摘 要

对发动机动力性能与经济性能需求的日益提高给发动机的设计带来了巨大的挑战。其中配气机构的设计是发动机性能的关键影响因素之一。本文首先运用MATLAB软件对已有的配气凸轮进行复合型法优化，随后进行了排气机构的选型设计，选定排气机构的类型为直接驱动平面挺住顶置凸轮结构，最后在AVL仿真软件中进行建模以及动力学仿真。经过优化后的排气凸轮型线的丰满系数、最大正、负加速度、最小曲率半径均得到了改善。所设计的排气机构在发动机转速超速30%的条件下未见气门反跳、凸轮从动件间飞脱、弹簧并圈以及弹簧振颤的情况，并且各项动力学参数都在许可范围内。动力学分析结果表明，本文所设计的排气凸轮型线以及排气机构满足设计要求。

关键词：排气机构；凸轮型线；复合型法；动力学仿真

Abstract

The increasing demand for the power performance and economic performance of engine has brought great challenges to the design of engine. The design of valve train is one of the key factors that affect the performance of engine. In this paper, MATLAB software is used to optimize the existing valve cam by complex method, and then the exhaust mechanism is designed-the type of exhaust mechanism is selected as direct drive plane hold overhead cam structure. Finally, modeling and dynamic simulation are carried out in AVL simulation software. The fullness coefficient, the maximum positive and negative acceleration and the minimum radius of curvature of the optimized cam profile are all improved. Under the condition that the engine speed is over 30%, the designed exhaust mechanism does not rebound, fly off and doesn’t have spring coiling. All the dynamic parameters are within the allowable range. The dynamic analysis results show that the exhaust cam profile and exhaust mechanism designed in this paper meet the design requirements.

Key words: exhaust mechanism; cam profile; complex method; dynamic simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题的主要研究内容 5

第2章 排气凸轮型线的优化设计 6

2.1 优化设计以及复合型法概述 6

2.2 凸轮型线设计要求 6

2.3 凸轮型线工作段优化数学模型的建立 7

2.4 凸轮型线工作段优化的具体过程及结果分析 8

2.5 凸轮型线缓冲段设计 10

2.6 本章小结 11

第3章 排气机构选型设计 12

3.1 配气机构的布置 12

3.2 挺柱 12

3.3 气门组件 14

3.4 本章小结 14

第4章 排气机构动力学分析 16

4.1 构建单阀系动力学模型 16

4.1.1 模型的建立 16

4.1.2 质量参数的输入 17

4.1.3 刚度参数的输入 17

4.2 排气机构运动学分析 19

4.2.1 凸轮型线输入结果 19

4.2.2 气门跃度、润滑系数的校核 20

4.3 排气机构动力学分析 20

4.3.1 运动特性分析 20

4.3.2 凸轮与挺住间接触应力 22

4.3.3 气门落座力 23

4.3.4 气门弹簧动态特性分析 24

4.4 发动机转速超速40%试验 25

4.5 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

日益紧缺的石油资源与相关环保法律的逐步完善对发动机的性能、油耗、排放、噪音等方面有着更高的要求。配气系统是发动机的重要组成部分，发动机的整个换气过程在这里发生。配气系统设计是否合理以及与其他系统配合是否良好很大程度影响了发动机的动力学性能以及燃油经济性。各气缸换气良好，充气系数相对较高是一个配气系统应满足的基本要求。气门-凸轮式配气机构在现今的发动机配气系统中应用相当普遍，该机构相比于其他类型的机构工作更加可靠，但在发动机高速运转时仍然会有几率出现诸如振动、噪声等不良现象。本文就是以解决上述问题为出发点，通过优化算法以及动力学分析对气门-凸轮式的排气机构进行优化设计。

传统的配气机构常将一些简单的切线和圆弧曲线作为配气凸轮型线，这些曲线被用作凸轮型线时往往会使气门运动不平滑，气门速度和加速度产生突变，从而导致配气机构工作时各部件间配合不良，产生相互碰撞、跳动。因此应用在配气系统中的凸轮型线很大程度决定了配气机构的稳定性和可靠性。计算机技术和最优化理论的发展给配气凸轮型线设计提供了新思路，可以采用优化算法对已有的型线进行改进优化，复合型法就是其中常用的一种算法。早前配气凸轮型线优化常采用运动学优化设计，但这种方法不考虑机构的弹性变形，而动力学的优化设计方法则将配气机构的弹性形变和振动等问题考虑在内。

