车用发动机配气机构运动学和动力学分析
发动机配气机构动力学分析
发 动机 配气机构动力学分析
刘 晓 勇 ，董 小瑞
（ 中北 大 学 机 电 工程 学 院 ， 山 西 太 原 ００５） ３０ １
擒要 ：建立了配气机构单 自由度 动力 学模型 ，并用 Ⅳ 次谐波凸轮法拟合 了凸轮升程 ，采用龙格一库塔求解动 力学微分方程 ， 并进行 了实例验证 ， 得到 了某型号 配气 机构气 门的升程 、速度 、加速度 ，计算结果表明该 机构
由当量 凸轮控 制 ， 刚度 Ｋ 以通过 试 验测定 ， 可 以 可 也 通过 有 限元 软 件建 立系统 的实 体模 型 ， 出理 论刚 度 ； 算 ｈ ｒ是机构 为 刚性 时气 门的升 程 ，当系统摇 臂 比为 常数 时 ，ｈ ｒ就是 凸轮 升程 与摇臂 比的乘积 ； ｈ 为气 门实 际
图 １为典 型 的配气 机构 动力学 模型 ， １ｂ 中把 图 （）
Ｍｙ—— 推 杆质 量 。
臂
气 门弹
气门
气 门 的运 动 用一 个 当量质 量 Ｍ 的运 动来 Ｋｚ 的气 门弹 簧与气 缸 盖 连接 ，而 另 端连 接 ・假 想 的刚 度 为 Ｋ 的弹 簧 ，弹簧 的另一 端
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第 ６期 （ 第 １ ５ ） 总 ４期
２０ ０ ７年 １ ２月
机 械 工 程 与 自 动 化
ＭＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩ ＯＮ
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ ．
文章 编 号 ：６ ２６ １ （０ ７０ —０ ８０ １ ７ —４ ３２ ０ ）６０ ６ —３
收稿 日期 ｌ ０ ７０ －２ ２ ０ －５２ ，修回 日期 ｌ ０ ７０—２ ２ ０— ６２
作 者 简 介 ｔ刘 晓 勇 （９ ０） 男 ， 西 平遥 人 ， 教 ， 士 研 究 生 。 １ ８－ ， 山 助 硕
发动机配气机构运动学及动力学分析
重庆大学本科学生毕业设计（论文）发动机配气机构运动学及动力学分析学生：黎明学号：********指导教师：阮登芳（教授）专业：车辆工程重庆大学车辆工程学院二零一七年五月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityKinematics and dynamics analysis forengine valve trainUndergraduate: Li MingSupervisor: Prof. Ruan DengfangMajor: Vehicle EngineeringCollege of Vehicle EngineeringChongqing UniversityMay 2017摘要配气机构是发动机的重要组成部分，其设计的合理与否直接影响到发动机的充气效率以及换气质量，因此对发动机的动力性、燃油经济性、可靠性、有害物质排放、发动机噪声和振动有较大的影响[1]。
而顶置凸轮轴式配气机构由于能适应更高的转速而在许多小型汽油机中广泛使用。
但是顶置凸轮轴由于摇臂传动比是变值，所以其几何关系要复杂很多[2]。
本文在已知凸轮对摇臂的运动规律的条件下，针对某125发动机的配气机构，经理论分析运动学规律，并用matlab计算出其气门对转角的理论升程、速度、加速度。
在考虑气门间隙及传动机构变形的影响下，建立配气机构运动的单自由度模型，得出运动二阶微分方程。
利用matlab采用龙格——库塔法计算出气门的实际运动规律，对比气门实际升程和理论升程，对该发动机配气机构的“飞脱”、“反跳”以及运转的平稳性进行动力学特性评价。
从而完成了整个配气机构的运动学及动力学计算。
