凸輪型線對發(fā)動機性能影響畢業(yè)論文-李祥明

1、摘 要摘要能源和環(huán)境保護是當今世界發(fā)展的兩大主題。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，柴油機的排放污染問題引起人們的廣泛關(guān)注。世界上的主要國家有了柴油機排放法規(guī)。對于柴油機來說，改善進排氣效率、優(yōu)化配氣凸輪型線、合理選取配氣相位是降低尾氣排放的首要手段。本文通過建立柴油機整機模型，通過設(shè)計凸輪型線比較其性能參數(shù)的變化，根據(jù)性能比較可看出型線的設(shè)計對發(fā)動機性能的影響，為柴油機的性能提高提供了重要的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：柴油機，凸輪型線，配氣相位，優(yōu)化設(shè)計40AbstractAbstractEnergy and environmental protect are the two main themes of today&

2、#39;s world. With the development of society and economy, pollutant emissions of diesel engines increasingly widespread attention. In the world have developed a diesel engine emission regulations. For diesel engines, the valve cam profile optimization, improving the intake and exhaust performance, a

3、 reasonable choice of valve timing is an important means of reducing emissions. In this paper, through the establishment of TY3100 overall performance model GT-Power, optimized intake and exhaust angle closure late advance angle. Depending on the performance comparison can be seen, the cam profile a

4、nd valve timing not only improve the performance of high speed, but also improves the performance of low speed, non-road diesel engines to improve the overall performance TY3100 provides an important theoretical basis. Keywords: diesel engine, cam profile, valve train，Optimized design.目 錄目錄摘要1Abstra

5、ct2第一章 緒 論5引言5配氣機構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀與分析模型53凸輪型線設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.4本文主要工作與研究意義71.4.1主要工作71.4.2研究意義7第二章 配氣凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計92.1配氣凸輪型線的設(shè)計方法及設(shè)計要求準則92.1.1凸輪型線設(shè)計的要求92.1.2凸輪設(shè)計過程102.2型線函數(shù)類型的選擇102.3 緩沖段設(shè)計102.3.1等加速等速型112.3.2余弦函數(shù)型122.4基本段設(shè)計122.5等加速凸輪13第三章 柴油機的凸輪型線設(shè)計163.1 高次方凸輪型線173.2兩種凸輪型線凸輪轉(zhuǎn)角與升程的對應關(guān)系計算173.2.1高次式凸輪1轉(zhuǎn)角升程計算193.2.2高次式凸輪2轉(zhuǎn)

6、角升程計算22第四章 發(fā)動機整體性能模型的建立與分析224.1整機性能模型的建立234.2數(shù)據(jù)分析234.2.1氣門最大升程對發(fā)動機性能的影響分析234.2.2配氣正時對發(fā)動機性能影響分析28第五章 結(jié)論34致謝及聲明35參考文獻36第一章第一章緒論引言配氣機構(gòu)是內(nèi)燃機的關(guān)鍵組成部分，而配氣機構(gòu)的關(guān)鍵部件便是凸輪，配氣凸輪在配氣機構(gòu)中起至關(guān)重要的作用，其設(shè)計的合理性直接關(guān)系到發(fā)動機工作的可靠性與耐久性，并影響發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性還有運轉(zhuǎn)性能，如內(nèi)燃機的噪聲、振動及排放。發(fā)動機配氣機構(gòu)的彈性變形會引起氣門劇烈振動，嚴重時氣門將產(chǎn)生“飛脫和“反跳影響氣門機構(gòu)的正常運行5。配氣機構(gòu)進氣和排氣通風性

