发动机配气机构优化改进设计_图文

1、湖南大学硕士学位论文发动机配气机构优化改进设计姓名：冯仁华申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：杨靖20090310发动机配气机构优化改进设计摘要配气机构作为发动机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到发动机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着发动机高功率、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。模拟计算凸轮型线使之与发动机性能相匹配是研究优化配气机构的一种重要手段。本文在充分研究了与本研究课题

2、相关的国内外文献基础上，系统地总结了发动机配气机构的发展现状，对配气凸轮评价指标以及配气机构运动学、动力学分析做了较详细的研究。通过应用软件，建立了本项目汽油机配气机构运动学及动力学模型，并进行了计算分析，找出了原配气机构存在的问题，并结合厂家对发动机性能匹配的要求，改进设计了配气凸轮型线。通过对发动机进行性能仿真计算，换改进设计的凸轮型线后，发动机标定功率、最大转矩均比原机有所提高，达到了厂家的预期目标要求，目前正在新凸轮型线的加工过程中，之后我们将通过样机台架试验证实本研究结论的正确性。本文主要研究工作包括：（）应用软件建立了相应的配气机构运动学和动力学模型，计算分析表明原机进、排气门开启

3、和关闭不够迅速，进、排气门升程丰满系数和时间断面值低，不利于发动机获得较高的充气效率；进、排气气门的最大跃度值超过了正常的范围，使整个配气机构的振动加剧；进、排气凸轮与挺柱的接触应力较大，使得凸轮与挺柱的磨损大；进、排气凸轮与挺柱间的润滑系数偏小，因此进、排气凸轮与挺柱的液体动力学润滑条件不理想。本文针对这些问题提出了配气凸轮型线改进设计的措施和途径。（）对配气凸轮型线设计的主要影响因素的探讨，并提出了优化设计方案。重新设计了进、排气凸轮型线。采用新设计的凸轮型线后，配气机构运动学、动力学特性得到改善，解决了原机配气机构存在的问题。（）应用软件对发动机进行性能仿真模拟计算，结果显示改进后发动机

4、的标定功率、最大转矩等性能均比原机有所提高，达到了厂家的预期目标要求。关键词：发动机；配气机构：凸轮型线；优化设计；性能仿真硕十学位论文，？，“：（），酊，伍，（）矗，曲。豫，（）士，。：；。；发动机配气机构优化改进设计附表索引表发动机配气机构基本参数表原机配气机构主要技术参数表原机配气机构主要性能参数表凸轮型线方程组所需参数表换型线后配气机构主要技术参数表换型线后配气机构主要性能参数表原机和换型线后配气机构性能参数对比一表原机参数及优化后目标水平”表原机试验值、原机模拟值、目标值和优化后的转矩和功率硕士学位论文插图索引图单质量模型图二质量模型图多质量模型图配气机构单元有限元模型图配气机构优化

5、设计流程图图发动机配气机构结构简图图配气机构进气部分运动学模型图配气机构动力学模型“图气门弹簧刚度计算简图图气门的有限元网格图气门的有限元计算图原机凸轮型线图缸内压力曲线图排气道压力曲线图原机进气门运动学升程、速度及加速度曲线图原机排气门运动学升程、速度及加速度曲线图原机进气门跃度曲线图原机排气门跃度曲线图原机进气凸轮与挺柱接触应力曲线图原机排气凸轮与挺柱接触应力曲线图原机进气凸轮曲率半径曲线图图原机排气凸轮曲率半径曲线图原机进气凸轮与挺柱的润滑系数曲线图原机排气凸轮与挺柱的润滑系数曲线图原机进气门弹簧裕度图原机排气门弹簧裕度图原机进气凸轮引起的转矩曲线图原机排气凸轮引起的转矩曲线”发动机配气

6、机构优化改进设计图发动机转速时原机进、排气门升程曲线图发动机转速时原机进、排气门速度曲线图发动机转速时原机进、排气门加速度曲线”图发动机转速时原机进、排气门座受力曲线图发动机转速时原机进、排气凸轮与挺柱接触应力曲线”图发动机转速时原机进、排气门弹簧升程曲线”图发动机转速时原机进气门弹簧受力曲线图发动机转速时原机排气门弹簧受力曲线“图等加速凸轮加速度曲线示意图图进气凸轮缓冲段参数设置一图排气凸轮缓冲段参数设置图进气凸轮工作段参数设置图排气凸轮工作段参数设置”图新设计的进、排气凸轮升程曲线图换新设计的型线后进气门运动学升程、速度及加速度曲线图换新设计的型线后排气门运动学升程、速度及加速度曲线图换凸

