配气凸轮轴型线逆向优化设计

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LJ750发动机配气凸轮设计计算书

LJ750发动机配气凸轮设计计算书

LJ750发动机配气凸轮型线设计计算书配气机构的设计思想:配气机构是发动机的重要组成部分,一台发动机的经济性能是否优越,工作是否可靠,噪声与振动能否控制在较低的限度,常常与其配其机构的设计是否合理密切关系。

特别对于高速大功率发动机,因对其较高性能指标的设计要求,配气机构的设计及其零部件的设计和制造就更加重要和严格。

配气机构的设计涉及到如下诸多问题:1.如果根据具体的机型的要求选取合理的函数凸轮型线并进行有关特性参数的计算和分析;2.配气机构方案选择及其气门的结构布置;3.对于高速配气机构来说,必须进行配气机构的动力学计算;4.在设计过程中,需要考虑很多重要的因素,如配气相位,平稳性(包括气门速度,加速度,脉冲数值大小及有无飞脱,落座反跳等),充气性能,润滑性能,凸轮与挺拄之间的接触应力等问题;因此,进行配气机构的设计往往需要很大的工作量,特别是为了获得一个最优的设计方案。

为了简化工作量,在目前国内外的设计中,常常采用参考某些成功机型的方法,来获得设计一台新发动机所需要的配气机构。

为此,在本设计了,参考了CBR900发动机的配气机构,通过对该机型配气机构的特性进行分析,并对提出的几种方案的凸轮型线进行的对比,最终获得了LJ750发动机配气机构的有关数据。

对比的结果最终还是采用了和CBR900发动机相同的配气结构,因此涉及到配气结构的许多动力学计算在这里都略去了。

本章主要介绍了多项动力凸轮设计的基本原理及其准则,并对CBR900发动机的凸轮型线进行了细致的分析和研究,在此基础上提出了LJ750发动机的配气机构。

一、凸轮型线类型的选择配气机构是发动机的一个重要系统,其设计好坏对发动机的性能、可靠性和寿命有极大的影响。

其中凸轮型线设计是配气机构设计中最为关键的部分,在确定了系统参数后,重要的问题是根据发动机的性能和用途,正确选择凸轮型线类型及凸轮参数。

凸轮型线有多种,如复合正弦,复合摆线,低次方,高次方,多项动力,谐波凸轮等。

配气机构凸轮型线优化设计参考资料

配气机构凸轮型线优化设计参考资料

一、绪论1.1引言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。

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。

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配气凸轮型线设计凸轮机构从动件滚子直接与凸轮轮廓而接触并产生相对运动,利用滚子的滚动以减小因相对运动产生的摩擦与磨损,以提高机构的寿命和可靠性。

在设计凸轮型线时首先满足从动件的运动规律。

从动件运动规律的应满足下列要求:①应保证能获得尽量大的时间断面值,气门开启和关闭要快以求在尽可能小的凸轮转角内气门接近全开位置。

②应保证配气机构各零件所受的冲击和振动尽可能小,以求大得配气机构工作得平稳性和可靠性。

为满足以上从动件的设计要求,一条良好的凸轮型线应能保证:①适宜的配气相位。

使配气相位符合发动机的特性要求,如功率、油耗、怠速及最大功率和扭矩时的转速等,保证配气机构获得尽可能大的时面值或丰满系数,以提高内燃机的充气效率和降低残余废气系数。

②使发动机具有较好的充气性能。

由于发动机的形式不同,需要的气门运动规律也就有所不同。

例如球形燃烧室内燃机希望进气门尽快开启使空气尽早流入;而高速汽油机希望进气开始时缓慢一些,以便更好的利用惯性充气。

③适宜的从动件加速度。

加速度不宜过大或者带突变,加速度曲线应尽可能连续。

逆向工程技术在平面凸轮机构优化设计中应用研究

逆向工程技术在平面凸轮机构优化设计中应用研究

第4章实际凸轮的反求设计,=∑口,d,2+∑俐只一Q旷(4-4),|oJ=O式中卢.、a,——由用户指定的非负常数上式右端第一项为光顺项,a,为光顺因子;第二项称为逼近项。

当卢。

取较大的数时,光顺后的型值点列与原型值点列的偏差就较小,但剪力跃度{研}可能较大,曲线的光顺性较差。

反之,当。

,取较大的数时,剪力跃度{讲}就较小,曲线较光顺,但只和9,的偏离可能较大,以使曲线的逼近性较差。

4.2.3uG软件的拟合本课题中为曲线拟合选用的应用软件是uGNx2.O/Modeling模块中包含有多种曲线构造功能,其功能菜单见图4.1f161。

图4-1Spline莱单TabIe4·lsplinemen“此菜单有各种曲线生成方法,如Bypoles,T}1mu吐Points,Fjt和PerpendicuIartoP1anes。

其较常用的是前三种方法,其中ByPoles命令主要是将原始数据点列连成曲线后,通过调整曲线控制顶点几何位置的方法对其进行光顺:TllroughPojnts命令是根据原始数据位置直接生成曲线,而不对曲线进行拟合、光顺处理:Fit命令则是直接对离散型值点列进行光顺,并对光顺后的数掘点进行曲线拟合。

