（机械设计及理论专业论文）气门动态特性数据处理及参数识别方法的研究.pdf

杭j i | 4 电子科技大学硕士学位论文 摘要 配气机构作为内燃机的重要组成部分，其动力学性能和疲劳特性真接影响到发动机整机 性熊，因此配气机构动力学特性和疲劳可靠性是当前内燃概研究的主要方向之一。本文在广 泛参阅国内外关于配气机构文献的研究基础上，并结合企业合作项蜀的实际情况，采用试验 测试、动态数据处理、动力学特性参数分析、模型仿真分析和计算相结合的研究模式，对国 产某型号柴油杭下置式配气机构进季亍了较为系统和深入的研究。主要研究工作可以概括如下： 1 介绍了配气机构动力学数据采集实验系统试验台架。介绍了加速度信号、应变信号、 转角信号、上止点信号的数据采集原理和方法。利用整周期采样原理对上述四种信号进行采 样，通过多循环乎均的方法获得一个整周期动态试验数据，并通过对气f j 加速度信号积分的 方法获得气门速度信号。 2 采用最小置乘法移多循环平均法有效去除加速度信号巾的趋势分量和漂移，去除了加 速度信号中的低频干扰部分。利用一种f f t 与小波包分析相结合豹处理方法对配气枫构动态 数据进行处理，去除了夹杂在加速度信号中的干扰信号。结果最示：与常用的数字滤波方法 相比，该方法可以在不影响真实信号的前提下，精确去除信号中的干扰。 3 。对配气机构动态参数进行了分析研究。在不同间隙和不同转速工况下对气f 1 加速度、 速度帮推杆应力应交进行了研究，并分析了其对配气机构飞脱和气门反跳的影响。 4 动态阻尼对气f l 落座的稳定性和配气机构运行的稳定性有蔫很大的影响。气门落崖动 态阻尼反映了气f 丁落座过程中能量耗散特征，影响该过程能量耗散因素很多，难以用精确的 壤论方法对该过程进行分析，本文采麓了宏观的分析发方法分析了该阻尼随其他参数的变化 趋势。依据测试所得动态数据，计算了在气门落座冲击过程中，气门动态阻尼随其他参数的 变化情况。 5 。气门弹簧是配气机构的关键部件，关系到整个配气机构的性能。通过计算可知，转速 在一定范围内，动态雕度在静态刚度馕上下范围内波动。因此，配气枫构弹簧河4 度线性情况 较好，动态剐度变化不大，非线性比较小。 6 使用有限元分析软件h y p e 鼬峨s h ，a b a q u s 对气门落座冲击过程进行了仿真。在 气门和气f 】座接触部位有明显的应力集中，并且随着落座速度静增大而增大，傻气f 座圈一 周受到的应力分布比较均匀。气门座圈在预紧力和落麈冲击力的共同佟用下，在接触部位变 形累计越来越大，最终导致气门座疲劳破坏。最大应力出现在气门和气门座交界处，该砬力 对气门和气门座的疲劳寿命影响很大。该结果和气门气门座失效机理吻合。 关键词：配气机构，动态特性，数据处理，气门落座 杭州电子科技大学硕学位论文 a b s t r a c t v a l v et r a 遗i sa ni l l l p o 纯l n c o l 印。魏e n to f 遗t e 燃a le o i i l _ h s t i o ne 耀诬e ，w h e t 栅f e a s o 蠢a b l eo r 渤to fi t sd e s i 黔i s 强e c t l ya & c t h ep e r 亿湖鞠o ft kw 幻l e 搬a c 魏轴e 。s ol h ev a l v et r a 逊d y n a 嫩i e e 轴r a c t e r i s t i c sa n 莲f 酞i g u ef e l i 曲i l 姆i sc u i 跫n t l yo 躺o ft h e1 1 1 a 激d i f o c t 诗l l so fr e s e a ho fi n e m a l c o m b 醢s t i o ne 段g ：i n e ，o nt h eb a s i so ft h ee x t e 簸s i v i 。s 抛封羚危雌i 芏l gl 曲m e s t i ca n df o r e i g nl t e r 鑫t u 聪 籼砒v a i v et r a 氓a 蕊c o 斑b i 箍衲gw 怂t ka c 埝a ls i t u 越i o no f t h co 嫩e f p 瘴s e o p e f a t b np 捌e c t s ，黼s 爹a p e fn 躲l ( e sai i l d e p t 氧s 镶d y 豳。雌v a l v ct 撼o f 韪c e 贰鑫i n 姊eo f d o m e s t i cd i e s e | e n g 如e ，u s 迎gt k 抟s e a 托h 激e t h o do fc o n e c 赫ge x p e r i m e n t a ld a a ，p f o c e s s i n gd y n a 腿i c 如t a ，a n a 蜘i st h ed y 聩a m i e 曲a r a c e r i s t i cp a r a 粼t 嚣a 砖f 撖妇e l e m e n t 嫩o d c ls 翻i u l a 专i o na n a l y s i s 。