汽油机配气机构圆弧摇臂的优化设计
动力学配气机构试验分析仿真与优化
动力学配气机构试验分析仿真与优化【摘要】目前机械系统设计分析的有力手段是多体系统动力学运用到机械的仿真中，本文针对某发动机配气机构系统，建立参数化的多体系统动力学模型，以多体系统动力学分析软件ADAMS为仿真平台。
采用试验设计的方法进行动力学仿真试验，分析出对响应影响显著的因子，运用回归分析得到响应变量关于试验因子的响应面方程，以此作为优化目标进行寻优计算，实现了对配气机构的设计参数和局部凸轮型线的动力学优化。
【关键词】动力学;配气机构;参数;仿真与优化1.引言配气机构作为内燃机的重要组成部分，四冲程的内燃机都采用气门式配气构机构。
由于配气机构的设计又在很大程度上影响内燃机的动力性与可靠性，其性能好坏对内燃机的性能指标有着重要的影响。
配气机构系统动力学模型有很多种。
一般来说，低速系统配气机构，转速低、载荷小，进行运动学分析即可。
对于中速系统，转速和载荷较高，气门偏离理论运动规律较大，并出现构件在润滑、磨损、强度等方面问题，因此需要用动力学模型研究其动力学特性。
对于高速系统，转速和载荷很大，气门将显著偏离理论运动规律，并受到机构在开始和落座时的冲击反跳，在工作阶段的飞脱，以及润滑、磨损、强度等多方面问题制约，必须用动力学模型研究其特性，并尽可能考虑非线性因素的影响。
目前运用比较多的配气机构动力学模型有离散质量模型—包括单质量模型，多质量模型以及多体动力学模型，有限元模型等。
随着计算机技术、传感器技术以及信号处理相关方法和技术的发展，配气机构的实验也能更精确地反映配气机构工作情况下的实际情况和得到更精确的动力学数据。
实验的目的不仅仅是得到配气机构的动力特征，也可以通过实验得到模型的原始数据。
由于配气机构组件在高速运动过程中表现出一定的柔性特征，部分组件产生一定的变形，导致组件的实际运动规律偏离凸轮型线。
而配气机构动力学特性实验可以测量机构组件的实际运动规律，分析配气机构参数对组件实际运动规律的影响。
基于正交试验的乙醇汽油发动机进气系统优化设计
基于正交试验的乙醇汽油发动机进气系统优
化设计
1 研究背景
汽车已成为现代人们生活中必不可少的交通工具，而燃油消耗以
及尾气排放成为了汽车工业亟需解决的问题。
在燃油消耗方面，优化
发动机进气系统的设计可以减少发动机耗油量，同时提高其性能。
2 正交试验法介绍
正交试验法是一种统计实验设计方法，它可以最小化试验次数，
从而优化研究对象的设计。
与传统的一次变量改变一个因素的方法不同，正交试验法通过改变多个因素并确定影响程度来找出最优解决方案。
3 优化设计方法
我们通过正交试验法来优化发动机进气系统设计，控制因素包括
进气温度、进气压力、进气时间、进气位置等多个因素。
通过正交表，得出不同因素对于燃油消耗量的影响，并结合实际情况，确定最佳设
计方案。
4 结果分析
通过正交试验法，我们得出了最佳的发动机进气系统设计方案，
并在实际汽车中进行测试。
结果显示，在最佳设计方案下，发动机耗
油量得到了明显的减少，同时尾气排放也有所降低。
优化后的进气系
统设计可以大大提高汽车的性能、降低油耗和环境污染，且可以在一
定程度上提高汽车的使用寿命。
5 结论
正交试验法有效地帮助我们优化了发动机进气系统的设计，从而
减少了燃料消耗和尾气排放，提高了汽车的性能，给车主带来更好的
用车体验。
在今后的汽车设计中，我们可以更广泛地应用正交试验法，不断优化汽车的性能和使用寿命，让汽车服务更多的人们。
第三章 配气机构
第三章配气机构3.1 概述 (2)3.2 配气相位 (5)3.3 配气机构的零件和组件 (8)3.4 可变进气系统 (21)学习目标：1.掌握配气机构的组成及各零部件的结构特点；2.掌握配气相位、气门间隙；3.掌握凸轮轴的结构特点；4.掌握可变进气系统的结构类型特点。