TIlrou曲Points因为不具备曲线光顺功能,所以只适合对光顺后的离散型值点列进行曲线构造。

ByPoles和Fit命令均有曲线拟合及光顺功能,只是所用方法不同,一个是直接对型值点进行光顺,另一个是对控制顶点进行光顺,直接对离散型值点列进行光顺的图4一l方法能从型值点分布的几何位置出发直接判断型值点列的光顺性并对其进行修改,而且此方法既可用于曲线拟合(插值或逼近)前对数据的光顺处理,也可用于对拟合后的曲线进行光顺处理。

本课题的曲线拟合对象是存存多项误差的离散数值点列,所以选用Fit命令进行曲线构造。

UG中对曲线拟合、光顺的方法是最小二乘法,山前可知】,最小二乘法和能量法的主要区别是所采用的目标函数不同。

配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计概要

配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计概要

北京汽车文章编号:1002-4581(200805-0024-04配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计余志敏1,罗马吉1,于佳1,张超建2,颜伏伍1YU Zhi-min1,LUO Ma-ji1,YU Jia1,ZHANG Chao-jian2,YAN Fu-wu1 (1.武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉430070;2.江苏江淮动力股份有限公司江苏盐城224001摘要:应用AVL-tycon软件对某柴油机配气机构建立运动学和动力学计算模型,进行运动学和动力学计算,以便对配气凸轮型线进行优化设计。

通过气门丰满系数、凸轮与挺柱的接触应力和润滑效果、气门落座时是否出现反跳、气门弹簧是否出现并圈来评价凸轮型线的可行性。

关键词:柴油机;配气机构;凸轮型线;优化设计中图分类号:TP391.9:U464.134文献标识码:A0引言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,从而实现凸轮型线优化设计[1]。

AVL-tycon提供了配气机构运动学、动力学计算及配气凸轮型线改进设计模块[2]。

本文使用该软件对某柴油发动机建立配气机构运动学和动力学计算模型,对凸轮型线进行优化设计与动力学仿真计算,并分析计算结果,通过气门丰满系数,凸轮与挺柱的接触应力和润滑效果、气门落座时是否出现反跳、气门弹簧是否出现并圈来评价凸轮型线的可行性。

1配气机构运动学和动力学计算模型的建立根据发动机配气机构结构形式,应用AVL-tycon软件建立运动学和动力学计算模型, 建立的进气部分动力学模型如图1所示。

排气部分动力学模型与进气部分类似,而运动学模型就是在动力学模型的基础上减少凸轮轴转速激励单元和支撑单元。

计算模型中将实际的配气机构描述成一个串连的质量系统,大部分零件都可以描述成由弹簧、阻尼、质量三部分组成的元素,参数设置完全按照该款发动机实际参数输入。

凸轮高级阶段的逆向设计

凸轮高级阶段的逆向设计

凸轮高级阶段的逆向设计作者:贾林玲来源:《中国科技纵横》2013年第09期【摘要】针对凸轮的特征,使用Geomagic逆向软件的锐化向导来还原模型的棱角特征,使用平面截面来修剪三角形,创建基准以及对平面、圆柱面的拟合。

最终生成一个封闭的、平滑的多边形模型。

在拟合NUBRS曲面时使用指定尖角轮廓避免出现倒圆角。

实现了凸轮由实物到点云、再由点云到三维模型的快速逆向设计。

【关键词】逆向工程凸轮 Geomagic1 引言随着测量技术和3D技术的发展,以几何实体为研究对象,使用逆向工程技术对产品进行模型重构,优化及新产品开发,已经成为现代创新设计的一种主要方法。

凸轮曲面轮廓复杂,用一般的曲面造型方法制造,其结果误差很大。

因此这种曲面采用逆向工程技术来完成,提高了产品的制造精度,降低了产品开发的周期和成本。

2 凸轮的逆向设计2.1 凸轮的多边形阶段设计逆向工程(reverse engineering,RE),也称为反求工程,是从实物样本获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术。

