凸轮优化设计
仲恺农业工程学院
1 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。 仲恺农业工程学院
1.1.3高次方凸轮
高次方凸轮是目前整体式的函数凸轮型线中应用较为广泛的一种。它的基本段挺柱升程函数是高次多项式，项数和幂次的选取有一定的任意性。一般情况下，幂指数越大，升程曲线就越丰满，且最大负加速度越小，而使凸轮外形最小曲率半径增大，有利于减小该处接触应力、降低磨损。但是其负加速度初段形状不理想，往往会提高对弹簧的要求，而且还使最大正加速度值增大，正加速度段宽度减小，导致配气机构振动加剧。在设计过程中，一般先针对若干组幕指数，计算出反映凸轮特性的各相关参数，确定性能较好的一组作为计算方案。高次多项式型凸轮主要应用在对动力性能要求较高的现代高速车用发动机上[22]。
1.1.4多项动力凸轮
以上三种型线的凸轮都是把配气机构视为完全刚性的。但配气机构总是存在弹性变形。无论挺柱升程怎样设计，它与气门升程之间总是有差别的，因此，基于这一差别的考虑，对挺柱升程曲线预先做一定的修正，这样使用动力学计算方法算出的气门升程曲线才比较理想。多项动力凸轮基本工作段的气门升程曲线是高次多项式来设计的，因此能够进行这种动力学修正的型线有很多种，应用最为广泛的是多项动力凸轮，这种凸轮具有良好的高速适应性。目前多项动力凸轮主要应用在高速汽油机中。
1.2配气凸轮优化设计方法
内燃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。配气凸轮的丰满系数越大，则进气量越多，内燃机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越低，凸轮形线的圆滑性越好，内燃机的振动与噪声越小；凸轮与挺柱间的接触应力越小；润滑特性越好，内燃机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小。
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。
1.2.1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。
1）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。 仲恺农业工程学院
2）静态加油度峰值。即挺柱最大正加速度amax和最大负加速度amin，也就是说amax和amin的绝对值越小，高速动态性能越好。
3）凸轮廊面最小曲率半径，或者凸轮与挺柱表面的接触应力。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大于2mm。
用静态优化设计法设计的圆弧凸轮，虽然加速度曲钱不连续，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。当内燃机转速进一步提高时。配气机构的弹性变形引起气门强烈振动，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动、噪声和各零件间的磨损，还会使充气性能有所下降，为了解决这些问题，人们就提出了动态设计的方法[14]。
1.2.2动态优化设计
在动态优化设计中，考虑弹性变形。把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线。
1）气门的动态加速度峰值。也就是根据单质量振动模型或多质点振动模型计算出的最大正加速度波蜂值和第一个负加速度波谷值的大小，以及落座后的气门动态响应。
2）动态充气性能。即考虑进排气管压力波动，多缸机各缸的抢气现象，配气相位对充气性能的影响。随着内燃机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，一是当转速提高。吸气过程缩短，进排气管压力波的动态效应增大；另一方面气门发生飞脱和反跳，破坏了正常的静态充气性能。
3）挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。但在实际上这些指标受到一些限制，如在动态充气性能计算中必须考虑到进排气管中的压力波动情况、配气相位的影响，这就需要求解一元不等熵流动的特征线方程组，而精确求解该方程组比较困难。另外动态充气性能主要受到进排气管和气道的结构尺寸的影响，所以往往把它和凸轮型线分开计算。凸轮脚面与挺柱表面的动力润滑一般只用道森半经验公式进行计算，所以有时也不考虑，实际上所谓的动态优化设计只比静态优化设计多考虑了动态加速度峰值，一般将配气机构简化成单质点振动模型。用振动模型的动态加速度正负峰值来判断凸轮型线的好坏。
用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、rL次谐波凸轮等。多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形，并未考虑配气机构的仲恺农业工程学院