甜摭m a i 鼗r e s c a 嬲hw o r kc 触 b e 铺m 瓒鑫r i z e da s 自l 孙w s ： 1 i n t 姻d u c et h e 、像l v el r a 遗d y 靛a m i et e s ts y s t e 燃s k e t c ha 柏dt h ca c q u i s 娃i o np r 迦c i p l ea n d m e t h o do fa c c o l e r a t i o 矬s i g 稳a l ，s t r a 迅s 埝n a l ，a n g l es 逗嫩l ，a n dt h et d cs i g n a ld a 饶u s e 强。w 董l o l e c y c l es a m p l 赫gp r 讼e i p l et os a “带l et k 勤黼l c i l l d so fs 穗麟l ，o 坟a 酶a n 攀l e 姥c y c l od y n 搬i ct e s t 蠡t at h r o 驻曲f n u 醢c y c l e 科e r a g em e 壤o d ，鞠l dg e tt h ev a l v ev e l o c 褪ys 逗n a 重sw 缝hu s 狐gm ev a l v e 鑫c c e l e f a t i o ns i g i l a l 甜e e 科a lm e l 轴d 2 u s e 饿ek 露s ts q u a r en 1 。t h o da i 心t h el n u 囊ic y c l e 鑫v e r a g em e t h o de 脯c t i v e l yt of e m o v e st k 骶感硼) o 躺嫩躺d 蹦最i 纛a c c e l e 跏幻投s 埝n a 毛e l i m 秘a t el o w 蠹e u e n c y 妞t e r 凳r e ei o f 啦e a c c e l e r a t 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赡a i nf 甜塔e ，t h ed a t ao ft h ed y 珏a m i cs t i 掘e s sw 曩l 舶c 蚀a t ea l 也ev i c i l l i t yo fl h es l a t i cs t i 细e s s 。髓e r e 如r e ，、厂a 耽科堍o f 蜘ev a l v et r a i l ls l l 鳓e s si s c b s et o l 汝e a r 巍ms ot kd ”m m i cs t i 熊e s sd o e s n tf l u c 耋u a t es 遮n i f i e a n t l y ，a 藏di t sn o n l 证e a f i t yi s s 擞嚣1 1 6 确e 融i ee l 。m e n ta n a l y s i ss o f w a r eh y p e 砌以e s h ，a b a q u s 套os i m u 琢t e kv a l v e s e a t i n gp r o c e s s 飘1 1 。r ei sas t r e s s n c e n t r a t i o no b v o u s l y 遮t h ev a l v ea 艇v 建es e a te o n t a c tp a r t s ， 雒d 汛e r c a s ea b n gw 娩t h es e a t 诬塔v e l o c i t y 迅e r e a s i l l g ，b 罐ac 武毪m 颤e 越i a ls t r e s sd 波r 谴糖t e 糊i 内r n 娃yo 珏v a l v es e 鑫t u l d 髓t kv a l v es p f m gp r e l o a d 黻1 ds e a t 赫gi 猢p a c tf o e ，m ed e f o 翔f l a t 幻na t t ks 建eo fc o 躐a c a c c 湖眦l a t 醯粥r ea 谢m o r eb i g e v 雠趣a l l yl e 甜m g 的 l ev a l v es e 鑫t 盘i g u e f a 封u r e k e y w o r 凼：v 魏l v e 锄魂d 够缀m i cc 魏a r a c t e r 弧t i c ，幽t ap r o e e s s ，v a l 、，es e a t i l l g 壤 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究目的和意义 配气机构是车用内燃机的重要组成部分，配气机构的动力学特性和疲劳特性直接影响到 整机的经济性、排放性、振动噪声及可靠性。