通过三坐标测量机自动测量得到凸轮的点云数据,导入Geomagic逆向软件进行点云的预处理,去除一些没用的点以及降噪,统一采样,最后封装成多边形。

封装后的多边形发现不是一个封闭的、平滑的多边形模型,如图1所示。

因此需要在多边形阶段做进一步的处理。

2.1.1 表面特征处理通过填充孔把凸轮表面数据缺失的地方补上;通过砂纸把模型表面凹凸不平的三角形变的光滑;通过去除特征把凸轮模型上很小一部分凸出的特征去掉。

2.1.2 锐化凸轮模型有很多地方曲率过渡比较大,为了使这些曲率过渡比较大的地方棱角更加的凸显,需要进行锐化处理。

通过设置曲率敏感性、分隔符敏感度和最小区域,模型上高曲率的区域则以红色加亮,轮廓镶边之间的区域以不同颜色显示。

接着通过抽取轮廓线、延伸轮廓线、更新格栅、锐化多边形最终把凸轮棱角变的凸显。

如图2所示。

2.1.3 面的拟合通过观察发现模型的表面并不是希望的那种平面或者柱面,所以要将它们拟合到平面或者柱面上。

汽油机凸轮型线改进设计_杨靖

汽油机凸轮型线改进设计_杨靖

第36卷 第11期2009年11月湖南大学学报(自然科学版)Journal of H unan U niversity(Nat ur al Sciences)V ol.36,No.11N o v 2009文章编号:1674-2974(2009)11-0021-06汽油机凸轮型线改进设计*杨 靖1 ,冯仁华1,邓帮林2,樊明明1(1.湖南大学机械与运载工程学院,先进动力总成技术研究中心,湖南长沙 410082;2.湖南奔腾动力科技有限公司,湖南长沙 410205)摘 要:应用配气机构模拟计算软件AVL-T YCON对国内某四缸汽油机配气机构进行运动学、动力学分析.结果显示,原机配气机构存在的进、排气门升程丰满系数较低,进排气凸轮与挺柱间的最大接触应力大等不足.本文根据其不足之处,通过重新设计进、排气凸轮型线,解决了原机配气机构存在的问题,提高了配气机构的可靠性和寿命,而且提高了充气效率和发动机整机性能.关键词:汽油机;配气机构;凸轮型线中图分类号:U464.134.3 文献标识码:AImprovement Design of Gasoline Engine Cam ProfileYANG Jing1 ,FENG Ren-hua1,DENG Bang-lin2,FA N M ing-ming1(1.Co llege o f M echanical and Vehicle Eng ineer ing,Research Center fo r A dvanced Po wer train T echnolog y,H unan U niv,Chang sha,Hunan 410082,China; 2.P eteco Company,L T D o f Hunan,Changsha,H unan 410205,China)Abstract:T he w idely used valve-train sim ulation software,AVL-T YCON,w as applied to perform bo th kinem atic and dynamic simulations for the v alve-train of a fo ur-cy linder gaso line engine.Sim ulation results indicate that the orig inal valve-train has some desig n draw backs,such as the plum p coefficient of the intake and exhaust valve being cow,the contact str esses betw een cam and tappet being g reater,w hich m ay lead to durability issues.The intake and ex haust cams w ere then r edesigned via computer simulation opt-i m ization,w hich not o nly so lved the primary design issues and but also im prov ed the durability.The eng ine performance simulation r esults also indicate an im pr ovement to the full load v olumetric efficiency,w hich results in an increase o f maxim um eng ine pow er o utput.Key words:gaso line eng ine;valve-train;cam profile配气机构是发动机的重要组成部分,其性能的好坏,直接影响到发动机的动力性、经济性和可靠性,并对发动机噪声与振动产生直接影响[1].近年来,随着发动机低排放、高速化的发展趋势,对其性能指标要求越来越高,要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、安全可靠地工作,因此对配气机构设计的要求也越来越高[2-3].本文应用专门的配气机构模拟分析软件,建立某四缸汽油机配气机构运动学、动力学模型,进行相关计算,评价其运动学和动力学性能.并重新设计凸轮型线,使换型线后配气机构的运动学、动力学特性更好,提高整机性能.*收稿日期:2009-04-08基金项目:国家高新技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA11A114)作者简介:杨 靖(1957-),女,湖南长沙人,湖南大学教授通讯联系人,E-mail:yangjing10@湖南大学学报(自然科学版)2009年1 配气机构性能评价准则要保证发动机具有良好的工作性能,配气机构就要满足相应的要求.评价配气机构的性能主要有以下几个方面:1)使配气机构具有良好的充气性能.反映气门通过能力大小用 气门瞬时通路面积或 时面值 来表示.为了便于比较各种具有不同工作段包角和最大升程的凸轮对充气性能的影响效果,这里用丰满系数作为评价指标:= a y( )d /y max( a- ),(1)式中:y max为气门最大升程; a为气门关闭时的凸轮轴转角; 为气门开启时的凸轮轴转角.一般认为丰满系数较大对充气性能是有利的,但并非绝对如此,如果一味追求大的丰满系数而使机构可靠性和平稳性变得很差,结果就无法得到良好的充气性能.2)使配气机构工作平稳,振动和噪音较小.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.