7、轮型线后进气门跃度曲线图换凸轮型线后排气门跃度曲线图新设计进气凸轮与挺柱接触应力曲线“图新设计排气凸轮与挺柱接触应力曲线图新设计进气凸轮曲率半径曲线图新设计排气凸轮曲率半径曲线图新设计进气凸轮与挺柱的润滑系数图新设计排气凸轮与挺柱的润滑系数图换新设计的型线后进气门弹簧裕度图换新设计的型线后排气门弹簧裕度图新设计进气凸轮引起的转矩曲线¨，图新设计排气凸轮引起的转矩曲线一图换型线后发动机转速时进、排气门升程曲线¨？图换型线后发动机转速时进、排气门速度曲线图换型线后发动机转速时进、排气门加速度曲线硕上学位论文图换型线后发动机转速时进、排气门座受力曲线图换型线后发动机转速时进、排气

8、门升程曲线一图换型线后发动机转速时进、排气门弹簧升程曲线图换型线后发动机转速时进气门弹簧受力曲线”图换型线后发动机转速时排气门弹簧受力曲线”图凸轮型线对比图发动机模拟计算模型“图气道流量系数一图原机气门升程及配气相位图原机转矩试验值和模拟值对比“图原机功率试验值和模拟值对比图原机转矩试验值、模拟值及优化后模拟值对比图原机标定功率试验值、模拟值及优化后模拟值对比湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文

9、中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：马仁擘日期：刀听年弓月加日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保密口，在、不保密回。（请在以上相应方框内打“”）年解密后适用本授权书。作者签名：均仁窜日期：斫年多月肜日导师虢馅钙吼舢夕年肋日硕士学位论文第章绪论论文研究的目的和意义当前，世界面临最严峻的挑战是能源

10、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。发动机作为现代社会的重要动力装备，无论是飞机、舰艇还是车辆，都离不开它。它所发出的功率占全世界所有动力装备总功率的以上，消耗的燃料占石油燃料的以上；同时，它也是人类最大的环境污染源之一，它所排放的废气约占工业废气的左右。因此，从节约能源和保护环境的角度出发，人们对其性能提出了愈来愈苛刻的要求，既要输出功率大（动力性好）、比燃料消耗少（经济性优），又要符合日益严格的排放法规要求（低污染甚至零排放）。影响这些性能的因素是多方面的，无论对压燃式还是点燃

11、式发动机，无论对二冲程还是四冲程发动机，其中配气机构又是众多因素中影响十分重要的因素之一。配气机构是发动机的重要组成部分。它的功能是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和发火次序的要求，定时开启和关闭进、排气门，使新鲜充量（汽油机为可燃混合气、柴油机为空气）得以及时充分地进入气缸，而废气得以及时彻底地从气缸排出【】。一台发动机的动力性能、经济性能是否优越，工作是否可靠，噪声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的关系【】。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，即具有较大的充气效率，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运动学、动

12、力学性能，工作时运动平稳，振动和噪声较小，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变化规律，以及合适的正、负加速度值。发动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【。很长一段时间里，人们设计发动机配气凸轮的方法是根据已定的基本参数以及以往的设计经验和资料，先设计出凸轮的几何形状，然后通过机构运动学计算，求出凸轮从动件运动规律，检查它是否符合设计要求。显然，这种设计方法带有一定的盲目性，并且由于凸轮外形轮廓通常由几段不同半径的圆弧或直线相接而成，因此在交接点处，凸轮外形曲率半径突变，相应的从动件运动规律不能满足发动机向高速发展