7、能應該良好，具有較大的時面值；同時，配氣機構(gòu)應該具備動力性良好，穩(wěn)定性好，振動和噪聲小，無磨損、沖擊等現(xiàn)象。這就需要配氣機構(gòu)的從動件的加速度變化規(guī)律較好和正負加速度值較小，在內(nèi)燃機中凸輪驅(qū)動整個配氣機構(gòu)，因此配氣凸輪的結(jié)構(gòu)很大程度上是可以決定配氣機構(gòu)的性能的，尤其是當內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速提高后，凸輪型線設(shè)計的優(yōu)劣對發(fā)動機的充排氣效率的影響將會變得更大。在要求上，氣門的通過能力與配氣機構(gòu)的動力特性間存在一定的矛盾，應根據(jù)發(fā)動機的性能，設(shè)計要求的工作轉(zhuǎn)速，配氣機構(gòu)的剛度，等特點，在凸輪廓線的設(shè)計中來解決6。由此可知，影響配氣機構(gòu)工作質(zhì)量的關(guān)鍵部件就是配氣凸輪。怎樣將凸輪輪廓線設(shè)計的具有合理性是整個配氣機構(gòu)

8、設(shè)計中最主要的問題。歸根結(jié)底，配氣凸輪的設(shè)計就是凸輪型線的設(shè)計，確保配氣機構(gòu)工作可靠性的前提下尋找最佳的凸輪型線設(shè)計參數(shù)是配氣凸輪型線優(yōu)化設(shè)計的主要目的8。配氣相位直接影響發(fā)動機的進排氣性能，對燃燒過程的優(yōu)劣起著決定性的作用，因而對發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性及污染排放都有重要影響。在柴油發(fā)動機進氣提前角、遲閉角和排氣提前角、遲閉角這個角度中，以進氣遲閉角和排氣早開角最重要，進氣遲閉角對進氣充量系數(shù)影響最大，排氣提前角對換氣效率，功率損失影響最大。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，時代對柴油機的性能要求越來越高，行業(yè)開發(fā)者最近幾年的研究方向主要在，通過合理的選擇需要的參數(shù)，匹配與之相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使柴油機在排

9、放，經(jīng)濟節(jié)能和動力方面有所提高，使柴油機性能越來越好。本次畢業(yè)設(shè)計課題是凸輪型線對發(fā)動機的性能影響，設(shè)計中用到的仿真軟件是軟件。它的主要作用是模擬發(fā)動機的工作過程，繪制出性能曲線，首先要先建立其仿真模型16。通過繪制出的性能曲線，得出凸輪型線對發(fā)動機性能不同影響的結(jié)論，這就為柴油機的性能提高和優(yōu)化改善，奠定了理論基礎(chǔ)。配氣機構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀與分析模型發(fā)動機的零部件有很多，配氣機構(gòu)是主要部分之一，十分重要。它直接影響到發(fā)動機的可靠性和耐久的性能，不僅如此，它還會影響發(fā)動機的其他好多方面有影響，比如說經(jīng)濟成本、節(jié)能排放。除此之外，它的性能的好壞也會影響到發(fā)動機的噪聲與振動。由此，便可以看出對配氣機構(gòu)的要

10、求更是日趨提高。在內(nèi)燃機的發(fā)展過程中，配氣凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計起到關(guān)鍵作用。在行業(yè)領(lǐng)域，內(nèi)燃機配氣機構(gòu)研究常用的兩種主要的研究方法是模擬計算和試驗研究。3凸輪型線設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀凸輪型線的設(shè)計有四十多年的發(fā)展歷史了，國外有些研究開發(fā)者從世紀年代就要對其有了深入研究。對比之下，中國在這方面會較晚些，中國的一些科學研究所國內(nèi)對凸輪型線的設(shè)計，另外還有動力學計算方面的課題的研究大約自1973年。在這一段時間內(nèi)，中國的一些大學都研究出了一些成果。昆明理工大學學院實驗室對臥式型的柴油機其配氣凸輪型線，進行了改進優(yōu)化及分析，氣門落座的反跳現(xiàn)象得到緩解。吉大研究方向主要在多質(zhì)量動力學方面，并小有成績。天津