关键词：运动学，动力学，配气机构，matlab，龙格库塔法ABSTRACTValve train is an important part of the engine, which has directly affect to the engine's volumetric efficiency and the quality of ventilation, so there is also a greater influence to the engine power, fuel economy, reliability, emissions of harmful substances, engine noise and vibration. Because the overhead camshaft valve train can adapt to the higher speed, it is widely used in many small gasoline engine. But for the overhead camshaft, the drive ratio of the rocker is changed by the time, so it has a more complex geometry realationship. With knowing the law of motion of cam on the rocker's condition, in the article, the displacement of the valve is calculated. In considering the valve clearance and the drive mechanism under the influence of deformation, the actual valve movement rule is calculated by using the Runge - Kutta method, and the running speed is calculated with the conditions that the transmission chain is flying off and rebound which are not in the normal conditions. Then the kinematics and dynamics calculations of the valve train are completed. And on this basis, with joining the modal analysis of the valve, the theoretical basis for the valve train design are provided.A valve train of a 125 motorcycle engine is chosen for the object of study in this subject.Key words：Valve train, Kinematics, Dynamics,Matlab目录摘要 (I)ABSTRACT .......................................................................................................................... I I一、绪论 (1)1.1课题研究意义 (1)1.2课题国内外研究状况 (2)1.2.1国外研究现状 (2)1.2.2国内研究现状 (3)1.3课题研究背景 (3)1.4课题研究内容 (4)二、气门机构的主要设计要求 (6)三、运动学分析 (8)3.1凸轮廓线预处理 (8)3.2气门理论运动规律与凸轮轮廓的关系 (9)3.3运动学理论分析后的计算结果 (11)四、动力学分析 (13)4.1动力学理论分析 (13)4.2摇臂比i (15)4.3摇臂刚度计算 (16)4.4解动力学微分方程 (17)4.5动力学分析结果 (19)五、动力学特性评价 (24)5.1“飞脱”和“反跳” (24)5.2各参数对配气系统的影响 (24)六、结论 (26)七、展望 (27)致谢 (28)附录A：matlab运动学分析程序 (29)附录B:动力学分析计算基本程序 (30)参考文献 (31)一、绪论本课题以某125型摩托车发动机的顶置凸轮式配气机构为研究对象，分别对其进行了运动学分析、刚度计算、以及动力学分析，并由所得到的数据对该机构进行动力学评估，为该发动机配气机构的合理设计奠定基础。