13、的要求，配气机构的工作平稳性和耐久性较差。为了克服以上缺点，目前在设计配气凸轮外形时，可把配气机构视为刚体，且一般是根据给定的基本参数先制定出理想的气门运动规律，其特点是可以满足加速度度曲线的连续性，有尽可能大的气流通过发动机配气机构优化改进设计能力，有较好的配气机构动力性能等，然后再审查相应的凸轮几何外形是否实现预期的运动规律。具有以上运动规律的任何凸轮，都称为无冲击凸轮【。随着计算机技术的不断发展和进步，（）正成为发动机现代设计与研究方法发展的主流。本文是基于平台，对国内某厂家的某一款四缸汽油机配气机构进行研究和优化改进设计，把理论分析与工程应用融合起来，在产品改进设计中起到了很好的辅助作

14、用，也为以后的学习和工作积累了经验。发动机配气机构技术现状配气机构作为发动机的重要组成部分，其性能好坏对发动机的性能指标有着很重要的影响，我们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，提出了一些新的研究课题【】。这就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。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。四冲程发动机大多采用气门一凸轮式

15、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【。顶置凸轮轴式配气机构气门机构按凸轮轴的放置位置分成顶置凸轮轴型、中置凸轮轴型和下置凸轮轴型。下置凸轮轴型凸轮轴装在曲轴箱内，可以简单地用一对齿轮传动，应用较广，但由于零件多，传动链长，整个机构刚度差。这种机构在发动机高速运转时，会产生较大的惯性力、振动及噪声，消耗较大的动力，并且可能破坏气门的运动规律和气门配气正时。中置凸轮轴型配气机构为了减小气门传动机构的往复运动质量，可将凸轮轴的位置移到气缸体的上部，由凸轮轴经过挺柱直接驱动摇臂

16、而省去推杆。该形式的配气机构因曲轴与凸轮轴的中心线距离较远，一般要在中间加入一个中间齿轮（惰轮）。顶置凸轮轴型凸轮轴布置在气缸盖上，往复运动的质量大为减小，对凸轮轴和气门弹簧的要求也最低，高速时气门工作良好，零件惯性力极小，工作平稳，因此它适用于高速强化发动机【】。顶置凸轮轴型分为单顶置（）和双顶置凸轮轴（）。单顶置凸轮轴在气缸盖上用一根凸根轴直接驱动进、排气门，它具有结构简单的特点，适用于高速发动机，而双顶置凸轮轴采用两根凸轮轴来分别驱动进、排气门，采用双顶置凸轮轴对凸轮轴和气门硕士学位论文弹簧的设计要求不高，特别适用于气门形配置的半球形燃烧室，也便于和多气门配气机构配合使用【。配气机构采用

17、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，将发动机的结构变得更加紧凑，使配气系统可在很高的转速下正常工作。在国内，很多汽油机已采用顶置凸轮轴配气机构，相应的技术研究也取得了较大的突破【。多气门配气机构最初出现的多气门发动机，仅用于赛车，主要是为了降低排气门的机械负荷和热负荷，但由于制造技术不够成熟，没有在发动机制造业得到推广。当前应用多气门发动机的主要目的是提高功率，随着汽车发动机的转速越来越高，传统的两气门已经不能胜任在短促的时间内完成换气工作，限制了发动机性能的提高。解决这个问题的方法只能是扩大气体出入的空间，换句话就是用空间换取时间。

18、多气门技术是解决问题的最好方法，直至年代推广多气门技术才使发动机的整体质量有了一次质的飞跃。多气门发动机具有很明显的优势，它不只是增加了进、排气流动面积，减小了流动阻力损失。对于汽油机，多气门技术可以使火花塞中央布置，以缩短火焰传播距离，提高抗爆性，因而可以采用更高的压缩比，提高汽油机的燃油经济性。对于柴油机，可以实现喷油器的垂直中置，对混合气形成和空气利用也极为有利【。多气门发动机不仅提高了发动机功率和燃油经济性，在减少排污方面也有很好的潜力【。促进发动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

19、配气方案的优越性，保证发动机在整个负荷和速度范围内形成最佳混合气，并适时适度地送入气缸等【】。多气门发动机具有两气门发动机无法比拟的优越性，世界各国的汽车发动机制造业都将转向多气门发动机的制造，多气门配气方式是发动机配气机构发展的必然趋势捧。可变配气系统技术发动机的配气相位和转速对充量系数有较大的影响，为获得最大的充量系数，减少泵气损失，比较理想的进气系统，应满足以下要求：（）低速时，采用较小的气门重叠角以及较小的气门升程，防止出现缸内新鲜充量向进气系统的倒流，以增加低速时转矩，提高燃油经济性；（）高速时应具有最大的气门升程和进气迟闭角，以最大程度地减小流动阻力，并充分利用过后充气，提高充量系