随着配气机构的工作条件的日益恶化，在保证 充气效率的同时，提高配气机构工作的可靠性成为一个重要的研究方向【1 1 。自上世纪中期以 来，内燃机配气机构动力学问题得到广泛而深入的研究，建立了多种试验方法与理论模型。 试验方法可以测量零部件的运动规律，应力应变等。依据零部件的运动规律，既可以对配气 机构动力学模型做计算分析，也可以作为动力学模型精准的评价依据。依据动力学模型，可 以计算零部件的运动规律，研究内燃机的动力学特性；分析零部件之间的接触应力和摩擦力， 研究内燃机配气机构的可靠性。研究人员在配气机构动力学问题上做了大量的深入的研究， 在配气机构动力学实验和理论分析的基础上，提出了多种配气机构动力学模型，并对各种模 型在不同条件下做了比较和规划研究。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 配气机构动态数据处理与分析方法的研究 内燃机是一种常见的动力机械，利用内燃机提供动力是现在许多动力装置运行方式，因 此，内燃机在现代工业中占有重要的地位。由于内燃机的复杂性，燃油经济性和排放法规的 严格要求，必须合理设计和分析内燃机每一个环节【1 1 。王水来提出了采用数字滤波方法对配 气机构采样数据进行预处理，除去信号中的高频噪声和低频干扰【2 】【3 1 ，通过实际设计的低通滤 波器，有效地去除了高频噪声。作者同时还介绍了将连分式积分法用到配气机构的数据处理 中以提高数据精度，目前，连分式积分法以其极佳的效果得到了广泛的应用。作者同时还介 绍了内燃机配气机构实验研究的高速数据采集处理系统，并把上述方法应用于系统中。李建 峰等讨论了用滤波器去除干扰信号的弊端，并提出了用小波时频联合分析法【3 】，通过离散小 波的分解和重构，成功的实现了小波降噪，同时作者还利用最小二乘法去除趋势分量，利用 梳妆滤波消除了随机噪声，较系统地总结提出了各种数据处理方法。赵冬青等在研究了最小 二乘法，局部权重最小二乘法，鲁棒性权重最小二乘法的计算方法后，提出了一种去除离异 点后进行拟合的方法基于改进鲁棒性权重最小二乘法，并通过对发动机多组测试数据实际拟 合应用，证明了该方法能够满足数据处理要求，在数据拟合趋势分量是比最小二乘法更精确 【4 】。刘忠民首先用一种全新的方法，多传感器数据融合技术方法对气门所测得各路数据进行 处理，由加速度积分获得气门速度信号，通过对位移信号的微分获得速度信号。通过对两路 信号在特征层进行融合，降低了由于单一传感器测量数据所造成的误差，有效剔除了干扰， 特别是低频干扰。作者同时运用小波分析对数据分解重构进行降噪，并指出，小波分解阶数 以及权值选取对融合结果的影响还有待于进一步探讨 5 l 。武占华把时频联合分析用到配气机 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 构单只量模型中，将凸轮线性的惯性激振与转速联系起来，得出了凸轮机构振动特性参数更 准确的定义【6 】。 1 2 2 配气机构动力学模型的研究 袁兆成等通过改变模型推杆的刚度和摇臂及支座刚度，得出了气门落座速度不仅仅和转 速有关系，和结构参数和凸轮线性也有很大关系，同时利用对气门加速度信号进行了频域分 析。作者指出用气门座受力的变化考察气门落座冲击的变化比利用落座速读的大小来评价气 门落座冲击更可靠 9 】。t a l 【a s h ii 删等通过分析推杆受力波形指出，推杆受力图形中间波 形的振动是有系统固有频率的振动引起的，并通过该波形图可以提取系统的固有频率。作者 分别从时域和频域对配气机构数据进行了分析，但以上频域分析都只是涉及到固有频率，没 有从能量的角度和相干功率的角度进行数据分析。作者还指出在推杆受力波形中含有气门反 跳和飞脱的信息，可以和气门速度图像联合确定气门反跳和飞脱的信息【1 0 】。武占华讨论了一 种新的参数辨识方法自适应随机搜索参数辨识方法。并把该方法应用于单质量模型和四质量 模型。作者应用二步辨识方法，辨认确定的参数偏差均可控制在5 以内。计算结果表明，配 气机构模型参数的确定方法更具有合理性，使模型适用转速范围和预测精度更高。该方法在 确定参数时，具有较大优越性【1 1 1 。作者还应用m 变换、小波时频联合分析和自功率谱密度函 数从能量的角度对配气机构数据进行分析和处理，并利用相干功率谱分析对同一间隙不同转 速先配气机构数据进行分析。