1.2 国内外研究现状

国内外许多学者都针对凸轮型线优化以及配气机构设计优化展开了研究。张金伟^[1]分析了当前配气机构的创新发展以及凸轮型线优化技术，提供了简略的发动机配气机构设计思路。首先文章总结概括了现今发动机配气机构的创新技术，随后还围绕动态设计，静态设计以及系统优化设计三种模式来介绍汽车发动机凸轮型线设计。其中静态设计加速度曲线连续性不够，从而导致发动机提高转速时振动和噪声过大，而动态设计能很好解决这一问题。最后他就凸轮型线的缓冲段和工作段两方面提供了设计思路。罗哲^[2]围绕凸轮型线的研究、零部件弹性变形研究、静态与动态性能研究、配气系统零部件及整体研究、配气系统性能评价指标五个方面梳理了当前发动机配气机构技术现状。现今，国内外通常将传统的圆弧凸轮替换为高次多项式凸轮，分段函数凸轮等，从而保证凸轮升程及气门升程的连续性。同时文章在配气机构动力学中融入了零部件弹性变形的影响因素，对配气机构的动力学研究有着指导意义。杨英慧^[3]首先说明了在原有型线基础上优化凸轮型线的重要性，并对新型凸轮型线提出了几个要求：丰满系数要大，提高凸轮的丰满系数可以增大气门的流通能力，但现今使用的一些配气凸轮，仍存在丰满系数小的缺陷；振动噪声要小；润滑特性要好；制造精度要高。基于以上要求，她采用了变形双曲函数配气凸轮，分析表明该函数圆滑性好，丰满程度大。之后文章对所设计的配气凸轮进行了动力学分析，综合考虑了凸轮的运动规律、载荷、材料、接触应力、润滑条件等因素，分析表明所设计的配气机构换气充分、振动低、噪声小，有利于实现内燃机的高性能。冯鹏宇^[4]介绍了在相关建模软件中对内燃机配气机构的建模过程，通过对定制配气机构进行分析并结合理论计算和实验论证等方式对其进行测试，最终得到配气机构各部件的相关参数。将得到的相关参数输入到AVL建模软件中，便得到了可进行动力学仿真的模型。文章对动态特性仿真的原理进行了阐述，并介绍了如何通过加速度曲线、落座力曲线、接触应力曲线等分析动力学仿真结果。

陈晨等人^[5]展示了运用MATLAB程序设计配气凸轮型线并计算机构间相关应力的方法。文章选用高次五项式曲线作为凸轮型线，在MATLAB上建立了对称式凸轮的型线数学模型，随后通过研究从动件的运动规律得出了数学模型的约束条件。文章通过MATLAB的优化算法得出了具体的型线函数方程并设计了生成升程曲线、气门速度曲线、应力曲线等的程序。通过运行上述程序，文章得到了相关曲线并对所设计的型线的运动学和动力学性能进行了分析，所设计的型线满足要求。张敬东等人^[6]对某汽车的配气机构的凸轮型线进行优化设计，并对两种型线凸轮在不同转速下的扭矩变化情况进行模拟仿真。文章将圆弧型凸轮型线改为高次多项式曲线凸轮，以充气系数为目标函数，气门最大正、负加速度、最小曲率半径为约束建立模型。随后文章运用MATLAB中的优化算法工具进行优化计算，得出优化结果。结果分析表明优化后的凸轮应用在发动机中，无论在高速段还是低速段，扭矩都有一定提升，这表明整体改善了发动机的动力性能。张维君等人^[7]介绍了凸轮机构的工作原理，并给出相关运动学方程，接着指出了圆弧同向传动凸轮机构存在的问题。通过对该机构进行运动学分析,找出了原凸轮型线的不足，并建立了优化模型。在主动凸轮转过一定角度后，主动凸轮与从动件脱离，配气机构发生飞脱。文章通过对凸轮型线进行优化设计来解决上述问题。复合型法由于不利用目标函数和约束条件的导数,计算简单，故她们采用复合型法进行优化设计计算。通过调用复合型法优化程序，得出优化结果，然后使用三次样条插值构造凸轮型线。优化设计方法在凸轮机构的优化设计中起着重要的作用,复合型法在对本课题所涉及到的优化问题都能得到较好的解决。结果表明,优 化后凸轮在传动过程中的压力角变化相对比较稳定,优化效果明显。