弹性振动，它仍然没有从根本上解决配气机构的振动等问题。
谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条件设计谐波凸轮，这种凸轮型线在理论上引起配气机构的振动最小，被认为具有较好的工作平稳性，但设计时调整工作量大，特别难以控制负加速段的波动，且这种凸轮在缓冲段和工作段连接处附近有波动，很难作出合理设计，因此限制了它的应用。
动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题，但同限于凸轮型线的优化。而优化的目标常会使气门升程下的面积达到最大，即把凸轮的充气性能放在首位。这样的考虑显然不能达到系统优化的目的．现在已出现针对系统优化的模型。将凸轮型线与配气系统的动态行为统一考虑，这种模型较为全面地顾及对配气系统的各种要求，达到较好的效果[15]。
二.基于高次方程凸轮型线设计
2.1普通高次多项式凸轮型线的设计
整个凸轮轮廓由基圆、挺柱上升段和挺柱下降段组成，其中上升段和下降段又都各分为缓冲段和工作段两部分。上升工作段和下降工作段在桃尖最大升程处相接。上升缓冲段和下降缓冲段各处在对应工作段与基圆之间。在缓冲段上，挺住升程很小，速度也很小，每一段所占凸轮轴转角度数叫做段长[24]。配气凸轮所对应的挺柱升程曲线在上升段和下降段各有一缓冲段，上升级冲段和下降缓冲段的设计可以是相同（对称）的，也可以不相同。例如在有些凸轮设计中，将上升缓冲段包角取得较短，而下降缓冲段的包角取得较长，其目的是使气门开启较快而关闭时落座又不致过大，但一般所见到的多数设计，其上升、下降缓冲段还是取成相同的。此外，缓冲段的设计还应考虑与基本段有连续光滑的连接。
设置缓冲段的目的是控制住气门的初速度和落座速度，由于气门间隙在发动机运转过程中会因一些零件的热膨胀和磨损而发生变化，如果没有缓冲段，则在气门间隙较大时，气门会受到较大的初始速度冲击和落座过度冲击，加剧机构的振动、嗓声以及气门和气门座锥面的冲击摩擦。安排缓冲段，并使缓冲段升程大于折算到挺柱端的气门间隙最大可能值，则气门间隙消除时刻和气门落座时刻挺柱总在缓冲段上，气门的初速度和落座速度得以控制。
多数汽车发动机的进气凸轮不同于排气凸轮，而且一般表现为排气凸轮的工作段总长大于进气凸轮，最大升程、缓冲段与工作段衔接处的挺柱升程、挺柱速度也稍大于进气凸轮。凸轮型线的形状将直接形响发动机的性能、配气机构各部件的冲击负荷以及发动机的噪声，因此在凸轮型线计算中应遵循如下原则： 仲恺农业工程学院
1）在凸轮包角和气门最大升程不变的情况下，气门开启期的时面值应尽可能大，以利于提高气门充气效率。
2）控制气门开闭的加速度，减小配气机构各运动件的惯性力。
3）应控制气门在工作段中的最大负加速度，以避免气门弹簧的设计困难。
4）凸轮型线各区段接点处的加速度应尽量连续。以减小或避免机构中的冲击
和振动。
2.1.1缓冲曲线的设计
设计组冲段曲线应保证缓冲段曲线与基圆和工作段的光滑连接，即在接点处相切且在该点附近挺柱速度足够小。以减小配气机构的冲击，因此对气门落座速度应进行限制，但落座速度也不能过小，否则不利于气门撞碎气门座上的杂质；此外，在缓冲段接近终点时，升程变化过于平缓，当配气机构间隙略有变化时造成气门启闭时刻有较大变化一般气门开启或关闭时的挺住速度0.0127～0.0524mm/凸轮转角(deg)之间，缓冲曲线所占凸轮转角0为15°～40°，选定0应与缓冲段终点处的挺柱升程及缓冲段的函数表达式综合考虑。
一般的凸轮设计是分别用两个函数式表达从动件在基本工作段与缓冲段上的运动规律的，缓冲段函数的形式有多种，一般采用余弦型或等加速-等速型缓冲段。
余弦缓冲段是常用的一种缓冲段，其挺柱升程曲线形式为
)cos1()(0qPahh，当00 （2-1）
式中P0—缓冲段全升程；α0—缓冲段包角；0/90q。
这段缓冲段的速度，加速度曲线为
qqPdtddhdaqqPdtdddhvcos)(sin2022220 （2-2）
基于SolidWorks圆柱凸轮建模的优化设计
第１９卷第２期 ２００８年４月 中原工学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＺＨＯＮＧＹＵＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．１９ ＮＯ．２ Ａｐｒ．，２００８
文章编号：１６７１—６９０６（２００８）０２～００６５—０４
基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ圆柱凸轮建模的优化设计
郜海超，袁守华
（中原工学院，郑州４５０００７）
摘要： 首先推导出圆柱凸轮机构中圆柱凸轮的实际廓线方程，基于Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ平台分别采用参数解析法和圆柱凸轮
反求法２种方式建模．然后通过实例验证表明，参数解析法不但能够根据廓线方程实现圆柱凸轮的精确建模，而且能够