20、数，满足发动机高速时动力性要求；（）配合以上变化，进气门从开启到关闭的进气持续角也进行相应的调整，以实现最佳的进气正时，将泵气损失降到最低。理想的气门正时和升程规律应当根据发动机的运转工况及时作出调整，气门驱动机构应具有足够的灵活性。传统的凸轮气门驱动机构很难满足发动机在全速发动机配气机构优化改进设计运行时有合适的配气相位和气门升程，严重影响着发动机的工作性能。采用无凸轮电液、电磁、电气或其他的气门驱动方式，可完全控制配气相位和气门升程，从而提高发动机的动力性和经济性，降低排放。但无凸轮气门驱动大都还处于实验研究进程，要广泛的应用于发动机还需要更多的投入。目前商品化的可变配气系统主要是机械式的

21、，分为可变凸轮机构（和可变气门正时，（，缩写），缩写）及其组合，这样基本可以实现可变气门正时、可变气门升程和可变气门持续角等功能。可变凸轮机构可变凸轮机构一般都是通过两套凸轮或摇臂来实现气门升程与持续角的变化，即在高速时采用高速凸轮，气门升程与持续角都较大，而在低速时切换到低速凸轮，升程和持续角均较小。采用可变凸轮机构与传统的配气机构的性能相比，发动机的低速转矩和高速性能都能得到显著的改善【可变气门正时。系统通过改变发动机气门的开启关闭时刻来迎合进气压力波动的变化特征，从而使迸气压力波动效应更有效地与发动机在不同工况下换气过程的需要匹配。目前气门定时的可变范围在左右，个别系统已达到。技术主要应

22、用在汽油机上，一般情况下，采用进气对汽油机外特性的最大转矩与最大功率的改善可达。采用技术也可以降低汽油机部分负荷下的比油耗。由于汽油机的负荷调节方式是量调节，即在部分负荷下通过降低进气压力来控制进气量与功率输出。这一原理在汽油机部分负荷运行时将产生很大的泵气损失，且汽油机负荷越小，泵气损失越大。采用进气能有效地减小泵气损失，即可通过进气门晚关的方式，将部分吸入气缸内的新鲜空气量再推出回进气道来实现缸内新鲜空气的控制量（循环）；或者采用进气门早开早关的方式，使部分缸内残余废气先回流进入进气道，然后再吸入气缸，以减小新鲜空气量来实现其量的控制。无论是采用的早开早关还是晚开晚关方式，均能降低进气系统

23、的真空度，减小泵气损失。试验结果表明，采用进气后可降低整车油耗达左右。采用排气后，不仅可以对进气的工作范围的不足作为一种补充，扩大汽油机的最佳工作范围，更重要的是排气可有效地通过控制缸内量来部分实现缸内净化（控制），并有可能取代缸外装置。根据相关资料表明，采用排气后对整车油耗水平的改善，可在进气的基础上进一步降低。此外，技术对汽油机原排放的缸内净化作用也十分显著：由于可控制缸内以及气门重叠角，既可控制大负荷时的燃烧温度来抑制生成，又可提高汽油机的怠速以及中、低负荷的燃烧稳定性而大幅度降低和的原排硕士学位论文放。根据相关资料表明，采用进气和排气双技术后在美国联邦道路循环工况下，汽油机原排放可降低

24、，与可降低。目前国外生产的汽油机绝大多数已采用进气与排气双技术，而国内目前生产的带技术的汽油机比重较低（估计在左右），并且大部分均只采用进气（），但随着对排放水平越来越严格的要求，总的趋势是向双发展。课题来源及本文的主要内容本论文研究的是某汽油机升级阶段优化设计项目中的一部分，本文主要针对该汽油配气机构进行分析、研究和改进。利用公司开发的中的模块对原机配气机构进行运动学、动力学分析，找出其存在的问题；针对其存在的问题，并结合厂家对改进后发动机性能的要求，重新设计进、排气凸轮型线，改善其机械性能；然后利用软件对发动机整机性能进行模拟计算，使改进后发动机的性能达到预期的目标要求。本文的主要内容包括