一般用气门加速度曲线变化率的最大值范围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.如果最大跃度值小于1000mm/rad3,表明气门运动具有较好的平稳性.3)凸轮与挺柱间的接触应力不应过大.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核.凸轮与挺柱间的接触应力可按下面公式计算:c=0.564F1+ 21 21- 21E1+1- 22E2W.(2)式中:F为凸轮与挺柱间的法向作用力; 1, 2分别为凸轮与挺柱在接触点的曲率半径;E1,E2分别为凸轮与挺柱材料的弹性模量; 1, 2分别为相应材料的泊松比;W为接触线宽度.4)凸轮应有良好的润滑特性.凸轮型线设计时,应使凸轮与挺柱处于较好的润滑状态,以提高凸轮与挺柱摩擦副的可靠性与寿命.可用油膜厚度或者流体动力学润滑系数作为凸轮设计的评价指标.凸轮与平面挺柱的油膜厚度计算公式为:min=k0(R0+h)2(R0+h)2-(R0+h).(3)式中:R0为凸轮基圆半径;h为挺柱升程; 为接触点处凸轮廓线曲率半径;k0为已知常数.流体动力学润滑系数N r定义为N r=R0+h.(4)平面挺柱的最小润滑系数要求在凸轮桃尖 30度凸轮转角范围内,其在0.15~0.3之间[4].2 配气机构的建模及原机配气机构分析2 1 配气机构结构该汽油机配气机构采用双顶置凸轮轴、四气门、凸轮直接驱动气门的形式.配气机构主要由凸轮轴、耐磨垫片和气门弹簧套等7部分组成.结构简图如图1所示.1-凸轮轴;2-耐磨垫片;3-气门弹簧套;4-进气门;5-气门锁夹;6-排气门;7-气门弹簧图1 配气机构结构简图F ig.1 St ruct ur e diagr am of the valve-train2 2 配气机构计算仿真模型应用AVL-T YCON软件建立配气机构计算模型,选取和设置各部件质量、刚度、阻尼等参数及发动机相关参数进行计算分析.配气机构计算模型如图2所示.图2中配气机构计算仿真模型由10个单元组成.2 3 模型相关参数选取和设置模型中各部件质量、刚度、阻尼等参数通过三维CAD软件和有限元分析软件获取.计算中气门系统等效为二质量当量系统,包括气门侧质量和凸轮侧质量.二质量单元由一根代表气门系统刚度的弹簧相连,气门弹簧使两质量与上述弹簧保持接触[5-6].22第11期杨 靖等:汽油机凸轮型线改进设计图2 配气机构计算仿真模型F ig.2 Simulatio n mo del of the valve-tr ain2 4 原机配气机构分析将原机的进、排气凸轮型线导入模型中的凸轮模块中,经计算得到原机配气机构的技术参数和性能参数,见表1和表2.经分析,发现原机配气机构存在以下不足:表1 配气机构主要技术参数Tab.1 Major technical parameters of the valve-train技术参数原机新设计的凸轮型线进气排气进气排气气门升程/mm8.897.6258.937.7凸轮升程/mm9.077.9259.18气门间隙/mm0.140.280.140.28基圆半径/mm18181818挺柱直径/mm30303030凸轮轴标定转速/(r min-1)2875287528752875缓冲段高度/mm0.180.30.180.3凸轮总作用角/ CaA172166167176进气相位角/ CA 提前30 开启滞后68 关闭提前21 开启滞后65 关闭排气相位角/ CA 提前54 开启滞后19 关闭提前52 开启滞后15 关闭气门重叠角/ CA49361)进、排气门升程丰满系数较低,不利于发动机获得较高的充气效率;2)进、排气凸轮型线部分段不光滑,导致最大跃度值超过了正常的范围,使配气机构的振动加剧;3)进、排气凸轮与挺柱的最大接触应力大,凸轮与挺柱间的磨损较大;4)进、排气凸轮与挺柱间的润滑系数低于常规值范围,因此进、排气凸轮与挺柱的液体动力学润滑条件不好.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标定功率由原来的87.1kW提高到91.5kW的目标要求,配气凸轮型线的优化改进方向是:1)改善进气门充气性能和排气门的排气性能,即提高进、排气门升程丰满系数;2)改善进、排气凸轮与挺柱间的润滑条件,并协调好润滑条件、凸轮与挺柱间的接触应力、气门弹簧裕度等相互之间的影响;3)使进、排气凸轮型线各部分连接光滑,将凸轮跃度值控制在允许范围内.表2 配气机构主要性能参数Tab.2 Major perf ormance parameters of the valve-train 技术参数原机凸轮型线新设计的凸轮型线进气排气进气排气气门升程丰满度0.4960.530.5640.563挺柱最大几何速度/(mm/( ))0.2490.2270.2470.222挺柱最大正加速度/(mm/( ))0.02570.02250.02430.0244挺柱最大负加速度/(mm/( ))-0.0073-0.0069-0.0066-0.0059凸轮最大跃度/(m m rad-3)151642201075994凸轮最小曲率半径/mm 3.19 3.278 5.399 6.573凸轮与挺柱间的最大接触应力/M Pa552.6533.3443.8377.6气门最小弹簧裕度 1.19 1.233 1.249 1.297凸轮与挺柱最小润滑系数0.1180.1260.1990.253 凸轮型线改进设计3 1 缓冲段的设计新凸轮型线的缓冲段的设计直接选用余弦函数,通过设置缓冲段高度和缓冲段末端速度就可以在TYCON中的Cam Desig n模块里很方便的获得.3 2 工作段的设计根据凸轮型线工作段设计方法,结合原机配气机构的特点,并综合考虑优化设计的凸轮型线要达到的要求,进、排气凸轮工作段的设计均采用多项动力凸轮的方法,用高次多项式函数来表达,并结合前面所设计的缓冲段,二者共同构成完整的凸轮型线.工作段气门升程函数为:h=(h max-h r)(1+C2 2+C4 4+C p p+C q q+C r r+C s s).式中:h max为凸轮最大升程;h r为凸轮缓冲段高度; C2~C s为待定系数,p,q,r和s为幂指数; =1- - 0B,其中 为凸轮工作角度值, 0为凸轮缓冲段23湖南大学学报(自然科学版)2009年包角, B 为凸轮工作段半包角.利用TYCON 中的Cam Desig n 模块,按照配气凸轮设计准则,将幂指数的选取目标定为机构运动平稳性,通过设置凸轮与挺柱的最大接触应力、凸轮曲率半径、凸轮的最大允许跃度和挺柱的最大直径等限制条件,设计出新的凸轮型线.经运算,最终择优确定一组,幂指数为进气凸轮:p =16,q =28,r =42,s =52;排气凸轮:p =16,q =28,r =40,s =50.