缩短凸轮研发周期，降低凸轮研发成本，提高凸轮设计与加工的效率，在凸轮设计、加工、制造方面具有较的高实用价值．
关键词： ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ；圆柱凸轮；三维造型；优化设计
中图分类号：ＴＨ１２３ 文献标识码： Ａ
空间凸轮机构是１种典型的常用机构，由于它能
以简单的机构实现任意复杂的预期运动及其具有良好
的刚性和传动 、导向、控制等功能，长期以来广泛应用
于各种自动机中．随着纺织机械用于车锭脚螺纹的专
用车丝机向高效率、高精度和高自动化的发展，作为专
用车丝机核心部件的分度凸轮机构必须具有特征优良
的凸轮曲线和高速、高精度性能．凸轮曲线特性优良与
否直接影响凸轮机构的精度、效率和寿命；多年来，凸
轮专家创造了数十种特性优异的凸轮曲线，如三角函
数通用凸轮曲线，代数式通用凸轮曲线等．如何利用凸
轮曲线进行凸轮轮廓三维设计，是ＣＡＤ／ＣＡＭ领域实
现凸轮精确造型值得探讨的问题．
关于凸轮机构类型确定情况下几何参数的优化设
计已有成熟的理论和方法，基于一定的寻优策略和算
法，即可获得最优解．凸轮机构的参数很多，如凸轮基
圆半径、直动从动件偏距、滚子半径、摆动从动件长度
及中心距等，其中有部分参数相互之间存在确定的函
数关系．选择其中相互独立的参数作为设计变量，用通
电控共轨高压泵凸轮机构动力学仿真及优化设计
第３１卷 第２期 ２００７年４月 武汉理工大学学报（鸯 霾差） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２００７
电控共轨高压泵凸轮机构动力学仿真及优化设计＊ 谭 笛 吴欣颖 （海军工程大学动力工程学院 武汉４３００３３） 摘要：根据电控高压共轨系统供油泵的工作特点。运用凸轮机构动力学原理建立了凸轮机构动力 学多自由度模型，并利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立了该凸轮机构的仿真模型，参照Ｂｏｓｃｈ泵凸轮机构的结构 参数，计算了凸轮从动件一柱塞的实际位移与其理论位移的误差．通过仿真分析，研究各设计参数 对凸轮运动规律的影响，为电控高压泵的优化设计提供了良好的理论依据． 关键词：共轨系统；高压泵；凸轮；动力分析；仿真 中图法分类号：ＴＫ４２３ 高压共轨系统，其关键件之一的高压泵对系 统的燃油喷射压力有着重大影响，而凸轮机构作 为泵的传动系统中的重要组成部分，对传动系统 的动力学特性及可靠性的影响十分显著，故对它 的研究是共轨系统开发的重要环节［１］． 文中以Ｂｏｓｃｈ高压泵的凸轮机构为例，进行 了凸轮机构的动力学仿真及优化设计． １ 凸轮机构动力学模型的建立 图１为Ｂｏｓｃｈ高压泵的凸轮机构的示意图， 整个凸轮机构可分为２个子系统：凸轮一挺柱体子 系统、凸轮轴一凸轮子系统［２ ］． １）凸轮一挺柱体子系统将构件的质量作集 中化处理：（１）挺柱体集中质量ｍ。；（２）柱塞集中 质量 １ ｍ２一ｍ３＋ １ ７ 。 （１） ０ 式中：ｍ 为柱塞质量； 为柱塞弹簧质量． ２）凸轮轴一凸轮子系统 Ｊ —Ｊｌ＋ＪＴ． ‘ （２） Ｊ 一Ｊｌ＋ＪＴ 式中：Ｌ厂。，Ｌ厂。为驱动盘和凸轮的转动惯量；Ｌ厂 ．，ＪＴ， 为集中到驱动盘和凸轮上的轴自身的转动惯量． 当凸轮轴具有较大刚度，其振动可不考虑时， 可简化为如２图所示的二自由度动力学模型．图２ 中，ｈ为挺柱体与凸轮接触处的位移，即柱塞的理 论位移； 为柱塞弹簧的预紧力；Ｐ为外载荷；ｋ。 为挺柱体的拉伸刚度；ｋ。为柱塞拉伸刚度；ｋ 为 柱塞弹簧刚度．
配气凸轮优化设计的惩罚函数法和增广拉格朗日乘子法
第２６卷 第３期 ２００２年６月 武汉理工大学学报（鸯至袭差）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ） Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ ２００２
配气凸轮优化设计的惩罚函数法和
增广拉格朗日乘子法＊
石 英 肖金生 刘春晓 崔东周
（武汉理工大学能源与动力工程学院武汉４３００６３）
摘要：将约束最优化问题的间接解法中有代表性的惩罚函数法和增广拉格朗日乘子法应用到配气 机构五项式凸轮型线的最优化设计中，优化设计结果表明混合法（内点法）的求解精度最高，外点 法的收敛速度最快，而增广拉格朗日乘子法的求解精度较高且收敛速度也较快，更适于用来求解 此类问题． 关键词 凸轮；优化设计；惩罚函数法；增广拉格朗日乘子法 中图法分类号：ＴＫ４１ ３．４；Ｏ２２４
０ 引 言
随着社会的进步和科学技术的发展，人们对 机械优化设计的水平要求越来越高，许多传统有 效的机械最优化设计算法［１ 得到了广泛的应用，
而且也发展了一些智能高效的现代优化设计方
法 ＿４－．但是，如何寻找有效的途径，将已被实践验
证有效的现有最优化算法充分地利用起来，更好 地去解决复杂的问题已日益成为人们十分关注的
课题． 约束最优化问题的间接解法的基本思想是将
约束最优化问题转化为无约束最优化问题，然后 用无约束最优化方法求解．因为通过它可利用目