25、：（）介绍论文研究的目的和意义，阐述发动机配气机构技术现状；（）介绍发动机配气凸轮型线设计方法、设计准则、配气机构运动学、动力学分析手段和方法；（）利用软件建立该汽油机配气机构运动学、动力学模型，并对其进行运动学、动力学计算分析，找出原配气机构存在的问题；（）针对原机配气机构存在的问题，并结合厂家对改进后发动机的性能要求，重新设计进排气凸轮型线，并对改进后配气机构进行运动学、动力学分析，并得出结论；（）利用软件建立发动机性能模拟计算模型，对原机和优化改进后发动机的性能进行模拟计算，使改进后发动机性能达到预期目标。本章小结（）指出了论文研究的目的和意义；（）介绍了配气机构在发动机中的重要地位和作

26、用；（）较详细地介绍了发动机配气机构的技术现状；（）指出了本论文的课题来源和主要工作内容。发动机配气机构优化改进设计第章配气凸轮设计及配气机构计算分析配气凸轮设计整个发动机配气机构是由配气凸轮驱动的，配气凸轮的优化设计的优劣不但对整个配气机构的性能起着决定性的作用，而且直接影响到其动力性，经济性，可靠性，振动，噪声与排放特性的好坏【】。因此，配气凸轮的设计需遵循一些准则。配气凸轮设计准则配气机构的设计最重要的就是配气凸轮的设计。配气凸轮的设计，主要是设计其廓形，应当遵循以下准则。准确的配气正时配气定时是影响发动机换气品质的主要因素之一】。进、排气门开启、关闭时刻（即配气定时），必须与进、排气门

27、开启规律、气道设计、管道内气体流动状态、扫气要求、换气功损失等相适应。配气凸轮型线设计时，应选取恰当的缓冲段高度及缓冲段包角，保证准确的配气正时。实际上由于机构存在变形等原因，一般很难做到准确，气门启闭时刻与理想状态总会有些误差，只要误差在允许范围内即可【。良好的换气性能能否做到排气彻底、进气充分的衡量标准通常看反映气流通过能力大小的“气门瞬时开启面积或“时间断面的大小【。假设当凸轮转角为口时，气门升程（即位移）为，则（口），此时气门的通路面积为：瓦（口）万（口）万），（口）（）式中：一气门座面内径；一为气门座面角。气门开启的时间断面为）的积分，即：，）矽甜蒯。矽口万。厂厂，矽口式中：口一气门

28、开启瞬时的凸轮轴转角；口。一气门关闭时的凸轮轴转角。（）为了便于比较各种工作段包角和最大升程的各种凸轮型线对充气性能的影响效果，我们可用丰满系数作为评价指标。善少（口缸（一口）（）硕上学位论文式中：。一气门最大升程。一般认为丰满系数较大对充气性能上有利的，但如果一味追求大的丰满系数而使机构产生较大冲击，则可靠性和平稳性将变得很差，最终也就无法保证得到良好的充气性能【】。工作平稳，振动和噪声较小配气机构的平稳性，以及是否存在飞脱和落座反跳等现象，需要通过配气机构动力学计算来验证【】。要确保配气机构动力学响应形态较好，配气机构挺柱升程乃位）曲线应满足一些基本的要求：（）挺柱升程办缸）曲线应有较好的

29、光滑性，即办）的二阶、三阶以至更高阶导数连续；（）挺柱最大正加速度和最大负加速度的数值均不能过大，脉冲（三阶导数）的最大值也不要过大；（）挺柱正加速度段的宽度与配气机构的自振周期间应有较好的配合，一般讲，正加速度宽度不应太小；（）缓冲段高度应选择合适，由气门间隙及配气机构结构决定。这里往往用气门加速度曲线变化率的最大值来评价气门运动的平稳性。气门运动加速度变化率最大值定义为最大跃度值。一般最大跃度值小于时，表明气门运动具有较好的平稳性【¨。最大接触应力不应过大配气凸轮与挺柱是发动机中一对重要的摩擦副，很容易发生过早磨损、擦伤、劈裂等故障。在设计阶段要对凸轮与挺柱间接触应力进行计算和校

