基于模糊优化设计的内燃机气门弹簧的优化设计
409_某发动机气门弹簧优化分析_江淮汽车_王强等
图1 阀系结构示意图图2 单阀系分析模型
从运动学结果来看，最小弹簧裕度在最大超速转速时，进排气侧都满足大于
设计指标；凸轮与摇臂最大接触应力在6350rpm进气侧达到最大值590MPa 的接触应力限值。
弹簧力过大会导致凸轮与摇臂最大接触应力超标，过小又不能满足最小弹簧裕度要求，通过以上计算结果可以看出，弹簧力符合整机工作需求。
图3 进气侧6000rpm运动学计算结果
图4 排气侧6000rpm运动学计算结果
表2 单阀系运动学结果汇总表
进气排气
气门最大升程[mm] 8.7019 8.2809
额定转速6000rpm最小裕度 1.603 1.679
转速6350rpm最小裕度 1.431 1.499
图5 进排气气门弹簧6000rpm受力曲线图
弹簧优化计算
由以上的理论计算和单阀系结果来分析，产生弹簧并圈问题是由于弹簧在气门升程最大时簧丝距离过小。
要消除并圈问题，可以通过两种措施来实现，一种是基于弹簧设计的更改，
但前者较为简单，只需对弹簧尺寸进行合理的修改，
图6 优化气门弹簧在进气侧6000rpm运动学计算结果
表5 优化气门弹簧的单阀系运动学结果汇总表
进气排气气门最大升程[mm] 8.7019 / 额定转速6000rpm最小裕度 1.627 /。
车用发动机气门弹簧的优化设计方法
车用发动机气门弹簧的优化设计方法
袁兆成[1];李传友[2]
【期刊名称】《车辆与动力技术》
【年(卷),期】1998(000)003
【摘要】该文深入研究了各种气门弹簧的设计过程，提出了目前车用发动机上常见的气门弹簧结构的优化数学模型，在微机上开发了专用软件，实现了气门弹簧最佳设计的自动化。
通过实验和对比性计算可见用这种设计方法优化设计气门弹簧效果良好。
【总页数】6页(P43-48)
【作者】袁兆成[1];李传友[2]
【作者单位】[1]吉林工业大学!长春;[2]130025
【正文语种】中文
【中图分类】U463
【相关文献】
1.降低车用发动机燃油耗的高强度轻量气门弹簧 [J], Lee J-S;Ko Y S;Ban H O;孙丹红
2.车用发动机气门弹簧的优化设计方法 [J], 袁兆成;李传友
3.气门弹簧早期断裂原因 [J], 聂轮
4.兵器工业车用发动机专业情报网第九次全网大会暨《车用发动机》编辑工作会议在海口召开 [J], 惠春侠
5.发动机气门弹簧与锁夹座自动装配的研究及应用初探 [J], 吴连伟;张德君;李文博;代志勇;乔华强
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汽车发动机气门弹簧的最优化设计与计算分析论文
0引言配气机构是汽车发动机最重要的组成部分之一，而气门弹簧是配气机构气门组的重要零件，其功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。
因此，气门弹簧应具有合适的刚度、足够的抗疲劳强度、质量要轻、弹力要小以及避免在工作时发生颤振现象。
本文对气门弹簧设计的变量、目标函数及约束条件进行了分析，提出了气门弹簧优化设计的数学模型，并进行实例验证数学模型的可行性，旨在克服传统设计方法耗费大量人力物力的缺陷，降低制造成本，提高产品的市场核心竟争力。
1气门弹簧最优化设计数学原理1.1最优化参数的确定圆柱形螺旋气门弹簧设计时，除选材料及规定热处理要求外，主要是根据最大工作载荷、最大变形以及结构要求等来确定弹簧的钢丝直径d,中径Dz、工作圈数n、节距t或螺旋升角a和高度H等。
通常取弹簧钢丝直径d，弹簧中径D:和弹簧工作圈数n为最优化设计的'设计变量。