基于ADAMS的发动机配气机构动力学分析
《装备制造技术》２０１０年第９期配气机构作为内燃机三大机构之一，其主要功能是实现发动机的换气过程，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。
现今对于发动机配气机构的设计，一方面希望气门加速度越大，以使气门迅速开关，从而达到最好的换气效果，以提高动力性和经济性；另一方面，希望载荷保持相对较小，以减小加速度，从而减小振动和噪音，并延长使用寿命。
这样的矛盾要求，给配气机构的设计带来困难，因此需要精心设计进排气门的升程曲线，以达到最优设计。
内燃机配气机构的传统开发方法，往往是多方案的比较和试凑过程，在无物理样机的初始开发阶段，不但难以满足这样复杂的设计要求，而且反复进行实物试验，会延长研发周期和增加开发成本，同时对进行频繁的试验，也是不现实的。
而通常配气机构的运动学、动力学计算，仅是把机构当作一个弹性振动系统，模型可以是单质量模型或多质量模型，虽然大体上能满足描述气门运动规律的要求，但是这种方法可视化较差，无法直观地反映出各构件的运动情况，并且某些机构的刚度和阻尼参数，必须通过实测或分析计算才能得到，质量也需要经过折算，这不仅增加了建模的难度，而且也影响分析的精度，其应用范围受到限制。
为此，人们相继把多体动力学和虚拟样机技术，应用到配气机构的动力学分析中。
本文就是在这样的背景下，以多体动力学为理论基础，采用虚拟样机技术，应用ＡＤＡＭＳ软件，进行了发动机配气机构的建模与仿真，从而得到整个系统协调下的运动规律和动力学特性。
利用该种方法建立的配气机构多体动力学模型，不但能很好地描述配气机构动力学特性，而且具有极佳的可视化效果，为提高今后产品自主开发能力起到积极的作用。
１配气机构多体动力学方程以多体动力学理论中的拉格朗日方程为理论基础，建立配气系统的动力学方程。
对于机构中的刚体i ，采用质心在惯性参考系中的笛卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，即q i ＝［x ，y ，z ，准，θ，φ]Ti ，q =［q １T，q ２T，q n T ］T（１）接着建立这个系统的约束方程和作用力方程，并将它们也都写成广义坐标的表达式，最后应用拉格朗日乘子法，建立系统的运动微分方程，如下所示。
4105QB柴油机配气机构的机理分析及优化设计
它 与 气 门之
气 门的运 动规律 和 发动机 的配 气相 位
收 稿 日期
：
。
配 气机 13
雌 蝮
动机 配 气 的精度 排放水平 等
一
囝
，
影 响 到 发 动 机 的动 力 性 能
。
、
燃 油 消耗 和
系列 经 济技术 指标
5 原 4 1 0 5 QB 型 柴 油 机 外 特 性
，
影 响可 靠性
析
，
耐 久 性 的 因 素 十分 复 杂
因而 对 配 气 凸 轮及 机 构 的综合优
多
化研 究非常重 要
口]
。
数样 机 凸 轮 型 线 设 计 采 用 的 是 高 次 方 型 线
一
。
进 气 门下 降段
以 往 的设 计 方 法 是 凭 经 验 提 出
个 设 计方 案
，
，
然后 进
，
缓 冲 段 升 程 为 0 2 14 m
，
，
建立 了 可 行 的气 门数学 模 型
。
多元 影 响 因 素
凸轮型线
；
采用 非线性 规划 法
对 配 气 凸 轮 型 线 及 摇 臂 机 构提 出 了新 的优 化 设 计 措 施
摇 臂 结 构 ； 优 化设 计
：
中图分 类号
：
Tk4 2 3 4
．
文 献标识 码
A
文章编号
：
10 0 9
-
9492
(2 0 0 8 )
，
造 成 气 门在 工 作 段 落 座
，
由于 落座 力 大
，
端
，
机 械 设 计 中使 用 的 优 化 设 计 方 法 很 多
汽车发动机配气机构设计思路分析
汽车发动机配气机构设计思路分析摘要：随着我国汽车工业的不断发展，汽车在使用过程中可能遇到的问题种类也在不断增加。