多项式中的各项系数根据边界条件求得:因气门在缓冲段终点处开启,该处的气门升程、速度、加速度均为零,但挺柱的升程、速度则应与基本工作段连续;并考虑到气门与当量挺柱运动规律间的关系列出相应的方程组,解出各系数.经过计算,新设计的进、排气凸轮工作段函数为h int =8.93(1-1.4884 2+0.2 4+0.6666 16-0.5835 28+0.2823 42-0.0771 52),h exh =7.7(1-1.3818 2+0.15 4+0.4043 16-0.2197 28+0.051 40-0.0039 50).凸轮的新老型线如图3所示.配气机构的主要技术参数对比见表 1.凸轮转角/ CaA图3 凸轮升程曲线Fig.3 Cam lift cur ves4 换型线后配气机构运动学、动力学分析4 1 凸轮型线评价及配气机构运动学分析利用TYCON 对新设计的凸轮型线评价和配气机构运动学分析,配气机构的性能参数比较见表2.根据表2中的参数可以看出:1)新设计的进、排气门升程丰满系数都比原机有所提高,进、排气门升程丰满系数分别提高了13.7%,6.2%,且气门开启和关闭更加迅速,这样可以提高充气效率,从而可以提高发动机功率;2)新设计的进、排气凸轮型线的跃度值在1000mm/rad 3左右,均在正常范围之内,且和原机相比减小了很多,因此可以减小从动件的振动,使配气机构运动更加平稳;3)新设计的进、排气凸轮的最小曲率半径都比原机大,有力地改善了凸轮与挺柱间的润滑条件[7];4)由于该发动机凸轮采用45号钢,而平面挺柱采用冷激铸铁,凸轮与平面挺柱的许用接触应力为650MPa.改进后进、排气凸轮与挺柱的接触应力均满足许用值要求,且比原机小,因此,减小了该摩擦副间的磨损;5)新设计的进、排气凸轮的最小润滑系数有明显的提高,且都在较理想的范围内,这将改善凸轮与挺柱间的液体动力学润滑条件,减小磨损;6)采用新设计的凸轮型线和原机的气门最小弹簧裕度值都较理想,进、排气门弹簧的预紧力和刚度合适,说明新设计的凸轮型线与气门弹簧匹配得较好,这样从动件和凸轮表面不会跳开,而且早期磨损小,驱动功率也较小.4 2 配气机构动力学分析4.2.1 动力学分析的必要性作配气机构运动学计算时将其零部件视为完全刚性,以升程曲线丰满系数大小和最大正、负加速度值等参数来判断凸轮设计的优劣.但实际配气机构是一个弹性系统,工作时机构的弹性变形会使位于传动链末端气门处的运动产生很大畸变,即气门的升程、速度特别是加速度等运动规律 失真 .气门的运动有时迟于挺柱,有时则超越于挺柱,使传动链脱节、气门的开闭不正常、飞脱、反跳、整个机构振动噪声加大,甚至机构的正常工作遭到破坏.随着发动机转速的提高,机构的运动件受力以及振动增大,上述 失真 现象成为发动机转速提高的障碍,因此需要进行配气机构的动力学分析,研究机构弹性变形下的气门运动规律[8].4.2.2 动力学分析结果通过对原机和改型线后配气机构的动力学分析,结果如下:1)发动机标定转速为5750r/min 时气门的升程、速度、加速度、落座力曲线,如图4~图7所示.凸轮转角/ CaA图4 气门升程曲线Fig.4 Simulated valve lift curves24第11期杨 靖等:汽油机凸轮型线改进设计从图4可以看出,原机和改型线后进、排气门开启和关闭正常,无反跳和二次开启现象;气门最大落座速度一般要求小于0.5m/s,否则会使气门和气门座很快磨损.图5中原机进气门最大落座速度为0.315m/s,排气门最大落座速度为0.313m/s,而换新设计的型线后进气门最大落座速度为0.258m/s,排气门最大落座速度为0.17m/s,这样可减小气门与气门座的磨损.图6中改进后进、排气门加速度比原机有所改善.从图7中气门座受力曲线可以看出改进后进、排气门落座力比原机小.凸轮转角/ CaA图5 气门速度曲线Fig.5 Simulated valve velocity curves凸轮转角/ CaA图6 气门加速度曲线Fig.6 Simulated valve accelerationcurves凸轮转角/ CaA图7 气门落座力曲线Fig.7 Simulated valve seating forces2)凸轮与挺柱的动力学接触应力曲线,如图8所示.从图8中可以看出,原机和改进后在发动机标定转速5750r/min 时均无飞脱现象,且改型线后进、排气凸轮与挺柱的动力学最大接触应力均比原机小,这样磨损也减小.3)气门弹簧动力学特性,如图9所示.换新设计的凸轮型线后,进、排气门弹簧动力学特性较好,无并圈和大的冲击现象发生.凸轮转角/ CaA图8 凸轮与挺柱动力学接触应力曲线(n =5750r/min)Fig.8Simulated dynamics contact stresses between cam and tappet (n =5750r/min)凸轮转角/ CaA图9 换新设计的凸轮型线后气门弹簧各弹性质点升程曲线(n =5750r/min)Fig.9 Displacement diagram of the elastic particles in the valve spring,optimized cam profile (n =5750r/min)5 发动机性能模拟计算通过GT -POWER 对发动机性能进行模拟计算,先利用原机试验数据对性能仿真模型进行标定,然后换新设计的进、排气凸轮型线对发动机的性能进行模拟计算.发动机在全负荷时的功率曲线如图10所示.从图10中可以看出,原机试验值和模拟值误差很小,说明模型标定较准确,性能计算模拟值准确度较高;采用新设计的凸轮型线后,发动机的功率和原机相比有一定的提高,在标定转速5750r/min 时,标定功率为91.7kW,与原机相比提高了5.28%.25湖南大学学报(自然科学版)2009年发动机转速/(r min-1)图10 发动机功率曲线Fig.10 Comparison of full load engine power6 结 论1)通过对原机配气机构的运动学、动力学计算分析,找出了其存在的问题,并重新设计了满足要求的进、排气凸轮型线;2)采用新设计的凸轮型线后,进、排气门升程丰满系数均有所提高,这将有利于发动机充气系数的提高;3)采用新设计的凸轮型线后,配气机构的机械性能有改善,整个配气机构工作更加可靠、气门落座平稳,无反跳、飞脱等现象;不但解决了原机凸轮型线部分段不光滑、跃度值大、润滑条件不太理想等问题,而且也使配气机构的振动、噪声、磨损减小;4)采用新设计的凸轮型线后,发动机的标定功率可由原来的87.1kW提高到91.7kW,达到了目标要求.参考文献[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2005. 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凸轮优化设计