11、內(nèi)燃機研究所在程序方面比較領(lǐng)先，其對配氣機構(gòu)建了單質(zhì)量的動力學模型，并且編寫了相應的動力學計算程序。之后選擇一個柴油機，對其配氣系統(tǒng)進行動力學計算，分析得出結(jié)論。山大的主要關(guān)注點在設(shè)計內(nèi)燃機高次多項式配氣凸輪，在設(shè)計過程中，成功確定了最大速度點和最大加速度點的理想位置22。這兩點確定后，可以使加速度曲線的外形和重要特征得到基本控制。復旦的成績主要體現(xiàn)在程序、型線設(shè)計和凸輪靠模計算等方面。濰柴和山大都對柴油機其配氣凸輪型線的改進優(yōu)化設(shè)計很關(guān)注，一起運用軟件和軟件，讓配氣相位和輪廓線函數(shù)都得到了優(yōu)化。在充氣效率得到提高的同時，也進排氣凸輪的最大接觸應力降低了很多。行業(yè)對配氣凸輪的關(guān)注度越來越高，專

12、業(yè)研究者從傳統(tǒng)的凸輪經(jīng)驗設(shè)計開始向配氣機構(gòu)在內(nèi)的動力學分析研究方向轉(zhuǎn)變。凸輪型線的設(shè)計有兩種方法：靜態(tài)設(shè)計和動態(tài)設(shè)計。如今又出現(xiàn)了新的設(shè)計方法：動力學優(yōu)化設(shè)計。所謂靜態(tài)設(shè)計是把配氣機構(gòu)當作絕對剛體，它在運動過程中的彈性變形可以忽略不計。但是現(xiàn)實生活中，凸輪自身還是有彈性變形，而且氣門與凸輪的中間部分也都是可變的。由此在配氣凸輪型線設(shè)計過程中，配氣機構(gòu)的彈性變形還是需要考慮到，這便是動態(tài)設(shè)計。動態(tài)設(shè)計優(yōu)于靜態(tài)設(shè)計，前者更能將配氣機構(gòu)的運動和受力情況詳細準確的描述出來。由于在設(shè)計中考慮到了配氣機構(gòu)動態(tài)參數(shù)，使凸輪型線的設(shè)計達到了最優(yōu)化。在國際范圍內(nèi)，凸輪曲線工作段有很多種設(shè)計方法，比如說高次多項式

13、型，等加速一等減速型，多項動力凸輪等，這些中多項動力凸輪普遍運用。它有良好的高速適應性，原因在于它的氣門升程曲線取某種高次多項式。在內(nèi)燃機的動力學分析時，無論凸輪軸是什么樣的結(jié)構(gòu)，配氣機構(gòu)都可以匹配到相應正確的動力學模型。模型種類很多，有質(zhì)量型模型，還有有限元模型。在多質(zhì)量模型方面，吉大研究比較超前。一般情況下，對稱型的凸輪型線最為常見。它的優(yōu)點在于設(shè)計簡單，方便制造。另外，如果發(fā)動機在工作過程中出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的時候，其運動規(guī)律會恒定不變。對稱型固然很好，但隨著科技的發(fā)展，為了提高內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)速和其抗壓性能，現(xiàn)在已經(jīng)開始選用非對稱型的凸輪型線。新研發(fā)的超高增壓二次進氣技術(shù)，是上海交大顧教授開發(fā)的，它也

14、選用了非對稱14。近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷創(chuàng)新完善，計算機模擬仿真技術(shù)在汽車研發(fā)領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛應用，如計算流體力學（）軟件、等；發(fā)動機性能仿真軟件、等；發(fā)動機與整車匹配軟件、等20。但是，如今凸輪型線優(yōu)化設(shè)計中配氣系統(tǒng)的優(yōu)化僅是從配氣機構(gòu)的本身的角度出發(fā)的，只在滿足動力學特性的前提下，因要考慮到豐滿系數(shù)的存在，不能從整個換氣過程的流動損失入手，直觀地評價一臺發(fā)動機換氣性能的好壞只能用充氣效率等整機性能參數(shù)來評價。近年來國內(nèi)外己開始將內(nèi)燃機循環(huán)工作過程的計算機模擬程序與單純的配氣系統(tǒng)設(shè)計程序相結(jié)合，即將包含了系統(tǒng)運動學和動力學計算的配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計程序納入內(nèi)燃機整機循環(huán)工作過程模擬軟件中，