本文重点描述了汽车发动机配气机构的故障，并简要列举了处理和分析方法。
关键词：发动机；配气机构；故障；处理分析；积炭；气门间隙0引言随着汽车数量的不断增加，人们对汽车的质量提出了更高的要求。
配气机构在汽车零部件中非常重要。
配气机构主要通过控制进气量来影响发动机功率。
随着汽车自身油路、温度环境和压力环境的日益复杂，配气机构的安全系数面临着巨大的挑战。
配气机构主要是按照一定的时限自动开启和关闭各缸的进排气门。
空气通过进气阀提供可燃气体混合物，燃烧做功后形成的废气从排气阀排出，实现气缸通风。
在实际使用中，由于多种因素的影响，汽车的配气机构变得脆弱，精密的配气机构受到影响后非常容易发生故障，其故障将直接影响发动机的性能。
1汽车发动机配气机构对发动机性能的影响为了让发动机获得更好的性能，就需要发动机有更高的充电效率。
为了提高发动机的充气效率，有必要降低进气通道的阻力。
通过扩大空气过滤器，加厚化油器，拉直进气管，并将其增加到进气阀的直径。
增大进气阀的直径，使进气口平直，可以大大提高充气效率。
随着汽车工业的发展，近年来双顶置凸轮轴四气门配气机构受到广泛关注，大大提高了汽车发动机的性能。
这种气门机构可以大大增加进气的有效流通面积，从而提高充气效率。
阀门的流通面积与进气口的直径成正比，而与阀头的面积不成正比。
对于每个气缸都有进气门和排气门的双气门发动机，当直径增加时，上限是进气门和排气门的直径之和低于气缸直径，因此不可能在尺寸上安装更大的气门。
在四气门发动机中，两个进气门直径之和可能大于两个气门的一个进气门直径。
当采用每缸4个气门的结构时，每个排气门的直径越小，气门受热面积就会越小，其机械负荷和热负荷也会相应降低，从而改善配气机构的动态性能，提高转速。
采用DOHC四气门机构可以有效提高发动机的充气效率、压缩比和功率。
14_奇瑞_崔英杰_利用AVL EXCITE Timing Drive进行配气机构动力学分析
利用AVL EXCITE Timing Drive进行配气机构动力学分析崔英杰刘波张璐（奇瑞发动机工程研究二院试验与分析部，安徽芜湖， 241009）摘要：利用A VL Timing Drive建立某机型配气机构的单阀系模型，评价凸轮型线和配气机构各零件的动力学表现。
首先分析凸轮型线运动学，然后判断该配气机构是否会出现气门飞脱、反跳、弹簧并圈、液力挺柱失效、凸轮磨损等现象，评价气门动力学特性及本组型线的可行性。
关键词：发动机；配气机构；运动学；动力学主要软件：A VL EXCITE Timing Drive1. 前言本文通过A VL EXCITE Timing Drive建立配气机构的单阀系仿真模型，继而对一组凸轮型线进行动力学分析，考察是否会出现气门飞脱、反跳、弹簧并圈、液力挺柱失效、凸轮磨损等现象，评价气门动力学特性及本组型线的可行性。
2.模型搭建2.1 配气机构布置图该机型采用双顶置凸轮轴，配气机构主要由凸轮、液力挺柱、指型摇臂、气门及气门弹簧等零件组成，摇臂几何尺寸由机构布置如图1确定。
图1 配气机构布置图2.2 零件质量、刚度、阻尼参数值确定各零件质量、转动惯量均从Pro/E三维数模中分析所得。
指型摇臂、气门杆、气门阀面的刚度按照培训教材推荐采用有限元方法计算，弹簧的刚度则由弹簧测力曲线用曲线拟合方法得到变刚度值。
零件相互之间相对阻尼，都采用培训教材中所推荐的值。
2.3 其他参数缸内压力曲线、排气道压力曲线由BOOST提供，如图2、3。
图2 缸内压力曲线图3 排气道压力曲线2.3 EXCITE Timing Drive模型建立采用以上数据，建立A VL EXCITE Timing Drive单阀系分析模型，如图4。
图4 TYCON分析模型3.计算结果分析3.1 型线运动学分析以该发动机超速转速，分析这组凸轮型线。
图5、6分别为进、排气气门的升程、速度、加速度曲线。
图5 进气运动学分析图6 排气运动学分析1） 凸轮最小曲率半径，均满足运动学和机械加工要求。
发动机配气机构系统动力学研究