并可以求出作为单质量模型时不同转速下各个刚度和阻尼。张 桂昌在硕士论文中利用a v l e x c i t e t d 软件对国产模型发动机进行了凸轮优化和分析。利用p r o e 软件建立模型并求得质量，利用n a s t r a i n 软件求取其刚度参数，在a v l e x c i t e t d 软件种建立配 气机构多质量模型，通过使用不同的凸轮型线，分析了凸轮对气门落座力，凸轮与挺柱接触 应力等参数的影响。并研究了气门间隙、气门弹簧刚度、转速的变化对配气机构动力学特性 的影响f l3 1 。张贵昌同时可以用实验的方法和公式仁m v t 测定气门落座冲击力。周锦生 建立了内燃机配气机构等参元动力学模型，并用该模型分析了某型号国产发动机的动态响应， 计算出的自振频率、气门升程、气门加速度与实测值有很好的吻合。结果还表明该配气机构 在高速工作时有飞脱危险，气门开启时冲击较大【l4 1 。刘靖和郑德林对配气机构建立了三质量 模型，并认为气门在两端各取1 6 ，其余取为2 3 为宜。在模型中，作者考虑了气门间隙液压 调节器等因素，数值计算结果与实测数据基本吻合【l5 1 。曹卫彬介绍了一种对配气机构液压挺 住刚度值和阻尼值的实验测定方法，并得出其随发动机转速变化的规律，作者将测得的刚度 值和阻尼系数值代入二质量动力学模型中，计算结果与实测结果基本一致【1 6 】。采用信噪比能 够更好的评价凸轮线性的动态性能。r l = 咖，对于凸轮线性，将共振频率以内的能量和定义 为信号源s ，将共振频率以上的能量定义为噪声源n 。信噪比越大，发动机高速性能越好。对 于凸轮型线，由于采用时域加速度信号来评价凸轮型线动态性能不能反应出凸轮型线的抗振 性能，因此引入信噪比的概念。对加速度曲线进行快速位变换，转换为频域下的加速度信 号，低于共振频率的振幅是用来驱动配气机构运动的，称为信号，高于共振频率的振幅是可 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 能引起机构振动的，称为噪声。信噪比越大，则机构的抗振性越好。通过对频域加速度信号 的积分可以求得累积能量。同时，曹卫彬还利用虚拟样机技术对配气机构进行了动力学研究， 利用信噪比讨论了配气机构的动态特性。并比较了两种型线的凸轮在不同转速下的性能【l 。 褚超美研究开发了以m a t k i b 和c 抖b u i l d c r 作为应用程序混合编程的发动机凸轮型线设计平 台，使凸轮型线设计方便、快捷，并通过实际应用表明该系统各型线特征参数能满足设计要 求【1 8 1 。仇涛把加速度传感器安装在运动的气门上，并要求其质量远小于被测运动件的质量。 电涡流传感器对被测物体的表面积有最低限值。德国米铱位移传感器o p t o n c d t1 7 0 0p s d 模拟技术高频响位移传感器，其测量精度为o 0 1 m m ，原进气凸轮线性的加工精度为 0 0 1 5 m m ，因此该传感器的测量精度满足要求。采用r i c a r d o 厂v a l d y n 软件建立模型，在试验测 试对比了传统的增加附加质量测量和光学非接触测量的方案，证明了采用高精度光学测量更 加有利于获得准确的气门运动规律【2 0 】。p m s l l a n tr a i m c l l a n d r a 利用n a s t 黜n 软件和a d a m s 软件进行了配气机构动力学分析和落座分析，把摇臂作为柔性体，模型所得结果与实验结果 吻合较好【2 。1 狄船h ii 砒枷对某型柴油机配气机构动力建立模型，对推杆应力，弹簧非线 性，和凸轮线型做了分析，指出气门反跳与弹簧模型有相关性，对系统优化设计有指导作用 【2 2 1 。朱兰利用a 、兀t y c o n 软件建立了u 7 5 0 发动机的运动学和动力学模型，并对凸轮型线 作了分析，制定了优化方案。结果分析，气门与气门座节点速度和加速度急剧变化，节点处 发生变形，并随落座速度的增大单元应力也增大【2 5 1 。徐小明将气门机构的弹性运动看作是连 续弹性体的纵向振动，利用分离变量法建立了弹簧运动的数学模型，实例证明了该数学模型 的合理性，并指出该数学模型存在的缺陷，不能模拟弹簧发生的碰圈现象【2 6 1 。秦风莲利用a v l 软件建立了配气机构单自由度模型，并对配气机构进排气进行了动力学和运动学分析，结果 表明，通过优化后气门弹簧，消除了动力学中进气凸轮与从动件飞脱现象，且气门弹簧正常， 未发生共振【2 9 1 。郝永刚利用a d a n l s 软件建立的多刚体系统动力学模型。并进一步建立刚柔藕 合柔体系统动力学模型。该方法可以较好地仿真配气机构动力学特性，也能利用模态综合法 对导入的柔性体气门弹簧的动态刚度和动态剪切应力进行计算【3 1 1 。 