15、形成機構(gòu)參數(shù)設(shè)計與內(nèi)燃機性能指標優(yōu)化的全面模擬軟件包。顯然，這些軟件一經(jīng)成熟必將成為今后內(nèi)燃機配氣系統(tǒng)設(shè)計以及整機性能優(yōu)化設(shè)計的極為有效和實用的工具軟件。1.4本文主要工作與研究意義1.4.1主要工作本文將設(shè)計出兩種凸輪型線，然后利用軟件建立的柴油發(fā)動機模型，分析兩種凸輪型線對柴油機性能參數(shù)的不同影響，為柴油機今后的改進提供理論依據(jù)。1.4.2研究意義配氣機構(gòu)是內(nèi)燃機的重要組成部分，而配氣凸輪在配氣系統(tǒng)中起著決定性的作用，是配氣系統(tǒng)的核心，其設(shè)計的優(yōu)劣直接影響內(nèi)燃機的性能指標。這些指標不僅包括動力性、經(jīng)濟性、也包括運轉(zhuǎn)性能，如內(nèi)燃機的振動、噪音及排放指標。此外，它也會直接影響發(fā)動機的耐久性和工

16、作的可靠性能24。因此，對內(nèi)燃機配氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的研究，特別是對內(nèi)燃機配氣凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計，對內(nèi)燃機的發(fā)展尤其重要。配氣相位直接影響著發(fā)動機的進排氣性能，特別是尤其決定的進氣遲閉角、排氣提前角、氣門重疊角對內(nèi)燃機燃燒過程的好壞起著非常重要的作用，因而對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性以及污染排放性能都有不可忽視的影響。內(nèi)燃機配氣機構(gòu)研究的兩種重要手段是模擬計算和試驗研究。通過數(shù)值模擬的方法進行優(yōu)化，大大減少了設(shè)計者的勞動工作量，使研制的周期大幅度縮短，同時還可以得到很多在實驗中所無法得到的信息。隨著計算機技術(shù)的不斷進步，以及預測模型的不斷發(fā)展改進，使得計算機輔助設(shè)計在發(fā)動機研制和開發(fā)中得到了普遍的應用

17、。第二章第二章配氣凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計在柴油機中，配氣機構(gòu)主要由凸輪驅(qū)動，所以，凸輪的設(shè)計對發(fā)動機及其配氣機構(gòu)有著至關(guān)重要的意義。所謂的凸輪設(shè)計，實際上就是根據(jù)發(fā)動機的性能參數(shù)，選擇出與之相匹配的凸輪型線類型及參數(shù)。凸輪的設(shè)計手段日新月異，在計算機技術(shù)快速發(fā)展的今天，柴油機配氣凸輪型線的設(shè)計已從之前的只考慮靜態(tài)分析發(fā)展為動靜態(tài)全面分析優(yōu)化設(shè)計的水平，將配氣凸輪型線和配齊機構(gòu)統(tǒng)一起來分析，從總體上考慮，對配氣機構(gòu)的各項性能進行整體而全面的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。2.1配氣凸輪型線的設(shè)計方法及設(shè)計要求準則2.1.1凸輪型線設(shè)計的要求在配氣機構(gòu)設(shè)計中凸輪外形的設(shè)計極為重要，這是由于配氣凸輪的形狀直接決定了氣門開

18、關(guān)的快慢、開度的大小、開啟時間的長短。因此，時間斷面的大小、配氣機構(gòu)各零件的運動規(guī)律及其承載情況均由配氣凸輪的外形決定。在實際情況中內(nèi)燃機的換氣時間是極其短暫的，要在如此短暫的時間間隔內(nèi)得到盡可能充分的換氣，而同時又能使機構(gòu)中各零件的承載情況都處在許可范圍之內(nèi)，就必須設(shè)計正確的凸輪形線。在設(shè)計凸輪外形時應滿足下列要求：1）凸輪外形設(shè)計應保證能獲得盡可能大的時面值，意思就是，氣門開啟和關(guān)閉的速度要盡可能的快，以求氣門接近全開位置發(fā)生在盡可能大的凸輪轉(zhuǎn)角內(nèi)；2）凸輪外形設(shè)計應保證配氣機構(gòu)各零件所受的沖擊和跳動盡可能小，意思就是正、負加速度要小，并且加速度不發(fā)生突變，以求使配氣機構(gòu)工作得到更好的可靠