学习方法：介绍发动机配气机构的结构及组成，通过实物教学和多媒体课件动态演示相结合，并和汽车拆装与调整实践教学相辅相承，使学生掌握各零部件的结构特点和安装要求。
学习内容：§3.1 概述§3.2 配气相位§3.3 配气机构的零件和组件§3.4 用配气相位图分析可调间隙的气门§3.5 可变进气系统学习重点：1.配气相位；2.气门间隙；3.凸轮轴的结构特点；4.可变进气系统的结构类型。
作业习题：1.影响充气效率的因素主要有哪些？2.配气机构的功用是什么？3.如何从一根凸轮轴上找出各缸的进排气凸轮和该发动机的发火顺序？4.气门弹簧起什么作用，为什么在装配气门弹簧时要预先压缩？5.挺柱的类型主要有哪些，液压挺柱有哪些优点？6.可变进气系统主要有哪几种型式？3.1 概述配气机构的功用就是根据每一气缸内所进行的工作循环和点火顺序的要求，定时打开和关闭各缸的进排气门，使新气及时进入气缸和废气及时排出气缸，使换气过程最佳。
好的配气机构应使发动机在各种工况下工作时获得最佳的进气量，以保证发动机在各种工况下工作时发出最好的性能。
发动机在全负荷下工作时，需获得最大功率和扭矩，这就要求在此工况下，配气机构应保证获得最大进气充量。
吸入的进气越多，发动机发出的功率和扭矩越大。
进气充满气缸的程度，常用充气效率 ( 也称充气系数 ) η v 表示。
即：ηv =M/Mo式中M －进气过程中，实际充入气缸的进气量；Mo －在进气状态下充满气缸工作容积的进气量。
一般情况下发动机充气效率η v 总是小于 l 的。
η v 的大致范围是：四冲程汽油机 0.7 ～ 0.85 ；四冲程非增压柴油机 0.75 ～ 0.90 ；四冲程增压柴油机 0.90 ～ 1.05 。
4第三章_配气机构
汽车构造课程
气门侧置式
由凸轮、挺柱、气门和气门弹簧等组成。省去了 推杆、摇臂等另件，简化了结构。
第 三 章 配 气 机 构
进排气门都布 臵在气缸的一侧， 结构简单、零件数 目少。 气门布臵在同 一侧导致燃烧室结 构不紧凑、压缩比 受到限制、热量损 失大、进气道曲折、 进气阻力大，使发 动机性能下降，已
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汽车构造课程
凸轮 轴下 臵式
第 三 章 配 气 机 构 凸轮 轴中臵
缺点是气门和凸轮轴相距 较远，因而气门传动另件较多 ，结构较复杂，发动机高度也 有所增加。 凸轮轴位于气缸体的中部 ，由凸轮轴经过挺柱直接驱动 摇臂，省去推杆，这种结构称 为凸轮轴中臵配气机构。
凸轮轴直接驱动气门或直 接通过摇臂来驱动气门，既无 挺柱，又无推杆，往复运动质 量大大减小，此结构适于高速 发动机。
圆柱等螺距弹簧
第 三 章 配 气 机 构
不等距弹簧 旋向相反的两个弹簧， 防止断裂的弹簧卡入 另一弹簧
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汽车构造课程
5.气门旋转机构
功用：为了使气门头部温度均匀，防止局部过热引起 的变形和清除气门座积炭，可设法使气门在工作中 相对气门座缓慢旋转
第 三 章 配 气 机 构
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汽车构造课程
பைடு நூலகம்
材料：优质弹簧钢板 形状：碟状
三 = M M v 0 章 配 M-进气过程中，实际进入气缸的新气的质量； 气 机 Mo-在理想状态下，充满气缸工作容积的新气质量。 构 对充气效率的分析 ηv < 1（一般为0.8~0.9） 提高ηv方法