1 2 3 配气机构动力学特性参数的研究 张立梅，张克刚提供了配气机构动态参数测定方法，作者利用气门自由振动情况下的冲 击响应速度曲线，提出了计算气门组外阻尼，气门座阻尼和刚度的方法，并通过动力学计算 比较了实际测得结果和计算结果，二者基本吻合【7 】。作者讨论了气门运动过程中振动的必然 性，并计算出振动项是自由项，这表明该项振动必然存在，与机构自振密切相关，是不可能 通过设计而去除掉的，但可以通过减小初始时刻位移和速度，降低该项振动，也可以通过凸 轮缓冲段的设计来减弱该项。黄劲枝和程时甘提出了确定内燃机刚度的三种数据处理方法， 二次刚度平均法，变形平均回归法和作图法。通过实验得到实际数据，通过三种方法的处理 分析，得出二次刚度平均法的均方根误差最小，利用振动特性分析了单自由度模型在不同状 况下的固有频率，阻尼的关系【8 】。武占华还指出，对气门落座力的计算一般都是利用气门的 杭州电子秘技大游硕士学位论文 应力来推定其接触力的大小，这种方法计算出来的气门落座冲击力精度较低，可以采用“赫 兹”计算公式来计算气f j 落魔冲击力瑟1 1 。梅雪松给出了内燃机气门姆气门座冲击振动的数值 模拟结果，但文中冲击阻尼系数是按常数给出，这样阻尼做功过程显然与弹性碰攮时畿量的 损耗过程不指符合。本文通过对凸轮推杆的赫兹接触假设，利用p a h n g e m 关系式描述凸轮与 推杆表面的“接触刚度”，而凸轮与推杆，气门与气门座之间的冲击阻尼，则利用将恢复系数 等效成冲击阻尼系数的办法进行模拟，获得了与实测比较一致的数值结果，从两可以很方便 地用计算机进干予凸轮与攥杆、气门与气门座之间的冲击振动润题的研究【l 霹。谢勇分析了某项 置凸轮轴式配气机构凸轮与摇臂之间的作用力，计算了蘸轮与摇臂之间的接触点的综合醢率 半径和凸轮与摇臂之间的动态局部接触应力，计算了凸轮与摇臂间的动态油貘厚度，分析了 凸轮与摇臂之间的滤滑油卷入的特点。将凸轮轮廓改为非对称设计，降低了凸轮与摇臂之阅 的熬除压力角，改善了润滑状态，解决了凸轮与摇臂之间的早期擦伤问题【2 3 1 。吴国辉在硕士 论文中采用维动力学方法对配气机誊句进行了动力学分析，作者针对多项动力凸轮设计原理， 提出了逶过配气机构运动学的正逆联解方法反求凸轮线性，并通过实侧验证，提供? 通过检 测凸轮样件的型线来获取凸轮线性原始设计的额途径e 4 】。王水来提出了采用数字滤波方法对 配气机构采样数据进行预处瑾，除去信号中的高频噪声和低频干扰，通过实际设计的低通滤 波器，有效魄去除了高频噪声。作者同时还介绍了内燃机配气机构实验研究的高速数据采集 处理系统，并把主述方法应用予系统中【2 7 1 。浦耿强简述了纵振与扭振相互耦含的艇律，为全 面探索配气机构的振动规律提供了帮助。分析了发动机关键零部件凸轮轴和摇臂，研究了 轮型线设计和型线计算的具体方法，提出了摇臂接触区圆弧方向角的概念，分析了摇臂接触 区圆弧半径和方向角对配气机构性能的影响，配气系统孛所研究的实例取得了良好的效果【2 轴。 作者从理论和实验角度研究了配气系统由物理参数引起的多重共振特性，揭示了气门弹簧多 重共振，拉压和摁转耦含振动与配气系统各种物理参数之间的关系，为内燃机配气系统的优 化奠定了一些基础【2 舆。彭禹针对凸轮线性设计，提出一种将气门机构的仿真分析和凸轮型线 豹优化设计有机的结合在起的动态优化设计模式。建立? 可以随型线参数自适应的气f 】桃 构参数化样机，并以之为平台进行优化，将虚拟样机的功能从单纯的预测或验证工具转变为 动态优化设计工具【捌，刘忠民提出了气门加速度计算结果与实验结果一致性评价方法，利用 小波分解结果的标准差作为气门加速度计算结果与实验结果一致性豹依据。在低于气门飞麓 转速条件下，各种动力学模型计算结果与实验结果变化趋势基本一致，在离于气门飞脱转速 下，多柔体模型计算结果与实验结果吻合较好【3 h 。并通过计黧发现，动力学模型计算落座速 度与实验结果差别较大，定刚度、定阻尼的动力学模型不适予分析气门落座过程。 王。3 配气机构所存在的主要问题 动力学特性分析的主要问题在于：气门落座过程罩薹线性很强，对配气机构稳定运行起着 至关重要作餍。譬前，定刚度、定阻尼参数在不同的动力学模型中计算落座速度和实验所得 结果在气门薯瑟落座过程有较好的吻合，蔼在气门落鏖过程中，该假设导致动力学模型计算落 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 座速度与实验结果差别较大。另外，国内对配气机构动态实验数据处理方法研究较少。 实验数据处理的主要问题在于：缺少区分干扰信号与真实信号的依据，不能有效在不影 响真实信号的情况下去除干扰信号。 本课题依据在配气机构动力学实验台上对某型号柴油机测试所得数据进行分析和模拟。 