发动机配气机构系统动力学研究申报人：周海指导老师：刘鹏文摘：配气机构是发动机中的一个重要组成部分，其工作性能的好坏直接关系到整机的运行状况，虽然配气机构的主要功能是满足发动机进排气量的需求，但其对整机的影响不仅限于此，配气机构的动力学及其零部件可靠性也是要急需关注的问题，在设计中，配气机构的动力学性能和各零部件强度都要符合相关要求。
1.研究模型概述本文是以一单缸机凸轮轴下置式、双摇臂四气门、带阀桥配气机构为研究对象，本单缸机的主要参数如表1所示：表1发动机主要技术参数表本文工作主要集中在运用专业软件TYCON进行配气机构模型的建立和仿真，从动力学角度分析研究配气机构的特性。
虽然现今出现了很多配气机构的新技术，像可变配气机构，其可变的范围包括气门正时可变、气门升程可变、气门开启延续时间可变等，一些汽车公司研究的对象也各有侧重点。
但在配气机构的研究上，都离不开运动学和动力学的研究，运动学仅仅考虑理想的状况，把零部件都看成刚性体，整个系统没有变形和弹性，忽略系统摩擦和阻尼能量损耗，其分析的结果仅能得到一些基本的位移、速度、加速度和力参数，一般以凸轮型线的正加速度宽度、阀系的自振频率、凸轮与从动件的接触应力、凸轮的曲率半径、弹簧裕度、丰满度、润滑系数等为运动学评价指标，而动力学模型考虑的因素更多，把物体都简化成有集中质量、刚度和相对阻尼的弹性质点，考虑了各零部件的接触和变形，动力学分析的结果可以得到很多更符合实际情况的一些信息，可以考察凸轮从动件的脱离接触、弹簧各有效圈动力特性、阀面落座反跳和冲击等情况。
运动学中要输入的参数也较少，工作量小，但动力学中要考虑的因素较多，输入的参数也多，工作量大。
对于低速或低载发动机的配气机构，其运动学和动力学分析的结果差异不是很大，气阀升程、速度和加速度曲线的整体趋势相差无几，两者吻合较好，但在高速或重载发动机中，由于必须考虑配气机构系统零部件的相互影响问题，其动力学和运动学分析结果有很大差异。
05-轿车柴油机配气机构运动学和动力学仿真与分析-昆明理工牛彩云等
轿车柴油机配气机构运动学和动力学仿真与分析牛彩云＊1 毕玉华 申立中 雷基林（昆明理工大学交通工程学院内燃机重点实验室 650224）摘要：针对某轿车柴油机配气机构，应用A VL EXCITE Timing Drive软件建立了运动学与动力学仿真模型并对其进行了分析。
凸轮型线优化后，开启侧和关闭侧丰满度系数都提高到了0.56，提高了换气质量；接触应力和跃度分别降低到585.4 N/mm^2和724.8 mm/rad^3，降低了磨损和冲击。
通过动力学仿真分析，液压间隙调节器（HLA）柱塞能够正常的建立起机油压力，无速度不适应；单向球阀能够正常而果断的开启并且正常的补油。
整个配气机构在工作过程中未出现飞脱、反跳和弹簧并圈等现象。
关键词：轿车柴油机液压间隙调节器配气机构仿真主要软件：A VL EXCITE Timing Drive1. 前言配气机构是内燃机的重要组成部分，其设计优良与否直接影响内燃机的动力性、经济性和可靠性[4]。
因而开展配气机构运动学和系统动力学研究具有重要意义。
传统机械挺柱式配气机构需预留气门间隙，气门间隙异常会影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化，并产生冲击噪声，影响其使用寿命[2]。
为降低配气机构的振动和噪声,液压间隙调节器（HLA）（如图1）在轿车柴油机上的应用越来越广泛。
采用HLA无需定期调整气门间隙,气门机构处于零间隙状态，消除了气门间隙引起的冲击和噪声。
图1 液压间隙调节器（HLA） 图2 HLA配气机构为分析HLA配气机构的动力特性，应用A VL EXCITE Timing Drive软件建立某双缸轿车柴油机配气机构的运动学与动力学仿真计算模型并对其进行了性能分析和评价。
1 HLA配气机构工作原理HLA配气机构的运动是从凸轮开始，经过指形摇臂、HLA、气门弹簧、气门弹簧座以及气门锁夹等才把运动传递给气门（如图2）。
所以发动机配气机构属于一个弹性而非刚性系统。
在这个传动链中，各个零件几何形状不同、质量和刚度也不相同，因此在运动过程中1作者简介:牛彩云，女，硕士研究生；研究方向：内燃机结构设计与优化；E-mail：niuniu1670@可能产生各种各样的问题。