侯庆东^[8]首先介绍了凸轮型线的设计的两种方法，紧接着他介绍了配气机构动力学分析的几种方法：离散质量法，多体系统运动学法，有限元法。之后通过截尾幂函数的方法求解了五次B样条曲线的数学表达式，并根据凸轮型线的特殊性，采用添加已知基圆上控制点的方法控制型线边界，完成了五次B样条凸轮型线的构建。文章详细描述了配气机构的单质量动力学模型及其动力学微分方程，确定了单质量动力学模型的求解方法和相关参数，如机构的刚度、阻尼系数，凸轮挺柱间的接触应力等，并给出了算法求解计算的流程图，编写了配气凸轮的动力学和运动学计算程序，随后将所得的算法程序运用于某发动机配气机构。最后采用复合型法优化凸轮型线，得到了符合要求的优化结果。宋秀英等人^[9]利用 AVL-tycon 软件建模，设计满足发动机性能、运动学要求的凸轮型线。文章中配气机构各部件的质量参数与刚度参数由有限元软件建模计算得出，气门升程和配气相位要求由热力学计算结果提出。最终文章对配气机构的运动学特性（如丰满系数、最大正、负加速度等）和动力学特性（如最大接触应力、落座力等）进行分析，结果均满足设计要求。杨树彬^[10]基于AVL Timing Drive设计了多种凸轮型线，详细叙述了凸轮型线设计的具体方法，对比了不同型线设计的优缺点。首先文章介绍了当前配气机构国内外研究现状，表明了本研究的大背景。随后通过构建配气机构的单质量与多质量理论模型，给出为配气机构的动力学建模的理论基础，同时对比了凸轮型线缓冲段与工作段的类型与特点，并通过有限元和公式计算的方法确定了模型中的刚度和质量参数。之后研究了多项动力加速度函数中五个参数对配气机构运动学的影响，文章还进一步在经验公式的基础上设计了四因素三水平的正交试验，得出了各因素对运动学的指标的影响显著性。最后将设计好的进、排气凸轮型线导入运动学模型，计算相关的运动学与动力学结果，并对结果进行了详细的分析，分析可知各运动学结果满足设计指标要求。

Alberto Borboni等人^[11]首先介绍了凸轮机构的基本组成，凸轮型线两种不同的函数公式即分段函数和凸轮函数，紧接着介绍了凸轮型线离散化的定义以及提出运动轮廓插值这一校正方法。关于插值，文章还介绍了线性插值，贝塞尔插值，Hermite 插值，圆插值并对比了他们的插值剖面。文章从凸轮从动件传动的性能出发，对离散化、截断和内插进行了系统的分析，并提出了适当的离散化、截断和内插选择方案，以获得足够的实现精度。文章分析了离散化截断和插值对直动凸轮从动件运动轮廓表示能力和柔顺状态下的动力学行为的影响。同时，对所采用的数值算法的积分步骤进行了监控。当离散点的个数足够大时，插值类型不起重要作用。研究强调使用线性插值可以实现线性代数。截断级可以引入动态不期望现象，因此必须采用足够的数字来数值表示离散点。Swarn Prakash Mall 和Sunil Kumar Srivastava^[12]以Hermite曲线和Bèzier曲线作为凸轮廓线，模拟了不同曲线参数下从动件的运动特性，并与摆线凸轮廓线的运动响应进行了比较，分析了从动件的运动响应。研究过程中，文章在MATLAB的脚本环境中分别生成了Hermite曲线和Bèzier曲线，并在Simulink模块中用这两种型线对一组凸轮型线的从动件运动特性进行了仿真，然后比较了Bèzier曲线和摆线曲线、Hermite曲线凸轮廓线从动件的运动特性，研究了它们各自的优缺点。通过比较分析可知，Bèzier曲线比Hermite曲线更适合通过控制多边形来控制曲线的形状。但Hermite曲线的计算成本较低，并且提供的最大速度和加速度值最低。由于形状控制的灵活性，综合曲线能较好地控制凸轮从动件机构的运动特性，其最大速度、最大加速度和凸轮旋转不同区域的最大跳动值都是可调的。Éderson Claudio Andreatta和 Robson Pederiva^[13]以MWM柴油机为研究对象，建立了四冲程3.2升发动机配气机构运动学和动力学特性的数学模型。研究首先进行了凸轮造型，根据凸轮轴绘图中可用的凸轮极坐标，逐度构建与这些点匹配的插值曲线，并创建连续的凸轮曲线。该研究将三次曲线看作是一个连续的多项式函数，其中每个部分是一个三次多项式。这样，通过自然三次曲线定义了一种新的系统，并给出了它的函数表达以及相关边界条件。根据上述的连续曲线，文章预测了配气机构的运动特性，并通过凸轮型线的平行曲线，评价了配气机构各部件的位移、速度和加速度。在动力学模型中，系统被细分出了三个有效质量，所有的弹簧也被分成八部分。同时研究还计算了摇臂、气门桥和弹簧的刚度。本文提出的配气机构运动模型简化了凸轮和机构的数学模型，运动学求解精确。经过阻尼标定过程，动态模型显示了良好的发动机相关性，如预期的那样，在发动机转速较高时，负荷和加速度显著增加，可以预测配气机构的振动特性，计算负荷和应力，能够避免部件故障和阀系接触损失。