并以实验所得数据为基础，对动态数据去除干扰方法进行研究和对配气机构动力学特性参数 特性进行研究。该柴油机配气机构为下置式配气机构，如下图1 1 所示： 图1 1 下置式配气机构示意图 1 4 本文的主要工作内容 本论文以某公司某型号发动机配气机构为研究对象，主要研究内容、目标包括以下两个 方面： 1 4 1 动态试验数据处理方法的研究 研究运用趋势拟合、数字滤波、时频联合分析等数据处理方法对配气机构动态实验数据 进行处理，消除干扰。本文利用一种f f r 和小波联合分析的时频联合分析方法对气门加速度 数据进行处理研究，结果表明：该方法可以有效去除气门加速度数据各频段中的干扰。 1 4 2 配气机构动力学特性和动态参数特性的分析研究 依据实验测得气门、摇臂、推杆动态数据，对配气机构进行动力学分析研究，特别是对 气门落座段加速度数据进行动力学分析研究，研究不同间隙、不同转速等状况下，气门加速 度、速度、落座速度等动态特性参数的变化状况，并判断配气机构是否存在飞脱和气门反跳。 气门落座过程是一个复杂的非线性过程，在该过程中气门弹簧刚度、阻尼等动力学特性 参数对气门落座过程有很大影响。传统使用定刚度、定阻尼参数对配气机构模型进行了研究， 所得结果与实际有偏差。因此，本论文对气门落座过程动态刚度、动态阻尼等特性参数进行 了讨论和研究。 应用分析软件建立配气机构有限元模型，对气门动态落座进行模拟分析，分析模型中的 应力集中情况和疲劳可靠性，并与实际试验结果作对比，做出评价。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章配气机构动力学实验装置和数据测试 配气机构零部件在运动过程中会发生变形，导致零部件实际运动规律偏离凸轮型线。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、推杆动态特性试验、摇臂动态特性试验，研究气 门、推杆、摇臂实际运动随转速、气门间隙等条件的变化状况。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，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。推杆、摇臂应力应变运动规律测量采用应变片，通过测量推杆的应变规律得到 推杆的应力变化规律。 2 1 配气机构动力学实验装置 配气机构试验台架包括以下几个部分：电气柜，电动机、弹性联轴节、光电转角编码器 等，如下图3 1 所示。配气机构安装在原发动机机体上，保持配气机构和原发动机安装状态 不变。试验样机拆除活塞、连杆、喷油泵等零件，仅保留1 缸配气机构，减小与配气机构运 动无关的机械振动。为了减少曲轴旋转时对配气机构进行特性试验的影响，用直轴代替发动 机曲轴。配气机构试验台架由电气柜控制，电动机转速由试验控制柜设定，电动机为直流电 动机，其与直轴采用弹性联轴节连接，配气机构通过皮带与直轴连接，在发动机直轴端安装 光电编码器，把直轴每周转速信号送入到数据采集系统。配气机构动力学特性以气门动态特 性试验作为评价依据。试验装置多采用单缸缸盖，以便于传感器安装和机构调整。图2 1 为 一种单缸缸盖试验系纠3 2 】。 图2 1配气机构动力学特性试验系统台架 该实验台采用直流电动机拖动试验样机凸轮轴，闭环控制发动机转速，转速控制精度为 lr n l i l l 。试验样机拆除曲轴、活塞、连杆、喷油泵等零件，仅保留l 缸配气机构，减小与 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 配气机构运动无关的机械振动。数据采集系统由动态信号分析仪、计算机、串口通讯模块等 组成。气门加速度、凸轮轴转角信号由数据采集卡采集，然后送入上位机，存入数据库中。 试验数据采集系统如图2 2 所示【3 ”。 一擎痧- 唧，= ： 上( 下) 止点f 苜号1j o 加速度僖一样山“ 推杆应变信号采样豳 a 乡i 图2 2 配气机构动力学特性试验系统示意图 配气机构动力学特性试验装置中，采用压电式加速度传感器测量气门加速度、采用应变 片测量推杆、摇臂应变。采用发动机原有配气机构作为该系统的被试对象，其零部件不作改 动，配气机构刚度、阻尼、润滑条件等均与实际工作状态保持一致。发动机曲轴由直轴代替， 以减少曲轴转动引起的振动对配气机构动力学特性试验的影响。采用压电式加速度传感器测 量气门加速度，使用补偿电路对应变片测试应变信号进行补偿，使用增量式光电转角编码器 产生转角信号和同步信号和上止点信号。动态信号分析仪对各路模拟信号采样，将采集数据 送入计算机。配气机构驱动装置采用变频交流电动机驱动，电动机与直轴间以弹性联轴节连 接，变频器采用速度闭环控制电动机转速。 2 2 气门加速度测量 压电式加速度传感器是一种常用的测试加速度数据的传感器，其具有固有频率高，有较 好的高频响应等特性。