前较为成熟有效的无约束最优化方法，所以这类 约束优化方法在工程实际中获得了广泛应用．
文中将约束最优化问题的间接解法中有代表 性的惩罚函数法和增广拉格朗日乘子法应用于内 燃机配气机构五项式凸轮型线的最优化设计中， 并对算法的优劣进行了探讨比较．
１ 内燃机配气凸轮的优化设计模型
内燃机配气凸轮的作用是控制进气和排气过 程．要设计性能良好的凸轮机构，关键在于根据工
作要求，选择好从动件的运动规律，并设计出能满 足这一运动规律的凸轮轮廓曲线．
基于MATLAB的配气凸轮优化设计
２ＯＯ６年第１期（总第９ｌ期） 山东内燃机ＳＨＡＮＤＯＮＧ Ｉ．Ｃ．Ｅ． ２ＯＯ６年２月
【设计计算】
基于ＭＡＴＬＡＢ的配气凸轮优化设计
李兵，顾德裕
（苏州大学机电工程学院，江苏苏州２１５０２１）
摘要：建立了七次多项式动力凸轮型线的优化设计数学模型；利用ＭＡＴＩＡＢ及其优化工具
箱（Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌｂｏｘ）对此问题设计程序求解。并以具体的某配气系统为例，进行优化求解， 结果表明，优化后凸轮的特性参数更佳。 关键词：配气凸轮；优化设计；ＭＡＴＬＡＢ 中图分类号：ＴＫ４１３．４文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—２４７１（２００６）０１—００３１—０３
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃａｍ ｏｆ Ｖａｌｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ＭＡ Ⅱ。ＡＢ
Ｌｉ ｍｎｇ，Ｇｕ Ｏｅｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｏｃｈｏｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１５０２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｌ￣ｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ ｏｆｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｄｅｓｉｇｎｆｏｒｈｅｐｔａｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ ｄｙｎ￣ｃ ｅａｌｎｗａｓ ｅｓｔａｂ—
ｈｓｈｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ｕｓｉＩｌｇ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｔｏｏｌｂｏｘ ａｎｄ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｖａｌｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｎａｔｕｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｅａｌｎ ａｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｂｅｆｏｒｅ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｃａｍ ｏｆ Ｖａｌｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ；Ｏｐｔｉｍｉｚ￣ｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ；ＭＡＴＩＡＢ １．１气门升程曲线函数
用ABAQUS和Tosca对凸轮轴减震器进行优化设计
用Ａ ＢＡＱ Ｕ Ｓ￣Ｉ Ｔｏｓｃａ对凸轮轴 减震器进行优化设计
凸轮轴减震器项目是和德国 联邦教育研究部（ＢＨＢＦ）一起合 作的项目，结合Ｔｏｓｃａ和ＡＢＡ０ＵＳ两 个软件，在非线性分析过程中考虑 拓扑优化和非参数形状优化。在本 文中，客户的主要目标是在承受扭 转应力的凸轮轴减震器的橡胶片上 做个装配孔，以便于安装。没有装 配孔的凸轮轴减震器能够满足刚度 和寿命要求，现在用其作为参考 部件，希望在有装配孔的新部件 的刚度和寿命保持与参考部件也 能一致。 作为先期研究，凸轮轴减震 器的设计被证明是非常成功的，这 些方法会在将来的开发过程中得 到推广，也可能成为一种标准设 计方法。 一、简介 Ｉ．组件描述 凸轮轴减震器是一个橡胶一金 属组件结构，在振动过程中承受扭 转应力。关于它的功能，可以对比 曲轴中的扭转震动阻尼器。从图 １可以看出，凸轮轴和曲轴的共振 在阻尼器作用下减小了。 在这个例子中，已经通过寿命 检测试验的均匀、连续橡胶材料的 凸轮轴减震器将要被修改。由于装 配要求其在一个特定的位置开一最 小直径的装配孔，并且在修改过程 中不能改变其寿命和刚度。