Tae Joong Wang^[14]首先介绍了柴油机的发展在当今的排放要求下所面临的挑战，文丘里管系统在内燃机中的广泛使用，DFSS方法的可靠性。研究的主要设计参数包括发动机的进气和排气文丘里管，包括涡轮增压器和废气再循环电路。文中介绍了涡轮增压器，EGR系统以及进、排气管的工作原理和特性，阐述了选用上述参数的原因。随后本文进行了设计优化。本工作的目标是提高废气再循环率，以满足NOx排放法规的限制，同时最大限度地降低重型柴油机在额定功率下的油耗。为此，目前的工作主要集中在进排气系统的设计上。设计从输出，输入，控制因素，噪声等多方面入手，并进行了正交试验和可行性实验，最终得到了优化设计的仿真结果。采用IDDOV框架，采用DFSS方法对某重型柴油机进排气系统进行了优化设计。通过这项工作，在最大限度地降低燃料消耗的同时，成功地满足了NOx排放法规限值。本文采用发动机循环模拟技术，研究了不同设计参数对NOx排放和BTE性能的影响。最后通过实际发动机试验验证了设计方案的正确性。Yogesh Vasantrao Magar^[15]讨论了进气温度和排气背压对发动机性能的影响。研究所选车辆为三缸增压双可变气门正时（DVVT）MPFI汽油机，采用基线数据了解加速性能和驾驶性能。研究表明，较低的扭转传递导致车辆加速时动态响应不良，而且由于空气流量较低，实际扭矩传递低于预期扭矩传递。这就造成了动态响应滞后，需要改进。文章就上述问题进行了原因分析。通过分析得知改进重点是通过降低进气温度、改进进气系统和降低排气背压来寻找潜在的改善途径。已知的改进方向有较高的进气温度和较高的排气背压，文章就这两方面提出了解决方案。在发动机开发的设计阶段，动力总成管理系统的开发考虑了一定的目标。计算机辅助工具有助于研究人员在一定程度上预测系统输出w.r.t改变边界条件，但当涉及到实际的车辆包装时，整个系统的设计、优化和选择需要经过多次迭代，以找到对不同要求的最佳折衷方案。文章阐述了优化进排气系统对降低低转速区响应滞后现象的重要性，以及提高低端扭矩输出的优化方案。Gudla Satyanarayana等人^[16]在Catia Workbench中创建几何图形并以igs格式保存文件，打开Ansys workbench应用工程数据（材料特性），创建或导入几何图形，应用模型（网格划分），应用边界条件（设置）显示结果（应力、变形、热流），得到了相应结果。文章在Catia中对气门进行了建模，在ANSYS中进行了静态热分析，确定了热分析中的总热通量x和温度。这里使用的五种材料分别是不锈钢、Nimon ic 80A、Nimon ic 105、Alu-minu-m-nit-ride、氮化硅，最后提出了在这些材料上制作锥阀的最佳材料。

1.3 课题的主要研究内容

基于给定条件用复合型法对DF4102天然气发动机的排气凸轮型线进行优化设计，其中包括在MATLAB平台完成凸轮型线优化程序设计，凸轮各项性能的评定；选择合适的排气机构类型，进行相应各部件的选型设计，组合成完整的排气机构；使用AVL-Timing Drive软件对上述排气机构进行建模，通过软件的仿真功能对上述模型进行动力学分析。下图是本次设计的技术路线图：