同时如果配以电荷放大器使用，低频响应也很好。另外，压电式传感 器体积小、重量轻、受外界干扰小。配气机构动力学特性试验采用压电式加速度传感器对气 门加速度进行测量。 压电式加速度传感器结构原理如下图2 3 所示。压电元件一般由两片压电片组成，采用 并连接法。引线l 根接到两压电片中间的金属片电极上，另根直接与基座相连。压电片通 常用压电陶瓷材料制成。压电片上放一块比重较大质量块，然后用一段弹簧和螺栓、螺帽对 质量块预加载荷，从而对压电片施加预紧力。整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了 隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造， 避免虚假信息输出。 7 l 蕾 p 干丰 秘 壳弹量电出 =譬座= i 基 杭州电子墨善技大学硕士学位论文 图2 。3 压缩式送电加速度传感器 ( a ) 简位模戮( b ) 结构原理阁 压电式粕速度传感器可以篱化蠹由集中质量m ，集中弹簧k 和阻尼器c 组成的二阶单自 由度系统。因此，其运动方程可以用下式表示： 搬冬+ c 垫掣+ 奄瓯一曲；o ( 2 1 ) 掳2馥 、4 7 式中：x 一振动体的绝对位移。 蠢一质量块的绝对缱移。 压电加速度传感器的幅频响应和褶频响应分别为； l 盖刊： | x 耱 l 式中：国一振动角频率； 够：撇衄型望删。 妒一葡。8 。 蛾一传感器的固有频率， f 一阻尼比，f 2 夏杀； 厉 姣2 0 i 4 ( 2 2 ) ( 2 。3 ) 茹。= 等为振动体加速度。 d l 从传感器频率特性可以看到，警固有频率远大予被测物体的振动频率时，传感器的灵敏 度线性度毒常好，在高频范匿内，灵敏度随频率的变化穰小，因此，传感器对高频信号响应 较好，是传感器理想的工作范围。对于低频信号，加速度传感器的频率晌廒变优比较大，嚷 瘟线性度较弱，并且此频率范围内，压电式加速度传感器响应信号弱，信噪比低，要测量的 真实信号可能被干扰信号淹没。僵压电式鸯爨速度传感器与电穗放大器配合使用时，由于电荷 放大器的低频响应良好，传感器的低频响应受到电荷放大器的下限截止频率的限制，可以很 好地测量低频信号，且线性度很好 3 4 1 。 使用压电传感器对加速度进行测量时，将传感器基座与试件匿定在一起，传感器与试件 感受相同的振动。由于弹簧的作翔，矮量块就有一正比于加速度的惯性力作蹋在压电片上， 由于压电片晶体的压电效应，压电片的两个表面上就产生交变电荷。当振动频率远低子传感 g 杭州电子科技大学硕士学位论文 器固有频率时，传感器的输出电荷与振动产生的作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。 输出电量有传感器的输出端引出，输入到电荷放大器后，就可以用普通的测量仪器测出试件 的加速度。 电荷放大器是一个具有深度电容负反馈的高开环增益的运算放大器，它把压电传感器的 高输出阻抗转变为低输出阻抗，其输出的电压正比于输入电荷。通常，电荷放大器利用高增 益的放大器和绝缘性能很好的电容来实现。电荷放大器模拟电路组成如图2 4 所示： 图2 4 电荷放大器等效电路 电荷放大器输入的阻抗极高，在放大器的输入端，几乎没有对电流的分流。所以，放大 器的输出电压为； ：车 ( 2 4 ) 乙， 由上式可知，电荷放大器的电压只与压电传感器对其输入的电荷量和电容有关，与电缆 电容及放大器的放大系数无关。 当压电传感器和电荷放大器连接在一起使用时，图2 5 、2 6 是传感器与电荷放大器连接 的原理图与实物图。 为； 2 5 传感器与电荷放大器连接的原理图 要使输出电压与电缆电容无关，放大系数a 必须比较大，使得l + az a ，此时，输出电压 砜= 一 w a q ( 1 + 么) w c ，( 1 + 彳) gc _ 在电荷放大器的实际电路中，反馈电容g 一般为可调电容，这样既不会因为信号太大引 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 起饱和，同时由于引入了电阻尺，减小了零漂，并且使电荷放大器工作稳定。在高频时，电 路中的各电阻的值大于各电容的容抗，略去各电阻，然后讨论电路特性是符合实际的。电荷 放大器的频率响应上限运算放大器的频率特性。 当工作频率很低时，输出电压为； 。一_ 盟 ( 2 6 ) 、 毛+ j w c f r 。1 所以，在与电荷放大器配合使用时，传感器的低频响应受到电荷放大器的下限截止频率 的限制，电荷放大器的低频响应良好，可以测量变换非常缓慢的量。 