19、性和耐久性。上述兩方面要求是互相矛盾的，必須根據(jù)具體情況妥善加以解決。3）根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和設(shè)計規(guī)律正確的選取配氣相位、凸輪的緩沖段和基本段升程及兩者的包角和基圓半徑等這些凸輪的初始設(shè)計參數(shù)。4）氣門和氣門座的工作條件也在考慮改善范圍內(nèi)，應使氣門的升起和落座發(fā)生在凸輪的緩沖段內(nèi)，因此凸輪的緩沖段要足夠大。5）凸輪最小曲率半徑不能過小。小曲率半徑會導致凸輪與挺柱間的接觸應力過大,使凸輪過早磨損,一般認為最小曲率半徑應大于等于2 mm。6）配氣機構(gòu)動力學特性以及應力條件都會對凸輪型線的設(shè)計產(chǎn)生限制，凸輪與挺柱間的接觸應力在配氣機構(gòu)各零件中最為嚴重。接觸面的最大接觸應力一般被作為挺柱與凸輪接觸表面的工作

20、可靠性的估計依據(jù)，最大許用接觸應力不應過大，否則就會發(fā)生強烈的磨損、刮傷和點蝕，嚴重時甚至會出現(xiàn)裂紋和碎裂。最大許用接觸應力根據(jù)凸輪與挺柱配對使用的材料、表面處理、潤滑條件，挺柱形式、凸輪廓線形狀等各種不同情況而具有不同的值，可在機械設(shè)計手冊中查到。目前常用的凸輪外形可分為兩大類，一是由若干段簡單幾何曲線構(gòu)成的圓弧凸輪；一是由函數(shù)曲線組成的函數(shù)凸輪。2.1.2凸輪設(shè)計過程時面值較大是圓弧凸輪具有的典型優(yōu)點，但由于其曲率半徑不連續(xù)，造成加速度曲線發(fā)生突變，這會引起配氣機構(gòu)的振動和噪聲，嚴重時甚至會產(chǎn)生氣門反跳，破壞配氣相位。隨這內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速向著高速化發(fā)展這些現(xiàn)象變得更趨嚴重。為適應內(nèi)燃機高速化的需

21、要，函數(shù)凸輪應運而生。函數(shù)凸輪的最大優(yōu)點就是：在凸輪整個工作段中，加速度曲線不出現(xiàn)突變，而是逐漸變化的，這樣就能很好的彌補圓弧凸輪所存在的缺陷了。函數(shù)凸輪采用的函數(shù)曲線有多種形式，大體上可以分為兩大類：一類是組合式；另一類則是整體式。組合式凸輪的主要特點就是其基本工作段升程曲線是由若干段不同的函數(shù)曲線組合而成的分段曲線。這些函數(shù)曲線為三角函數(shù)、低次多項式等。常見的組合式凸輪有：復合正弦凸輪、復合擺線凸輪、復合正弦拋物線加速度凸輪等。整體式凸輪，顧名思義，就是凸輪的基本工作段升程曲線由一個函數(shù)曲線表示。高次多項式凸輪是目前在整體式函數(shù)凸輪中應用較廣的。在傳統(tǒng)的函數(shù)凸輪型線設(shè)計方法中，挺柱升程函數(shù)