30、核。计算时，可以将配气机构看作刚性，从运动学角度计算凸轮与挺柱间的接触应力，也可以将配气机构看作是弹性机构，从动力学角度计算凸轮与挺柱间的接触应力。将凸轮与挺柱看成不同材料的两个金属柱体，两者间作线接触，其接触应力可按下公式计算【】：、吼届岛届岛，彳店、形（）式中：一凸轮与挺柱间的法向作用力；外岛一分别为凸轮与挺柱在接触点的曲率半径；巨、丘一分别为凸轮与挺柱材料的弹性模量：“、：一分别为相应材料的泊松比；形一接触线宽度。如取“讹，则有：发动机配气机构优化改进设计删悟睁去式中：一平均弹性模量，云。，十乜他，在式（）和式（）中，对于从动件为平面挺柱的情形，有：吼观。堕形（）凸轮的曲率半径印可以这样

31、计算：岛民“（咖筹式中：风一凸轮的基圆半径；乃（口）一挺柱升程曲线。（）采用运动学方式计算配气凸轮与挺柱间接触应力时，凸轮与挺柱间法向作用力取作传递到凸轮上的弹簧力只和换算至挺柱处的配气机构运动零件惯性力瓦之和。，目（）采用动力学模型求解配气凸轮与挺柱间接触应力时，凸轮与挺柱间法向作用力包括三部分，有凸轮直接驱动的挺柱及半个推杆质量聊的惯性力瓦、配气机构弹性恢复力、阻尼力。瓦缈筹娩（咖肠嗉口口（）式中：）一配气机构的变形量，以）位）一），需要通过配气机构动力学计算得到。由式（）、（）或（）可看出，由于和岛都是口的函数，所以吒也是口的函数，即在凸轮与挺柱的不同接触点，吒值是不同的，一般吒的最大值

32、较易发生在凸轮曲率半径的最小处。设计凸轮时，应避免其最小曲率半径过小，因为这样会导致接触应力过大，并会使凸轮过早磨损，一般认为岛的最小值应【¨。凸轮与挺柱采用不同材料，二者之间允许接触应力大小不一样，降低凸轮与挺柱之间的接触应力，使其低于材料允许的接触应力范围，可以缓解凸轮与挺柱间的磨损。对于低速发动机而言，配气凸轮与挺柱间接触应力用两种不同计算方法得到的结果相差不大，因此两种方法都可以使用。对于高速发动机而言，两种方法得到的接触应力有一定的差别，动力学方法计算结果更接近真实值【。一般而言，在设计阶段都采用运动学分析方法计算凸轮与挺柱间的接触应力。凸轮应有良好的润滑特性进行凸轮型线设

33、计时，正确地选择凸轮的某些参数，使凸轮与挺柱处于较好硕上学位论文的润滑状态，以提高凸轮与挺柱摩擦副的可靠性与寿命。这里用润滑特性参数一流体动力评价特性数，作为凸轮润滑的评价指标【。凸轮与平面挺柱的油膜厚度简化公式瓯。氏（吃）（）式中：一凸轮基圆半径（）；砖一挺柱升程（）；一接触点处凸轮廓线曲率半径（）；一常数。其中流体动力评价特性参数，定义为：，赤（）此特性参数，即为本文后面所指的油膜润滑系数。从式（）、（）可以看出，当，或时，瓦虹。，和实际上是凸轮转角口的函数，当口在凸轮工作段范围内变化时，的情形实际上不会出现，但在，对加速度连续变化的凸轮是难于避免的，总会在某一时刻达到。为了避免润滑特性的

34、恶化，一般希望值在附近只停留较短的时间。综合考虑到凸轮型线设计的其它方面要求，推荐在凸轮桃尖部分附近士凸轮转角范围内，油膜润滑系数在，范围内，可以保证凸轮与平面挺柱间良好的润滑效果¨。气门与活塞不能发生干涉凸轮型线确定后需校核气门与活塞运动时是否发生干涉。计算随着凸轮转角和曲轴转角的变化，气门与活塞之间的相对距离，最终判断在整个工作过程中，气门是否与活塞发生碰撞】。以上各条准则是相互制约的，因而配气凸轮设计时必须要针对发动机具体特点，注意协调各方面的特性，不能片面强调某一方面而忽视其它方面。配气机构优化设计模型对于现代高速发动机，传统的配气机构运动学计算不足以准确地描述各传动零部件的