凸轮优化设计

凸轮优化设计⼀.配⽓凸轮优化设计1.1配⽓凸轮结构形式及特点配⽓凸轮是决定配⽓机构⼯作性能的关键零件,如何设计和加⼯出具有合理型线的凸轮轴是整个配⽓系统设计中最为重要的问题。

对内燃机⽓门通过能⼒的要求,实际上就是对由凸轮外形所决定的⽓门升程规律的要求,⽓门开启迅速就能增⼤时⾯值,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,应该观察所设计发动机的特点,如发动机⼯作转速、性能要求、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:1.1.1等加速凸轮等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式,其中⼜可分为两类,⼀类可称为“正负零型”,指其相应的挺柱加速度曲线为正—负—零:另⼀类可称“正零负型”,指其加速度曲线为正⼀零⼀负。

当不考虑配⽓机构的弹性变形时,对最⼤正负加速度值做⼀定限制且在最⼤升程、初速度相同的各种凸轮中,这种型式的凸轮所能达到的时⾯值最⼤。

等加速型凸轮常常适⽤于平稳性易保证,⽽充⽓性能较差的中低速柴油机中。

但就实际情况⽽⾔,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[9]。

1.1.2组合多项式型组合多项式型凸轮的基本段为⼀分段函数,它由⼏个不同的表达式拼接⽽成。

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[7]。

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。

06-某发动机凸轮型线的优化设计及分析_吉利汽车苏圣等

06-某发动机凸轮型线的优化设计及分析_吉利汽车苏圣等

凸轮型线的设计及分析苏圣胡景彦李慧军刘云卿杜宝杰吴丰凯吴小飞(浙江吉利汽车技术中心有限公司,浙江杭州 311228)摘要:本文主要描述通过工程软件计算出来的分析结果来进行指导凸轮型线的设计,最后通过发动机试验验证了新设计的凸轮型线满足设计要求。

关键词:汽油机凸轮型线阀系动力学特性单阀系动力学正时机构动力学主要软件:A VL EXCITE Timing drive、A VL Boost1. 前言在发动机的配气机构中,凸轮的凸轮型线不仅对发动机的动力性能有影响,同时也对发动机的机械噪声和零部件的磨损情况都有直接的影响。

所以优化设计一个比较好的凸轮型线既要考虑发动机的热力学性能又要关注发动机的机械性能,同时还要满足凸轮型线的加工要求。

只有上述几个条件全部满足要求才能进行加工生产并且测试。

设计凸轮型线总共分成5个阶段。

第一阶段为热力学预测阶段,在该阶段中主要设计一条热力学性能最优的气门升程曲线。

第二阶段为凸轮型线设计阶段,在该阶段中参照热力学设计的气门升程曲线并且根据运动学原理设计一条满足动力学性能的凸轮型线。

第三阶段对设计完成的凸轮型线进行单阀系的动力学校核,如果不满足动力学要求,则返回第二阶段重新设计凸轮型线。

第四阶段进行多阀系动力学分析,观察各个指标是否满足设计要求,如果不满足要求返回第二阶段重新设计。

第五阶段就是将设计完成的凸轮型线移交给供应商进行加工。

下图为凸轮型线的设计流程。

图1 凸轮型线设计流程2. 设计过程2.1 热力学预测目前某款1.5升GDI发动机最大功率为78kW,要比预期的发动机功率小5kW,为了提高发动机功率,采取的措施为更改发动机的进排气凸轮。