22、的確定是凸輪設(shè)計的開始,然后把配氣機構(gòu)視作完全的剛性體,通過運動學方法直接得到氣門的運動規(guī)律。而在現(xiàn)代動力優(yōu)化設(shè)計中,配氣機構(gòu)則被視作更符合實際情況的彈性體,先選取理想的氣門升程函數(shù),然后通過配氣機構(gòu)動力學進行計算從而使挺柱升程曲線得到優(yōu)化,進而得到凸輪的外輪廓線。2.2型線函數(shù)類型的選擇凸輪型線有很多種,而重要原則就是按照柴油機性能要求選擇一個最適合所設(shè)計機型的凸輪型線,保證配氣機構(gòu)工作的平穩(wěn)性,同時滿足柴油機動力性能的需求。確定型線函數(shù)時, 配氣機構(gòu)振動特征數(shù)可以作為選擇型線函數(shù)的參考,即=M21000C，式中M為系統(tǒng)當量質(zhì)量(kg);C為系統(tǒng)剛度(N/mm); 為凸輪軸角速度(rad/s

23、)。是配氣機構(gòu)的柔性程度的表現(xiàn)。一般,當<0.001時,系統(tǒng)剛性較好,可采用組合曲線或者是圓弧凸輪,因為這樣可以獲得較大的時面值,有利于充氣效率的提高;當0.001<<0.002時,可采用組合曲線或高次方凸輪,以使發(fā)動機工作更加平穩(wěn)性，充氣性能更加良好;當>0.002時,系統(tǒng)為柔性系統(tǒng),此時應選用平穩(wěn)性更佳的多項式凸輪、N次諧波或高次方凸輪。2.3 緩沖段設(shè)計內(nèi)燃機的配氣機構(gòu)由很多零件組成，它們在內(nèi)燃機工作時由于溫度的升高，會有不同程度的伸長，隨著內(nèi)燃機工作溫度的不同，此伸長量也不斷變化。因此，在設(shè)計凸輪型線時必須使配氣機構(gòu)運動鏈中留有一定的間隙，以保證氣門在任何工況下

24、都能正常閉合。為了解決上述問題，在設(shè)計凸輪型線時，除了基本工作段外，還需要有緩沖段。設(shè)計緩沖段的通常做法是把理論基圓半徑減小一個值，形成實際基圓，然后用過度曲線把實際基圓與凸輪的基本工作段圓滑相連。緩沖過渡曲線的設(shè)計過程包括：選擇合適的緩沖過渡曲線函數(shù)，以及緩沖過度曲線所占的凸輪轉(zhuǎn)角大小及最大升程值。在選擇緩沖段最大升程時，配氣機構(gòu)的間隙和彈性變形都應該加以考慮，其二者之和將影響最大升程值，一般的內(nèi)燃機緩沖段的最大升程在0.150.50mm范圍內(nèi)。緩沖過度曲線所占凸輪轉(zhuǎn)角一般在15°40°之間。當緩沖段最大升程確定后，在最大升程不變的情況下，0越大，緩沖段的速度及加速度曲線

25、就越平坦。在這種條件下，如配氣機構(gòu)間隙發(fā)生改變，則配氣相位也會相應的發(fā)生較大的變化。反之，影響則越小。緩沖過度曲線的形式很多，目前常用的曲線類型有等加速等速型、余弦型等。2.3.1等加速等速型升程曲線由二次拋物線和直線組成。其方程為等加速段： 000ht0=a202t0=a0at0=a等速段： 000'ht02=a01(02-01)+a2012t02=01at02=0式中 a預先選定的加速度值 01預先選定的加速度所占凸輪轉(zhuǎn)角 02預先選定的等速段所占凸輪轉(zhuǎn)角這種緩沖曲線具有如下優(yōu)點：當配氣機構(gòu)間隙出現(xiàn)變化時，等速段能保證氣門總以恒定的速度開啟和落座；這種緩沖曲線在等速段的變化率較大，