η
/
减少进气和排气阻力 ， 进排气门的开启时刻和 持续开启时间适当 。
5
汽车构造课程
四、配气机构工作过程
某款汽油发动机阀系设计优化分析
10.16638/ki.1671-7988.2016.08.047某款汽油发动机阀系设计优化分析张林，惠昭晨（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥230601）摘要：为了提升某款汽油机发动机动力性和经济性。
在原发动机凸轮轴型线的基础上进行了设计优化，设计了两种新的凸轮轴型线，为此做了阀系运动学和动力学分析，并作以比较。
关键词：凸轮轴型线；阀系；运动学；动力学中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2016)08-144-04A petrol engine valve system design optimization analysisZhang Lin, Hui Zhaochen（Anhui Jianghuai Automotive Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）Abstract:In order to promote a petrol engine, engine performance and fuel economy. On the basis of the original engine camshaft lines for design optimization, design the two kinds of new type camshaft line, do the valves kinematics and dynamics analysis, and to compare.Keywords: The camshaft type line; The valves; kinematics; dynamicsCLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)08-144-04前言发动机设计时，凸轮轴型线一直是设计人员关注的重点[1]。
凸轮轴型线不仅关系到发动机的动力性还关系到发动机的经济性，并且设计不优的凸轮轴型线设计直接影响到整机的可靠性[2]。
配气机构的构造与维修
图3-5 气门锥角
项目三
配气机构的构造与维修
②气门杆。气门杆是圆柱形，在气门导管中不断上、下往 复运动。气门杆尾部结构取决于气门弹簧座的固定方式， 常见的结构形式如图3-6所示。
图3-6 气门弹簧座的固定方式
项目三
配气机构的构造与维修
（2）气门数。在短时间内能够将尽量多的气体吸入和排 出，在很大程度上影响着发动机的整体性能。从气门在有 限制的燃烧室表面积中所占的面积来看，与具有两个气门 的汽缸相比，进排气门越多，则气门面积之和就越大，进、 排气效率越高，而且可以使单个气门的体积减小，质量减 轻。但气门数越多，结构越复杂，成本越高。 ①2气门式（图3-7）。 每个汽缸采用一个进气门 和一个排气门，一般进气 门比排气门大些。桑塔纳 2000GSi轿车AJR发动 机即采用此种形式。