首先根据某1.5升GDI发动机参数进行搭建热力学模型,并且反复调试该热力学模型直到热力学各个工况的计算结果与实际中测得相对应工况中的试验结果相吻合为止。

热力学模型如下图所示。

图2 热力学模型利用上述的热力学软件,计算4种进气门升程和4这种排气门升程,计算出相应的功率和扭矩。

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的测量 手段 对实 物产 品进行 测量 , 然后 把 测量 所得 的数 计参 数 如表 1 。 据 通过 三维 几何 建模 方 法 重 构 C AD模 型 , 在 此 基 础 并 上 进行 改进设 计及 生产 , 即在 充分 吸 收现 有产 品技 术 的
基 础上 , 对现 有产 品进行 改进 和再 创造 。特别 是对 于 具 有 复杂 曲面 的零件 和产 品 , 以通 过三 维 扫描 的方 式 自 可
图 6 测 绘 第 3凸轮 运 动 学 曲线
0 2 0 4mm, 液 压 挺 柱 时 一 般 在 0 0 .~ . 有 . 2mm 左 右 。
增 刊
配 气 凸轮 轴 型 线 逆 向优 化 设 计
无 液压元 件 时 , 冲段末 端最 大速 度一般 小 于 3 0mm/ 缓 0
加速 度 曲线 的连续性 , 配气 机构 运动 学参 数 均在许 可 范
曲线 及加 速度 曲线 的连续 , 气 门的动 力学 特性 将 产 生 对
很 大 的影 响 , 因此 必 须 对 测绘 凸轮 升 程进 行 优 化 设 计 ,
在保 证原 有气 门运 动规律 的前 提下 , 证速 度及 加 速度 保
曲线 的连 续性 。凸轮型线 的优 化设 计 已经从 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 动学 和受 力情况 , 统一 考虑机 构 动态 参数 与 凸轮 并
根据 测量 数据 可 判 断 凸 轮 为对 称 凸轮 。 为 了尽 可
能 消除加 工 、 测量 等 因 素产 生 的 偏差 , 测 量 的 5组 数 将
据 平均 , 并将 凸 轮 的 上 升段 与下 降段 平 均 , 到 如 图 9 得 所 示 的凸轮 特性 曲线 。
图 9 凸轮 升 程 平 均 后 运 动 学 曲线
础 上 , 凸 轮 型 线 的 测 绘 数 据 进 行 逆 向 优 化设 计 。 通过 凸 轮 型线 优 化 设 计 , 证 配 气 机 构 的 动 力 学 特 性 , 括 气 门 对 保 包 落 座速 度 和 凸轮 接 触 应 力 等 参 数 , 保证 凸 轮 型线 的二 阶 连续 从 而保 证 型线 的加 工 性 。 并


删 4
动 生成 三维 实体 , 大 缩 短 了设 计 周 期 , 低 了 开 发 成 大 降
本。

图 1 测 绘 的 各 凸轮 升 程 曲线
发 动机 配气 凸轮 型 线 直接 影 响 凸轮 从 动 件 的 运 动 规 律 , 动件 升程规 律 的微小 差异会 引 起加 速度 规 律 的 从 很 大变 动 。直接 测绘 的 凸轮 升程 曲线 不 能 够保 证 速度
第 3 卷 增 刊 1
21 0 1年 1 O月
铁 道 机 车 车 辆
RAI W AY L L0C0M0TI VE & CAR
Vo . 1 S p l 13 u p 0c. t 2 1 01
文章 编 号 :0 8 8 2(0 1 S 一0 7 —0 1 0 —7 4 2 1 ) O 1 7 4
分段加 速 度 函数 ) S 、 TAC( 门 等 加 速 度 函 数 ) 气 。气 门
图 5 测 绘 第 2凸 轮运 动 学 曲线
多项 动力加 速度 函数 是 一个 光 滑 的具 有充 分 适 应 性 的
简单形 式 , 缺 乏局 部 控 制 的灵 活性 , 门等 加 速 度 函 但 气 数常用 于采 用 滚 子从 动 件 的 大 中型 低 速 发 动机 ,S IAC
2 3 凸轮 型 线优 化 .
( )优 化设 计方 法 1
图 4 测 绘 第 1凸轮 运 动 学 曲线
实 物 测 绘 的 凸 轮 特 性 曲 线 局 部 产 生 阶 跃 , 用 利 AVL软件 凸轮设 计单 元在 保证 原 凸轮 升程 特 征 的前 提 下 , 凸轮 升程进 行优化 设计 。凸轮 型线 的优 化设 计 包 对
凸轮升程/ mm
图 l 优 化 后 凸轮 升 程 误 差 曲线 l
. 值 对 凸轮型 线进 行优化 设计 , 升段 与下 降段 的设计 参 2 4 配 气机构 动力 学仿 真校核 上 发 动 机 额 定 转 速 5 5 0 rmi 、 速 58 0 rmi 0 / n 超 0 / n 数 如表 2所 示 , 化后 凸轮 特性 参数 如 表 3所 示 。表 2 优
动 力 学 仿真 模 型
2 2 测绘 凸轮 型线下 凸轮 轴特性 曲线 . 逆 向测绘得 到 凸轮轴 上 5 凸 轮 的升程 曲线 , 据 个 根
凸轮升程 曲线 , 到 各 凸 轮 的速 度 曲线 和 加 速 度 曲线 , 得
如 图 4 图 8所 示 。 ~
图 8 测 绘 第 5凸轮 运 动 学 曲线
2 配气 凸轮轴 凸轮 型线优 化
图 2 配 气 机 构 结 构 布 置 表 1 配 气 机 构 基 本 参 数
2 1 配气机 构运 动学及 动力 学仿 真模 型 的建 立 .
本文 中配气 机构 为两 气 门 、 液压 挺 柱 的推一 挺一 带 摇结 构 型式 , 图 2所示 。发 动机 的 额定 转 速 为 55 0 如 0 rmi。应 用 AVL Ti n r e对发 动机配 气机 构建 / n / migD i v
学性能 要求 , 必须 通过建 立配 气机 构 的仿 真模 型来 实现 对 凸轮 型线 的优 化设计 及动力 学 校核 , 保证 原 型线 主 在 要特征 的基 础上 , 保证 凸轮 型线 的连续性 和加 工性 。
配气 凸轮 轴型 线 逆 向优化 设 计
王小慧 ,彭海雄 , 海 涛 周 ( 中国北 方发 动机研 究所 , 山西大 同 0 7 3 ) 3 0 6
摘 要 通 过建 立 配 气机 构运 动学 及 动 力 学 仿 真 模 型 , 实 测 的 凸 轮 型 线 进 行 分 析 , 保 留 了 原 凸轮 升 程 特 性 基 对 在