图2 6 传感器与电荷放大器连接的实物图 2 3 推杆、摇臂应变测量 电阻式应变传感器测量的基本原理是将被测物体变形量转换成与之有确定对应关系的电 阻值，再通过电路测量此电阻值大小确定物体变形量。电阻式应变传感器结构简单，性能稳 定：可以方便的实现多点同步测量、过程自动化测量和远距离测量：灵敏度高，测量数据速 度快，适合用于静态、动态、和高速动态测量；由于电阻式应变传感器具有以上独特优点， 所以广泛应用于多种物理量的测量中。 应变片是最常用的一种电阻式应变传感器，其工作原理是基于金属导体的电阻一应变效应， 金属导体电阻一应变效应可有以下公式进行描述； 慷，螺， k ： 介绍了应变数据采集的原理和方法，并通过补偿电路消除在应变数据测量过程中， 由予温度变纯对应变i 羹| | 量值所造成的影响。 ( 4 ) 介绍了整周期采样原理，共通过使用光电编码器对转角信号进行整属期采样实现 了对转角的测量鞠上止点信号相位的测量，两个相邻上止点相位信号之间差值为一个信号周 期。 1 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第3 章配气机构动态特性试验数据处理方法的研究 配气机构动态特性所测试的数据主要有气门加速度数据、推杆、摇臂应变数据以及对气 门加速度数据积分得到的气门速度数据。测量气门加速度采用压电式加速度传感器，测量推 杆、摇臂应变数据采用应变片，由于测量环境、轴系传动、不同气门之间的相互的影响，测 量所得数据不可避免的存在干扰信号。 由于加速度传感器本身特性的影响，在测量的气门加速度信号中会有零漂和趋势分量， 本章采用多循环数据平均的方法和趋势分量拟合方法去除信号的漂移特征。 通过对数字滤波方法和小波包分析方法的研究分析和对比表明，小波包分析方法可以同 时从时域和频域对信号特征进行分析，数字滤波方法只能从频域或时域对信号特征进行分析。 基于上述两种方法的各自优点，本章采用一种f f t 分析与小波包分析相结合的方法，去除夹 杂在信号不同频段中的干扰。研究结果表明，与常用数字滤波方法相比，该方法使配气机构 动态数据精度有大幅度提高。 3 1 实验装置与方法 本文所采用数据是在配气机构动力学试验台上对一款6 缸直列柴油机配气机构进行测试 所得。柴油机为下置式“挺柱推杆摇臂气门”配气机构。实验装置采用直流电动机拖动试 验样机凸轮轴，实验柜闭环控制发动机转速，转速控制精度为lr m i i l 。 安装光电式转角编码器，主电机转速可由试验控制柜设定。主电机的额定电压为3 8 0 v ， 额定输出功率为3 5 k w ，采用恒转矩方式控制主电机。数据采集系统由传感器、电荷放大器、 线端子板、光电编码器、计算机、数据采集卡、串口通讯模块等组成。气门加速度、凸轮轴 转角信号直接送入动态信号分析仪，然后存入数据库中【5 】。试验系统如图3 1 所示【3 引。 ，1 3 l 机体；2 凸轮轴；3 直流电源；4 转角编码器；5 直流电机；6 弹性联轴节：7 气门 图3 1 配气机构动力学特性试验系统 气门加速度数据由压电式加速度传感器测得，对其积分可得到气门速度。在加速度数据 1 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 采集试验中，设定每次连续采集2 0 循环，每循环作1 0 2 4 次采样。试验设备参数见表3 1 ，表 3 2 为试验用发动机参数。 表3 1 数据采集系统参数 表3 2 被测试柴油机主要参数 标定功率( k w ) 标定转速( m 1 1 i n ) 怠速( 枷n ) 飞车转速( r l ：n i n ) 进气凸轮升程 排气凸轮升程 冷态安装气门间隙 发火顺序 冷态气门间隙( 衄) 配气相位 每缸气门数 摇臂比 2 2 0 k w 2 2 0 0 r l n i n 8 0 0 r n l i n 2 4 0 0 i a i l i n 8 4 8 1 0 m m 9 4 9 2 0 0 3 m m 1 - 5 3 6 2 - 4 进气门0 5排气门0 5 进气开上止点前1 7 。 进气关下止点后2 6 。 排气开下止点前5 5 。 排气关上止点后1 4 9 迸气门2 排气门2 进气摇臂 6 2 5 3 8 排气摇臂4 1 3 2 9 5 3 2 气门加速度数据测量 实验中采用c a - y d 1 0 3 加速度传感器对气门加速度信号进行采集。加速度传感器由铝制 1 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 螺栓柱固定在气门端面中心，加速度传感器重量约为1 4 9 ，铝制螺柱重量约为l g 。为减少采 集气门加速度信号时所受到的机械干扰，在发动机缸体上只安装1 缸配气机构，使用电动机 直接驱动配气机构凸轮轴，电动机调节范围6 0 0 1 5 0 0 岫气门间隙为0 0 7 5m 【i l o 1