新的设 计借助有限元分析和优化方法来避 免应力的增加和寿命的减少，并且 不用创建许多样件。但在设计的开 始阶段并不能确定能否满足所有要 求，比如寿命和刚度要求，因此需 要进行估算。 ２ Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ／￣对弹性部件 的优化工作 在密封和振动控制技术领域 中，Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ公司开发出的人 造橡胶弹性体和橡胶一金属组件占 有主要市场。在这些组件的有限元 分析中，考虑非线性是不可避免 的。在Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ公司进行非线 性（超弹性）有限元分析中，经常 需要考虑大变形和接触等几何非线 性因素。 带有Ｍｓｃ．Ｎａｓｔｒａｎ模块的Ｍｓｃ． Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ￣化软件包从１９９７年开始 就被用于组件的优化。当时Ｔｏｓｃａ没 有对非线性求解器（像ＡＢＡ０ＵＳ）的 接口，所以Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ公司用Ｍｓｃ． Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ￣ＩＭｓｃ．Ｎａｓｔｒａｎ做了许多非 Ｒｉｅｍｅｎｓｃ￣ｅｌｂｅ Ｅｌａ；ｔ＇ｏｔｎｅｒ 口Ｋｉｎｇｓｗｅｌｌ—ＣＡＥＤＡ技术支持中心编译 线性问题的线性化处理，然后再进 行优化。对非线性问题的线性化需 要花费很多的时间和精力，并且经 常达不到最佳的结果。很明显，非 线性优化必须被考虑到优化循环之 内。Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ公司从２００１年以 来就开始用Ｔｏｓｃａ和ＡＢＡ０ＵＳ进行非 线性优化，在产品的开发过程中取 得了很多重要的改进。 二、凸轮轴减震器的设计 Ｉ 设计空间、载荷和边界条件 新的凸轮轴减震器的设计是基 于原有的参考部件的，其设计空间 本文采用 已经确定，并且装配孔位置和最小 Ｖ４ ５版的Ｔｏｓｃａ与 尺寸也都已经确定。下面是对凸轮 ＡＢＡＱＵＳ￣。对 轴减震器进行有限元分析的步骤： 非线性问题进行非参 （１）计算从加工到成型的收缩量； 数化的形状和拓扑优 （２）内部标定 化。从而实现了凸轮 （３）３１试在６．５ｏ扭转下的应力。 轴减震器装配孔的优 ２．优化过程 化设计。并使其能够 解决问题的一个可用策略是下 完全满足刚度要求和 寿命期望
汽车内燃机配气机构的优化设计
汽车内燃机配气机构的优化设计
摘 要
配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、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。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段。
关键词：内燃机；配气机构；凸轮型线；优化设计
琅琊大学汽车学院本科专业职业生涯设计
2 ABSTRACT
The valve train is one of the most important mechanisms in a internal
combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the
power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as
well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along
with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher
index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and
dependably, which demand that the valve train system should have a high
凸轮—连杆组合机构的优化设计
ｚ辫２００２年第２９卷第２期
凸轮一连杆组合机构的优化设计
朱江
（北京石油化工学院机械工程最．北京１０２６００）
摘要：泓最大压力角为最小做为优亿目标、并采用坐标轮换法和黄金分割法等优化方法对书本打包机中的推每机构（凸孛｝
连杆组合机构）进行优化设计，从而使得机构确保运动的平衡性的前题下具有良好的传力性能．使设计结果更加各理 、
关键词：札构足度综合；机构优化设计；组合机构；计算机辅助设
中圈分类号：ＴＨ１１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—０３１６（２００２）０２—００２４ ０２