_ I I l ● l l I

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液压 挺柱不 正 常的动作 、 冲击 、 损 、 油 、 磨 漏 损坏 等 , 因此 采 用 IAC凸轮 优化 设计 方 法 , 据 凸轮 升 程测 绘 S 依
关键词 配气机构 ;凸轮型线 ; 向设计 ; 逆 动力学计算
中 图分 类号 : 4 2 TK 2 文献标志码 : A
逆 向工 程 ( v reE gn eig RE 是先 利用 一定 Re es n ier , ) n
立 运动 学和动 力学 计算 模 型如 图 3 配 气 机构 的主要 设 ,
并 与缓 冲段 高度 、 状 、 形 末端速 度 配合考 虑 。
此发 动机 配气机 构 为带液 压挺 柱 的系 统 , 还要 求 机 构 中加速 度 的急剧 变 化 ( ) 能 过 大 , 则会 导致 液 , 不 否 压元 件 运 动 构件 的 不适 应 , 凸 轮 型线 如 必须保 证最 大跃 度 J k 10 0rm/a 。 < 0 a td 。 过 大 , 致 导
可用任 意 函数 自由搭 配 , 活性 好 , 凸轮 型 线 优 化 设 灵 是 计时 的首选 方法 。 缓 冲段 主要是 用 于 消 除气 门 间 隙和 配 气 机 构 弹性 变形 , 冲段 的设 计 一 般考 虑 缓 冲段 高度 、 冲 段 长度 缓 缓
和缓 冲段 末端 最 大 速 度 等参 数 。一 般 车 用 缓 冲 段 高度

图 1 550rmi 气 门升 程 曲线 4 0 / n进
图 1 优 化 后 与 测 绘 凸轮 O 运 动 学 特 性 对 比 曲线
从 优化结 果 可 以看 出 , 凸轮优 化后 升程 与 凸轮测 量 误 差控 制在 0 0 . 3mm 以 内 , 并保 证 了 凸轮 速 度 曲线 和
当量 凸轮角度/ 。 ()
当量 凸轮角度/ 。 ()
图 1 58 0rri 7 0 / n排气 凸轮 接 触 应 力 a
图 1 58 0 r ri 气 门升 程 曲线 9 0 / n排 a
表 4 动 力 学 计 算 主 要 参 数 结 果
从 以上计 算结果 可 知 , 凸轮 型线优 化后 , 、 进 排气 门 均 未发 生反跳 , 、 进 排气 凸轮没 有发生 飞脱 , 液压 挺柱工
围内 。
s 当有 液压元 件 时 , 冲段 末 端 最 大 速 度会 更 小 , 据 , 缓 根 转 速 、 冲段 长度 和高 度共 同调 试 , 分 发 挥 其 平 稳 落 缓 充
座 的特 点 。缓 冲段 长度 一般 在 1 ~4 a e 5 OC mdg范 围内 ,

厂 — \、 、
圆 弧
正 弦 一0 5 .
司 10 0
0 3
图 1 55 0rmi 气 凸轮 轴 接 触 应 力 曲线 2 0 / n进
表 3 凸轮 型线 主 要 特性 参数
参 数 名 称
气 门 丰满 系数 缓 冲段 高 度 / mm
数 值
凸 轮 最 大 接 触应 力 / a MP
最 大 跃 度 , / mm ・rd ) 。 ( k a。 工作 段 半 包 角 / 。 () 凸轮 最 大 升 程 / mm
( )优化 后 凸轮特性 曲线 2
图 1 所示 。 1

图 1 55 0rri 气 凸轮 轴 接 触 应 力 曲线 3 0 / n排 a
优化后 凸轮运动 特 性 曲线 与测 量 值 的对 比如 图 1 O
进 排 2 中 , 速度值 本身 无量 纲 , 算满 足其 它约 束 条件 后 ( 加 计 设 下 , 、 气优 化 前 与优化 后 动力 学计 算 对 比如 图 1 ~ 图1 9所示 , 动力 学计算 主要 结果 如表 4 示 。 所 计 、 积、 面 和连续 性等 ) 将进 行 自动调 整 。 ,
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