4）气门弹簧 气门弹簧的功用保证气门及时落座并与气门座或气门座圈 紧密贴合，同时也可防止气门在发动机振动时因跳动而破 坏密封。 气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，如图3-13a）所示，安装 时，气门弹簧的一端支撑在汽缸盖上，而另一端则压靠在 气门杆尾端的弹簧座上，弹簧座用锁片固定在气门杆的末 端；为了防止弹簧发生共振，可采用变螺距的圆柱形弹簧， 如图3-13b）所示；大多数高速发动机是一个气门装有同 心安装的内、外两根气门弹簧，如图3-13c）所示，这样 不但可以防止共振，而且当一根弹簧折断时，另一根仍可 维持工作。此外，还能减小气门弹簧的高度。当装用两根 气门弹簧时，气门弹簧的螺旋方向和螺距应各不相同，这 样可以防止折断的弹簧圈卡入另一个弹簧圈内。
配气机构的构造与维修
图3-1 配气机构
项目三
配气机构的构造与维修
发动机工作时，曲轴通过曲轴正时带轮、正时齿带、凸轮 轴正时带轮驱动凸轮轴旋转，当凸轮轴转到凸轮的凸起部 分顶到液压挺柱时，通过液压挺柱，压缩气门弹簧，使气 门离座，即气门开启。当凸轮凸起部分离开液压挺柱时， 气门便在气门弹簧力的作用下上升而落座，气门关闭。 由于四冲程发动机每完成一个工作循环，曲轴旋转2周， 而各缸进、排气门各开启1次，完成一次进气和排气，此
汽车发动机配气机构
正时齿轮 螺栓
驱动汽 油泵的 偏心轮
凸轮
止推座
垫片
止推凸缘
驱动分电器的螺旋齿轮
凸轮轴轴颈
2、凸轮
1)作用：气门开启和关闭的时刻、持续时间、 开闭速度，这是由凸轮的轮廓来保证的。
凸轮的轮廓决定气门的最大升程和升降行程 的运动规律。 2)工作条件： 承受气门弹簧的张力，间歇性的冲击载荷。 3)凸轮性能： 表面有良好的耐磨性，足够的刚度。
链条传动
曲轴→链条→凸轮轴正时齿轮
曲轴→齿形皮带→凸轮轴正时 齿形带传动 齿轮
凸轮轴上臵 式配气机构
齿轮传动
曲轴正时齿轮（钢）→凸轮轴 正时齿轮（铸铁或胶木）
凸轮轴下臵、 中臵式配气 机构
一般从曲轴到凸轮轴只需一对正时 齿轮传动，若齿轮直径过大，可增 加一个中间齿轮。为了啮合平稳， 减小噪声，正时齿轮多用斜齿 材料： 曲轴正时齿轮：钢制 凸轮轴正时齿轮：铸铁，夹布胶木 配气正时：安装时正时记号对齐
消除气门 间隙阶段
出现气门 间隙阶段
凸轮轴的轴向定位：
作用：为了防止凸轮轴在工作中产生轴向窜动和承受斜齿 轮产生的轴向力。
利用调节环控制轴向间隙
3、凸轮轴轴承 结构：衬套压入座孔 材料：低碳钢背内浇减磨合金或铜套
4、挺柱
(1)作用：将凸轮的推力传给推杆或气门，并承受凸轮旋转时施加 的侧向力。 (2)常用材料：有中碳钢、合金钢、合金铸铁等 (3)普通挺柱挺柱的分类：
菌式
筒式
滚轮式
减小摩擦所造成的对 挺柱的侧向力。多用 于大缸径柴油机。
4)挺柱的旋转 (1)旋转的目的：使挺柱磨损均匀。 在挺柱工作时，由于受凸轮侧向推力的作用会引起挺柱与导管之 间单面磨损，又因挺柱底面与凸轮固定不变地在一处接触，也会造 成磨损不均匀。 (2)旋转的措施：
内燃机的配气机构PPT课件
气门的规定间隙，有发动机冷态时间 隙和发动机热态时间隙之分，如:CA6110 型柴油机冷态间隙：进气门为0.30 mm； 排气门为0.35mm。其热态间隙进气门为
0.25mm；排气门为0.30mm。
“全、排、空、进” 含义是： 按发动机的工作顺序如“１-３-４-２ ” “全”表示一缸两个气门均可调整； “排”表示三缸排气门可调整；“空” 表示四缸的两个气门均不可调整；“进
3. 凸轮轴的传动方式 曲轴与凸轮轴之间的传动方式有: 齿轮传动、链传动和齿形带传动三种
方式。
3.2.2 气门组主要零件
气门组件 包括进、排气 门及其附属零 件。组成如图 3-17所示。
图3-17 气门组件的组成
1-弹簧座 2-分开式气门锁片 3-油封 4-气门弹簧
1.气门
气门分进气门 和排气门两种。进 、排气门结构相似 ，都由头部和杆部
簧座的固定方式(如图3-20所示).
