小的选定同配气机构结构型式 及机体和气缸盖的结构和材料有关，要考虑到不同受热及受力条件下间隙 的变化。 这虽然能解决气阀与气阀座的密封问题，但这个间隙却导致了气阀的 运动要比挺柱的运动有所迟滞。在凸轮型线设计时，为了能够在最