1. 2建立最优目标函数目标函数可根据弹簧的工作特点和对它的专门要求来建立。
例如，对于因工作特点极易导致疲劳损坏的弹簧，则应以疲劳安全系数最大作为最优化设计的目标;对于安装空间很紧、要求尽量减小轮廓尺寸的弹簧，则应以其外径或高度最小，从而得到最小安装尺寸作为最优化设计的目标，本文以弹簧弹力最小作为最优化设计的目标。
1 .3最优化设计数学模型的确定由上述得到的最优化条件和约束条件，其数学模型可以归结。
2气门弹簧实例设计计算设对江铃某一小型柴油发动机气门弹簧进行优化，其不同工况的转速为:怠速850 r/min;中速时2 500 r/min;高速(额定转速)时3 600 r/min其气门弹簧材料采用65Mn.剪切弹簧性模量G=81 340 MPa，最大变形量d =31. 17 mm，工作温度T=126 0C，弹簧结构:2.5 mm<d<6 60="" c="(Dld)" mm.30="" n2="2.">60。
基于多目标的内燃机气门弹簧优化设计分析
（ 茂名 学院 机 电工程 学院 ， 东 茂 名 ５５０ ） 广 ２００
摘要 ： 合运 用机械优化理论 的优 化设 计方法 ， 综 通过 分析 内燃机气 门弹簧优化设计 的设 计变量 、 目标 函数和 约束条件 ， 建立
起 以内燃机气 门弹簧 的质量 、 高度及 防共 振性能为 目标 函数 的多 目 优化设 计数学模型 ， 多 目 优化设 计方法进 行了探 标 对 标
Ｆ） ＝ ，＝ （÷
＝ ｊ
考虑到气 门弹簧的强度 、 稳定性 、 尺寸规格 以及安装工艺等方面的要求 ， 以得到下列约束方程。 可 （） １强度条件 。为使弹簧正常工作 ， 引 弹簧的工作应力应小于等于许用剪切应力 ， 即
ｒ ： —
８Ｐ Ｅ ］ ｋＤ ｒ
了ｄ 【
１ 弹簧 多 目标优化 设计数 学模型 的建立
内燃机气门弹簧应具有足够的强度和安装预紧力 ， 质量要轻 ， 还要避免在工 作时发生共 振现象等［。 １ 】 据此 ， 建立以下优化设计数学模型。
１ １ 确定 设计 变 量 ．
对于圆柱螺旋压缩弹簧 ， 其设计参数包括 ： 弹簧钢丝直径 ｄ 弹簧 中径 Ｄ 弹簧外径 Ｄ 、 、 、 ：工作 圈数 ｎ ， 弹簧的最大变形量 和旋绕 比 ｃ 。 弹簧的最大变形量 取决于弹簧的工作载荷、 弹簧的布置及尺寸规格 ， 在弹簧设计 之前可 以选定一
— — 一 ＝ — — — — 一
式中： 为钢丝密度 ； ： Ｊ ０ ｎ 为弹簧支承圈数。
收稿 日期 ：０７ ５—３ ； 回 日期 ．０７—０ ２ ０ —０ ０ 修 ２０ ６—２ ８
作者简介 ： 莫才颂 （９３ ， ， １７一） 男 广东茂名人 ， 讲师 ， 硕士 ， 从事机 电工程 、 机械设计理论 的研究 。
车用内燃机气门弹簧优化设计
ｅ ｇｎ ａ ｅｓｒ ｇｓｐ ｒ ｒ ｅｉｎｖ ｒ ｂｅ，ｂｅ ｔ ｅｆｎ ｔ ｎａ ｄｃ ｎ ｔａｎｓ ｏ ｄｔ ｎ ， ａ ｈａｃ ｎ ｌｓ ｎ ｎ ｉｅ ｌ ｐ ｉ ｅｉ ｓ ａｉ ｌｓ ｊｃｉ ｃｉ ｎ ｏ ｓ ｉｔ ｃ ｎ ｉｏ ｓｒ ｃ ｏ ｃｕ ｉ ． ｖｖ ｎ ｕ ｏｄ ｇ ａ ｏ ｖ ｕ ｏ ｒ ｉ ｅ ｏ
数 学模 型 ，通过 分析 车用 内燃机 气门弹簧优 的设计 变量 、 目标 函数和 约束 条件 ，得 出结论。 关键词 ：车 用内燃机 ；气门弹簧 ；优 化设 计；数 学模型
Ｄ Ｉ Ｉ ．９ ９ Ｊｓｎ１ ７ — ５ ６２ １ ． １０ ５ Ｏ ： ３ ６ ／．ｓ． ６ １ ６ ９ ．０ ２ ． １ Ｏ ｉ ０
中 国西部 科技 ２ １ 年０ 月 （ 旬 ）第０ 卷 第２ 期 总第２ ８ ００ ７ 下 ９ １ １ 期
车用内燃机气门弹簧优化设计
乔 明星