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｃ．ｄｍ～ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ＺＨＵ Ｉｉａｎｇ
（Ｄｅｌｘ￣ｔｒｎｅｎｌ ｏｆ ｍ￣＇ｈｍａｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉ￣．ｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｌｅ ｏｌ Ｐｅｔｎ￣－ｃｈｅｔｎｉｃａ］Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｉｊｉｎｇ １ｆ２６０｛｝，Ｃｈｉｎａ）
ＡｂｓＷａｃｔ： ／＇ｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋ ｍｉｔｕｒｒｄｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎ￣ｍＫ｛ｍｍｎ ａｎｇｌｅ ｏｔ：３ｌ Ｊ￣Ｔｕｍ ｏｂｊ￣＇ｔｉｖｅ． ｄ，－Ｋｌｏｐｌ ｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｈｌｈｉｚ￣ｇ ｍｅｔ｝￣ ｇｏＫ ｄｌ－
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凸轮专用数控机床主轴的优化设计
・６Ｏ・ 《机床与液压》２００２．Ｎｏ．４
凸轮专用数控机床主轴的优化设计 高东强，张文林，陈 桦 （西北轻工业学院，成阳７ｌ２０８１） 摘要：本文以最小主轴重量及主轴前端挠度为优化目标，采用统一目标的线性组合法，引入加权因子，建立了一个统一的 优化目标函数，对机床主轴进行了多目标优化设计，使优化结果更符合实际。 关键词：弧面分度凸轮；机床主轴；多目标优化 中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２１Ｘ）２）４—０６０—２ Ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔ Ｏｐａｍｕｍ Ｄｅｓｉ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｏｆ ＣＮＣ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ ｆｏｒ ＲｏＨｅｒ Ｇｅａｒ Ｉｎｄｅｘｉｎｇ Ｃａｍ Ｇａｏｄｏｎｇｑｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇｗｅｎｌｉｎ，Ｃｈｅｎｈｕａ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｘｉａｎｙａｎｇ，Ｓｈａｎｎｘｉ ７１２０８１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ－ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｗｅｉｇｈｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉｍｕｍ ｓｔａｔｉｃ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ｓｐｉｎｄｌｅ ａｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ０ｂ・ ｉｅｃｔ，ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｌｉｎｅａｒ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｉｆｉｅｄ ａｉｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｃｏｅｔｉｑｃｉｅｎｔ，ｔｈｅ ｕｎｉｆｉｅｄ ｏｂｊｅｃｌｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．ｔｈｅ ｐｍ＇ｍｎｅｌｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｌ ｓｐｉｎｄｌｅ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍｕｍ ｄｅｓｉ￣ａｒｅ ｃｏｉｎｃｉｄｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｌｌｅｒ ｇｅａｒ ｉｎｄｅｘｉｎｇ ｃａｍ；Ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｌ ｓｐｉｎｄｌｅ；Ｍｕｌｔｉ—ｏｂｊｅｃｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ０引言 弧面分度凸轮机构（见图１）具 有良好的特性；如：结构简单、分度 精度高、通过改变凸轮曲线可使从动 件实现任何运动规律的运动等。