图3－22 气门导管
1-卡环 2-气门导管 3-气缸盖 4-气门座
2. 气门导管 气门导管的主要是气门运动的导 向作用，同时起导热作用，将气门杆 的热量经气门导管传给缸盖及水套。 为了防止导管在使用过程中松动脱落 ，有的发动机在气门导管的中部加装 定位卡环，如图3-22所示。
性和经济性。
CA6110型柴油机即采用此种结 构型式。
因为四冲程发动机每完成一个工 作循环，曲轴旋转两周，各缸的进、 排气门各开启一次，此时凸轮轴只旋 转一周。为此，曲轴与凸轮轴间的传
动比应为2:1。
2. 凸轮轴的布置型式 凸轮轴的布置型式是根据凸轮轴 在机体中安装位置的不同，划分为下 置式、中置式和上置式三种。
这种结构型式的配气机构出现较 早，具有结构简单、造价低、维修方 便等优点。但由于其气门侧置造成燃 烧室结构不紧凑且进、排气阻力大， 导致发动机动力性较差、经济性不高
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的各种参 数 ， 并进行 分析 。同时用 ｃｍ—ｅｉｎ模块 ａ ｄｓ ｇ 重新 设计新 的凸轮型线 ， 到能够满 足实 际要 求 。 直
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本型号的发动机采用 的是 圆弧摇臂 ．由于使 用一段时间 ，部分 的发动机的配气凸轮发生 了磨 损。 而且高速的时候噪声过大 。因此 ， 把原机型的
圆弧摇 臂 改成 滚子 摇 臂 ， 重 新设 计 凸轮 的 型线 ， 并
图 １ 配 气 机 构 布 置 图
使发动机的功率与扭矩在 中、低速的情况下表现
更 好 ， 油 消耗 率更 低 燃 。同 时对新 设计 的配气 机 构 ， 机试验 ， 装 比较 它 与原 机 的外 特 性 ， 验 证 其 并
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｙ ｅ ｏ ｔ ｒｙ ｌ ｎ ｉｅ ｏ ａｖ － ｒ ｉ ｓｎ ｒ ｏ ｋ ｒｉ ｖ ｒ ａ ｙ ｔ ｅ ｒｏ ｔ ａｎ，ｃ ｕ ｅ ｅ ｃ ｓ ｉｅ ｎ ｉ ｓ ｒ ｃ ：Ａ ｔ ｐ ｆｍｏｏ ｃ ｃ ｅ ｅ ｇ ｎ ｆｖ ｌｅ ｔａｎ ｕ ｉ ｇ ａｃ ｒｃ ｅ ｅ ｙ ｅ ｓ ｏ ｗ ａ ｕ ｉ ｓ ｃ ａ ｓ ｘ ｅ ｓｖ ｏ ｓ ｅ，ａ ｄ ｎ
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Ｏห้องสมุดไป่ตู้引言
目前 ，国内发动机 的配气机构大部分都采用 了滚子摇臂。 滚子摇臂与凸轮接触 ， 采用的是滚动 摩擦 。 以有效地减小相对摩擦 ， 可 减轻凸轮轮廓的 磨损 ． 降低发动机的噪声 ， 提高零件的可靠性和耐
【内燃机技术 】
ｄ ｉ１．９ ９ｊｓ ．６ ３ ３ ４ ．０ １０ ．１ ｏ：０３ ６／．ｓ １ ７ — １ ２ １ ．８ ０ ｉｎ ２ ０
汽油机配气机构 圆弧摇臂 的优化设计
陈飞虎 ． 张岩
（ 重庆大学 ， 机械工程学 院车辆工程系 ， 重庆 ４ ０ ４ ） ００ ４
摘要 ： 某型号摩托车发 动机 的配气机构采 用圆弧式摇臂 ， 由于圆弧摇臂与 凸轮接 触应力的许 用值 比较低 ， 凸轮 容易发生磨损 ， 引起发动机 的噪声过 大， 而且发 动机的机械功率损失也较大。因此 ， 采用滚子摇臂来代替 圆弧摇 臂。 并采用分段 函数法对原来的凸轮型线进行重新设 计． 然后 通过 高速强化 实验验证配气机构的可靠性 。保证 在具有 良好的可靠性的情况下 ， 高中、 提 低转速的扭矩 ， 其燃油经济性 。 改善 满足工程的 实际应 用。
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２ １ 年第 ８ ０１ 期 （ 总第 ２ １ ） ４期
农 业装 备与 车辆 工程
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关键 词 ： 配气机构 ； 滚子摇臂 ； 凸轮型线 ； 配气相位 中图分类号 ： Ｋ １． Ｔ ４ ３４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：６ ３ ３４ （ １）８ ０ ２ — ４ １７ — １２２ １ — ０ ７ ０ ０ ｏ
Ｉ ｐ ｏ ｅ ｅ ｔＤｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｕ ａ ｉ ｃ ｅ ｌ ｅ Ｔｒ ｉ ｆ Ｇａ ｏ ｉ ｅ Ｅｎ ｉ ｅ ｍ ｒ ｖ ｍ ｎ ｓｇ ｆＣｉ ｃ ｌ ｒｔ Ｒｏ ｋ ｒ Ｖａ ｖ ａ ｎ ｏ ｓ ｌ ｇ ｎ ｙ ｎ
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