（ 州科 技 工 程 职 业 技 术 学 院 ，贵 州 贵 阳 ５ ０ ０ ） 贵 ５ ０ ８
摘
要： 本文 阐述 了车用 内燃 机 气门弹簧 的作 用和对 其进行优化 设计 的重要 性 ，提 出 了车 用内燃机 气门弹簧 优化设 计的
以 ，稳 定性 约 束 条件 为 ： ） ５ 一 ｇ ＝ （ ３
１５４ 绕 比 的限 制 条件 ．．旋
的 弹 力最 小 。
用变形 量，必须使弹簧产生最大变形量 时所 允许的载荷大于 等 于 工 作 载 荷 Ｆ 即 Ｇ ， ≥ ，式 中 ： 入为 弹簧 的最 大 变 Ｆ
，
形量；Ｇ 为弹簧材料的剪切弹性模量。因此，刚度约束条件为：
＞０ 。
１５５ 定性 条件 ．．稳
，
式中 ：Ｈ为 自由高度 ， 。 （ 一 ．ｄ １ 。所 ｏ Ｈ ＝” ０ ）＋． ５ １
基于证据理论的气门弹簧可靠性设计优化
靠性分析 方法 。文献 把证据理论 和 区间分析相结 合 ， 出了 提
一
则称 ｐ 为 Ｂ ｌ ｌ ｅ 的似真度 函数 ， （ 称为 Ａ的似真度。且 Ｐ Ａ）
种可靠 性设计优 化方法 ， 并开发 了相应 的优化设计 程序 ， 极 发动机 气 门弹簧 ，利用其 弹力来保证 气 门组 按配气 凸轮
则称 ｍ 为框 架 上的基本 可信度 分配 ； Ａ Ｏ， ） ＇ ｔ ｍ ｉ ｆ 称
为 Ａ 的基 本 可 信 数 。
若 ｍ：ｅ ［ ， ］ ２ 一 Ｏ １ 为辨谚 啦 ９上的基本可信度分配，怖 由 贝
ＶＡ ０ ｃ
ＢＩ ） ∑ （） ｅＡ： Ｂ （
Ｂｃ Ａ
（）
中 图分 类 号 ： Ｈ１ ２ Ｔ ２ 文献标识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ７ — ４ Ｘ ２ １ ０ － ０ ９ ０ １ ２ ５ ５ （０ ５ ０ ４ —３ ６ ０）
可靠 性是产 品质量 的一项重要指标 。可靠 性设计 的实质 ， 是一 个优化 问题 ， 即在满足产 品性能可靠 性约束 的前提 下 ， 使 得设计 指标最 优化 。比较典型 的可靠 性设计 方法 ，有 矩 匹配 法、 最大 可能点法 、 蒙特卡洛随机模拟 法等。１６ ９ ７年 ， ｅ ｐｔｒ Ｄｍ ｓ ｅ
提 出 了 证 据 理 论 ， 来 Ｓ ａｅ 对 其 进 行 了进 一 步 研 究 与 发 展 ， 后 ｈｆ ｒ 故 又 称 其 为 Ｄ Ｓ证 据 理 论 【 研 究 表 明 ， 据 理 论 可 以对 随 机 、 — ｌ １ 。 证 模 糊 、 间 等 不 确 定 信 息 进 行 有 效 处 理 。 近 年 来 ， 据 理 论 已 区 证
《 装备 制 造技 术 ￣０ ０年第 ５期 ２１
基 于证 据理论 的气 门弹簧可 靠性设 计优化
内燃机阀门压缩弹簧遗传优化设计
内燃机阀门压缩弹簧遗传优化设计
近年来，由于先进的计算机技术和新型数据分析方法的发展，以遗传优化为代表的套用计算方法在内燃机阀门压缩弹簧设计方面的应用更加广泛，从而使其在采购成本降低、整体体系运行可靠性提高以及性能改进等方面发挥着积极作用。
遗传优化技术是一种基于模拟生物进化规律的智能优化方法，它使用各种有效的变异性和选择性算子来确定和调整目标函数中有用的变量，从而搜索给定空间中的最佳变量集合，从而达到优化设计的目的。
在内燃机阀门压缩弹簧设计方面，遗传优化技术可以采用多级结构的压缩弹簧来改变压缩弹簧的参数，如弹簧系数、弹簧行程、体积系数，以实现预设的力学性能指标，可以有效地搜索出最佳的压缩弹簧设计方案，实现以较低的成本获取最佳的性能参数和结构尺寸。
为了确保遗传优化技术在内燃机阀门压缩弹簧设计中真正发挥作用，首先利用依据可靠的理论模型分析压缩弹簧结构及其本身力学性能参数之间的关系，以保证遗传优化搜索出的结果的准确性。