是一 种性能优良的高速、高精度间歇分度 机构，因而使用范围越来越广泛，如 高速自动包装机械、加工中心换刀机 构等。但由于弧面分度凸轮的工作表图１ 弧面分度 面为一不可展开的空间曲面，因而加 凸轮示意 工难度很大，也是一个关键问题。现 图 国际上一些发达国家大都是采用五坐标的专用数控机 床加工，但生产成本过高。而国内加工弧面分度凸轮 则采用专用数控机床加工的方法（见图２），大大降低 了凸轮制造成本。西北轻工业学院研制成功的ＮＴ— ＸＫ５００１型弧面分度凸轮专用数控立式铣床，使弧面分 度凸轮的加工提高到了一个新的水平。
凸轮设计
平面盘型凸轮设计记录
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一、设计信息
设计者：
设计单位：
设计日期：2015/5/20
设计时间：15:09:34
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二、凸轮机构类型
凸轮机构型式：平面盘形凸轮机构
从动件运动形式：偏置直动
从动件类型：滚子从动件
凸轮的封闭方式：力封闭
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三、从动件运动规律
凸轮转向：逆时针方向
凸轮转速n=1r/min
第1段运动规律为：
从动件运动规律：余弦加速度（简谐）
该段从动件行程h或摆角φ＝40mm(°)
相应凸轮起始转角：0(°)
相应凸轮终止转角：110(°)
第2段运动规律为：
从动件运动规律：余弦加速度（简谐）
该段从动件行程h或摆角φ＝40mm(°)
相应凸轮起始转角：110(°)
相应凸轮终止转角：360(°)
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四、凸轮轮廓数据
从动件行程h：04040mm
从动件偏距e：21mm
滚子半径Rr：25mm
推程运动角β1：360度
远休止角β‘：0度
回程运动角β2：0度
基圆半径Rb：85mm
凸轮转角增量：5度
其余计算数据参见数据库！
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五、凸轮材料、公差及表面粗糙度
1 凸轮和从动件接触端常用材料、热处理及极限应力σHO
凸轮工作条件：低速轻载
凸轮材料：40、45、50 从动件接触端材料：45
凸轮转速n=1r/min
凸轮机构的设计和计算详解
未知驱动探索，专注成就专业
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凸轮机构的设计和计算详解
1. 引言
凸轮机构是一种常见的机械传动装置，通过凸轮的运动来实现对其他部件的控制和驱动。凸轮机构广泛应用于发动机、机械加工、自动化设备等领域。在本文中，我们将详细介绍凸轮机构的设计和计算方法。
2. 凸轮机构的基本原理
凸轮机构由凸轮、从动件和控制件组成。凸轮通过旋转或移动的方式，驱动从动件进行线性或旋转运动。不同凸轮形状和运动方式将实现不同的功能。
3. 凸轮的设计要点
凸轮的设计涉及凸轮形状、凸轮面积、凸轮运动规律等方面。在进行凸轮设计时，需要考虑以下要点：
• 运动要求：根据从动件需要的运动类型（线性或旋转）、速度和加速度要求，确定凸轮的形状和运动规律。 未知驱动探索，专注成就专业
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• 动态负载：凸轮在运动过程中所承受的动态负载应被考虑在内，以确保凸轮的强度和耐久性。
• 材料选择：根据凸轮的工作条件和负载要求，选择适当的材料来制造凸轮，以保证其可靠性和寿命。
4. 凸轮机构的计算方法
4.1 凸轮剖面的计算
凸轮剖面的计算是凸轮机构设计中的重要一环。根据凸轮的运动规律和从动件的运动要求，可以进行凸轮剖面的计算。常用的凸轮剖面计算方法有：
• 凸轮剖面生成法：根据从动件的运动要求，通过几何构造和插值计算，生成凸轮剖面。
• 凸轮运动分析法：通过分析凸轮的运动规律和从动件的运动要求，推导出凸轮剖面的数学表达式。
4.2 凸轮机构的运动学分析
凸轮机构的运动学分析是确定凸轮机构各部件的运动规律和参数的过程。通过运动学分析，可以计算凸轮机构的几何关系、速度和加速度等。 未知驱动探索，专注成就专业
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常用的凸轮机构运动学分析方法有：
• 图形法：通过绘制凸轮机构的运动示意图和运动曲线，分析凸轮机构的运动规律。
• 解析法：通过建立凸轮机构的运动学方程，推导出各部件的运动参数，并进行计算。
4.3 凸轮机构的强度计算
凸轮机构的强度计算是为了确定凸轮所承受的载荷是否安全，并选择适当的材料和结构来满足设计要求。在强度计算中，需要考虑凸轮的静载荷、动载荷和疲劳载荷等。