35、运动规律，必须考虑弹性变形。因此在进行配气凸轮机构设计时必须引入动力学计算模型。下面介绍一下单质量模型、二质量模型、多质量模型和有限元模型）。单质量模型单质量模型就是单自由度质量一弹簧振动模型，简称单质量模型，如图所示。单质量模型把气门的运动用一个集中质量的运动来描述（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发动机配气机构优化改进设计为，的气门弹簧与气缸盖联结，而另一端联结一假想刚度为的“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

36、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等，就无法由单自由度模型的分析得到【，引。图单质量模型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和，如图所示。其中，质量包括挺柱和推杆的质量。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，这样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学特性的影响。有关挺柱对配气机构动力学特性的影响，除了分析气门以外，还要分析挺柱与推杆接触点的运动规律。或者分析摇臂刚度

37、值和阻尼值的变化规律对配气机构动力学特性的影响【，。图二质量模型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，特别是气门的振动时，有时还进行多自由度模型动力学分析。多自由度模型把驱动机构中的挺柱、推杆、摇臂、气门用四个集中质量来代替，把内、外弹簧各用、个集中质量来代替，一般每一个弹簧圈作为一个集中质量，各质量间以具有当硕士学位论文量刚度的无质量弹簧相联结，这种计算模型可称为“自由度质量模型，如图所示。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。由于计算耗时太多，一般只在气门弹簧振动十分严重的工况下才进行多自由度系统计算和分析【引。图多质量模型有限元模型近些年来

38、随着有限元技术的成熟和发展，采用有限元模型对配气机构进行动力学分析，可以得到振形、自振频率和弹簧的振动，以及整个配气机构的动力学特性。配气机构有限元模型与单质量模型相比有一定的优越性，可以计算出配气机构各零件的位移、速度、加速度、零件的接触应力和变形。我们在研究气门振动的情况下，描述气门振动对配气机构工作可靠性和使用寿命的影响等方面往往使用有限元模型计算方法。配气凸轮优化设计方法发动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、挺柱与凸轮间的接触应力、摩擦应力等。在研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副间的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等方

39、面上，国内外都有很大的发展】。发动机配气凸轮优化设计的优劣直接影响到其动力性、经济性、可靠性、振动、噪声与排放特性的好坏【】。对于进气凸轮而言，同样配气相位时，气门升程丰满系数越大，则进气量越多，发动机的动力性能与经济性能越好；凸轮型线的圆滑性越好，则冲击、振动与噪声越小；凸轮与挺柱间的接触应力越小，润滑特性越好，配气机构摩擦磨损越小，则寿命越长。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。凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力发动机配气机构优化改进设计学优化设计，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

40、，并统一考虑机构动态参数对凸轮型线的影响，从而实现凸轮型线优化设计【，。静态优化设计在静态优化设计中，将配气机构看成绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形。用此方法设计凸轮型线主要用三项指标来判别其好坏。（）静态充气性能。通常用挺柱升程丰满系数和时面值来表示，希望此值越大越好：（）静态加速度峰值。即挺柱最大正加速度和最大负加速度，也就是说和。的绝对值越小，高速动态性能越好；（）凸轮廊面最小曲率半径，或者凸轮与挺柱间的接触应力。设计凸轮时，应避免其最小曲率半径过小，这样会导致接触应力很大，并会使凸轮过早磨损，一般认为最小曲率半径应【】，但工程上为了进一步较小凸轮的磨损，一般要求最小曲率半径。用静态优化设计法设计的圆弧凸轮，虽然加速度曲线不连续，配气机构惯性力有突变，但有较大时面值。对转速不高的发动机来说，它所引起的振动和噪声较小，故在较低转速的发动机上还有一定的使用价值。但随着发动机转速的提高，振动和噪声趋向严重。为解决此问题，人们又用此法设计了函数凸轮，如复合正弦凸轮及复合摆线凸轮等。这类凸轮型线变化形式较多，但其加速度曲线都是连续的。当发动机转速进一步提高时，配气机构的弹性变形引起气门剧烈振动，严重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了发动机的振