其次以内燃机阀门的性能参数，如轻型、可靠性和耐久性等作为优化目标，根据特定应用场景下弹簧的实际负载及要求制定适当的优化指标，同时应充分考虑可能存在的结构恢复和变形等问题，以得出最优设计方案。
最后，需要进行有效的模型实验验证，确保综合评价指标与有效优化结果一致，以提高内燃机阀门压缩弹簧设计的效率和可靠性。
海上平台双燃料柴油机气门弹簧优化设计研究
Ｋｅ ｏｄ ： ａ ｅｐｉ ； ｐｉａ ｄｓ ｎ ｆｔ ｕ ｓ ｙｗ ｒｓ ｖｌ ｒ ｇ ｏｔ ｌ ｅｉ ；ａｉ ｅｔｔ ｖｓ ｎ ｍ ｇ ｇ ｅ
０ 引言
证气 门开启后及 时归位 ， 并使其 与气 门座之间紧密配
的刚度和安装预 紧力 ． 门弹簧 在频繁的交变载荷作 气
用下 ， 容易造成疲 劳破 坏而 断裂． 因此需 要气 门弹簧 具有 足够 高的弹力和疲 劳强度． 现在多数发 动机上 采用 双气门弹簧 ， 即在一个气 门上安装 内、 外两个旋 向相反 ， 套在一起的弹簧 ， 这样
通过实际装机运行 ， 使用效果超过进 口气 门弹簧．
Ａ ｓ ａ ｔＴ ｉｐｐｒｔｄｅ ｔ ｔ ｉ ｔ ｎｏ ｕ ｌｕｌ ｉｅｅｇｎ ’ ｖｌ ｒ ｇ ｈｒｕ ｈｔ ｌ ｔ ｎ ｆ ｂｔ ｃ：ｈ ａｅ ｓ ｉ ｅ ｐｉ ｚ ｉ ｒ ｓ ｕ ｓｈ ｏ ｍ ａ ｏ ｆｄａ－ ｅ ｄｅ ｌｎ ｉ Ｓ ａ ｅｐｉ ．Ｔ ｏｇ ｅ ｅ ｃｏ ｆ ｓ ｅ ｖｓ ｎ ｈ ｓｅｉ ｏ
很大隐患． 本文对 海上平 台双燃料柴 油机气 门弹簧进 行 了优化设计研究 ， 通过对气 门弹簧材质选取 、 加工工 艺、 热处理工艺 的策 划研究 ， 理顺 了制造工 艺流程 ， 并 对气 门弹簧进行 了共振 和稳性验算 和疲 劳寿命 开的现象 ； 同时尽量减 少气 门落座 时的冲 击力 …． 为此 ， 门弹簧应 有足够 气
强 装 ｌ 慕 幡 鸥 ｇ 妻毒髓 、 ｊ ） ｜ｌ 毫
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｈ ｌ ｅ Ｓ ｉ ｇ Ｏ ｐ ｉ ａ ｓｇ ｆ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅ Ｖａ ｖ ｐｒｎ ｔｍ ｌＤｅ ｉ ｎ ｏ
Ｄｕ １ｆ ｅ ｉ ｓ ｌｅ ｉ ｅ Ｕｓ ｄ ｉ ｆｓ ｏ ｅ Ｐｌ ｔｏ ｍ ａ ．ｕ ｌｄ ｅ ｅ ｎｇ ｎ ｅ ｎ Ｏ ｈ ｒ ａｆｒ
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基于模糊优化设计的内燃机气门弹簧的优化设计摘要:为了能够提高内燃机气门弹簧优化设计的可靠性,提高其使用性能,深入地分析了模糊优化设计在其中的应用。
首先,建立了气门弹簧模糊优化设计的数学模型;其次,分析了模糊约束的非模糊化处理方法;然后,探讨了模糊优化求解过程;最后,通过算例分析验证了该方法的有效性。
关键词:气门弹簧优化设计模糊优化设计
内燃机气门弹簧属于内燃机配气机构重要零件之一,气门弹簧的基本功能如下:当气阀在闭合的过程中,可以缓冲气门和传动件所受的惯性力,防止传动件和传动件之间在惯性力的作用下导致的运动间隙;当气阀开启和闭合时,能够使气阀和相应的驱动机构始终和凸轮配合共同运动。
当内燃机气门弹簧的设计不恰当时,会发生气门机构的飞离、反弹,严重的情况将使弹簧产生振动、甚至形成断裂破坏。
所以,内燃机气门弹簧的优化设计对于提高内燃机的工作性能是非常重要的。
在气门弹簧的优化设计过程中,许多设计因素都具有非常显著的模糊性,因此,利用常规优化设计方法所获得的结果和实际情况有不复之处,针对这个局面,应该选择一种有效的方法来进行内燃机气门弹簧的优化设计,模糊优化设计可以有效地解决气门弹簧设计过程中存在的模糊性,模糊优化设计主要是将模糊理论和传统的优化设计结合了起来,是对传统优化设计的一种拓展,因此,可以利用模糊优化设计方法对内燃机气门弹簧进行优化设计。
1 气门弹簧模糊优化设计的数学模型
气门弹簧模糊优化设计的最终目的是能够降低机构的振动,在确保气门弹簧具备一定刚度和强度的前提下,以气门弹簧的质量的最小为优化目标,确定最优的设计方案。
优化设计过程中的模糊约束条件包括:强度、刚度、稳定性和振动等。
(1)模糊优化设计的变量
气门弹簧选用圆柱螺旋压缩弹簧,应该选择最佳的制造材料,并且进行恰当的热处理,除此而外,气门弹簧的设计参数主要有三个,分别是气门弹簧的钢丝直径、气门弹簧的中径、和气门弹簧的工作圈数,因此,气门弹簧的设计变量可以表示为如下的形式:
(2)模糊优化设计的目标函数
内燃机气门弹簧的模糊优化设计的目标函数可以取为气门弹簧的体积,可以表示为如下的形式:
式中,表示死圈数。
(3)模糊优化设计的约束条件
(a)强度条件
为了能够确保气门弹簧的正常工作,气门弹簧的工作应力不能超过材料的许用剪切应力,相应的强度条件可以表示为如下的形式:
式中,表示气门弹簧所受到的外力;表示气门弹簧的曲度因子,可以利用如下的公式进行计算:
因此,强度条件的约束函数可以表示为如下的形式:
(2)刚度约束条件
(3)稳定性约束条件
为了能确保气门弹簧的稳定性,相应的约束条件为:
2 模糊约束的非模糊化处理
根据内燃机气门优化数学模型可知,模型中的目标函数和约束函数都是非对称的,可以利用水平截集法求解在一般约束条件下函数的条件极值。
3 模糊优化求解过程
弹簧的尺寸为标准值,因此属于三个离散变量,为了提高计算精度,
利用混合离散变量法进行优化计算,利用MATLAB软件编制相应的仿真程序。
4 算例分析
对一内燃机气门弹簧进行优化设计,弹簧的安装高度为85.5mm,安装力的大小为385N,弹簧的最大工作力为896N,气门的工作行程为13.54mm,工作载荷的频率为55Hz,制造材料为50ceV A,D2的取值范围在20mm和50mm之间,弹簧的圈数范围在4圈和50圈之间,支撑圈数为1.86,旋绕比大于等于6,弹簧刚度的误差小于等于0.01,弹簧的工作寿命为107次时对应的可靠度R0等于0.95,采用质量最轻的方式进行弹簧的优化设计。
在非对称模糊优化时,应该构建因素集。
评价气门弹簧时,相应的影响因素有以下几个方面:μ1表示设计水平,μ2表示制造水平,μ3表示材料的质量;μ4表示重要性;μ5表示弹簧的使用环境。
因素集可以表示为:{μ1,μ2,μ3,μ4,μ5}。
根据性质可以划分以下几个等级,分别是高、较高、相当、低、很低。
接着,构建评判集。
水平值为λ的评判集可以表示为:λ={0.0,0.1,0.2,…,1.0}。
接下来,进行单因素的模糊评判。
利用专家打分法确定λ的隶属度,相应的结果见表1。
再次,建立相应的权重集,相应的结果为:
最后,利用M(.,+)算法求得λ*=0.4385。
利用所得到λ*值并且利用混合离散变量法对优化模型进行求解,最后可以获得气门弹簧相应的优化设计结果,见表2。
从表2可以看出,经过模糊优化设计后的内燃机气门弹簧的结构重量得到了降低,工作圈数有所降低,从而提高了其工作性能和工作寿命。
5 结语
利用模糊优化设计对内燃机气门弹簧进行结构的优化设计,通过算例分析验证了该方法的有效性,可以获得最佳的气门弹簧结构,提高气门弹簧的使用性能。
参考文献
[1]黄洪钟．机械设计模糊优化原理及应用[M]．北京:科学出版社,1997:101-137.
[2]陈立周．机械优化设计方法[M]．北京:冶金工业出版社,2005．。