26、導致的結(jié)果便是使配氣機構(gòu)間隙發(fā)生變化時，或在剛度及凸輪制造尺寸存在差異時，由其引起的氣門開啟與落座點的變化較小，從而減小對配氣定時的影響；等加速段的作用就是保證挺柱由實際基圓過渡到緩沖段工作時，速度由零慢慢增大，不產(chǎn)生突變，工作平穩(wěn)，且緩沖段的終點的加速度為0，工作過程中沖擊和噪聲也較小。因此，這種形式的緩沖過渡曲線目前用的較多。2.3.2余弦函數(shù)型對于這種形式的緩沖過渡曲線，其相應的加速度曲線一般為余弦函數(shù)形式。這種緩沖過度曲線被普遍應用于函數(shù)凸輪設(shè)計中。其方程式為ht0=h(1-cos20')t0=h20'sin20'at0=h(20')2cos20'

27、;由于這種類型的緩沖過度曲線其終點的加速度為零，所以工作過程中的沖擊和噪聲就較小。與等加速等速型曲線一樣，對配氣定時的影響也較小，美中不足的是其與其工作段曲線的銜接不光滑，也就是說，從過渡段到工作段轉(zhuǎn)變過程中，加速度仍存在突變，不過因過渡段的加速度不大，所以影響也并不嚴重。2.4基本段設(shè)計基本工作段是配氣凸輪升程曲線中的主要部分，所以基本段的升程曲線或者加速度曲線的類型也就順理成章的成為了凸輪的分類與命名的主要參照22。在配氣機構(gòu)設(shè)計研究的早期階段，凸輪的輪廓線通常都是由幾種圓弧段或直線段組成，像這類幾何形狀比較簡單的凸輪可稱為幾何凸輪，例如圓弧凸輪和切線凸輪。這些凸輪的計算在一般的內(nèi)燃機設(shè)計

28、教材和手冊中都有敘述，這里就不多說了。加速度的曲線存在間斷是幾何凸輪的一個主要缺點，對配氣機構(gòu)工作的平穩(wěn)性會產(chǎn)生不利的影響，在其優(yōu)點中，除其形狀簡單外，主要就是豐滿系數(shù)大，對提高發(fā)動機的充氣效率有很好的幫助。另外一大類配氣凸輪是函數(shù)凸輪，在它們的設(shè)計方法中，確定挺住升程函數(shù)是第一步，而后隨之而定的是凸輪幾何形狀，在函數(shù)凸輪分類中又可分為以下幾種類型：1） 組合式 組合式凸輪的基本段是一段分段函數(shù)，它由幾個不同的表達式組合而成。例如等加速凸輪、梯形加速度凸輪和修正梯形加速度凸輪，F(xiàn)B2型凸輪、復合正弦凸輪、低次方組合式凸輪、Kurz的無沖擊凸輪等等。這些凸輪的h(a)，除了等加速凸輪的二階導數(shù)為

29、間斷外，其余幾種凸輪的二階導數(shù)都是連續(xù)的17?？傮w來說，這些凸輪的好處是設(shè)計比較靈活、直觀，各段型線有較大的調(diào)節(jié)余地，可以事先選定，某些重要的參數(shù)，其豐滿系數(shù)也可達到較大數(shù)值，也具有比幾何凸輪更優(yōu)越的平穩(wěn)性，但可能比下面將要敘述的另兩類凸輪稍遜。2） 整體式 即基本段h(a)由一個整體的函數(shù)表達式表示。例如h(a)為多項式形式的，稱為多項式凸輪。多項式的組成形式可以有許多種，其中一類國內(nèi)成為高次方凸輪。還有將h(a)取為有限相三角級數(shù)的，稱為N次諧波或高次簡諧凸輪24。整體式凸輪因為具有光滑性較高的生成函數(shù)，對發(fā)動機的工作平穩(wěn)性比較有利，所以在高速凸輪機構(gòu)常使用整體式凸輪。但同時由于其豐滿系數(shù)

30、有時較小，所以設(shè)計難度會較大。3） 動力修正式 上面介紹的兩類凸輪的設(shè)計都是從選取適當?shù)膆(a)出發(fā)的。而對于氣門升程ya隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，則需再行通過配氣機構(gòu)動力學計算才能得到。如算出來ya不理想，則需重新設(shè)計h(a)。動力修正式凸輪恰好相反，它是先設(shè)計理想的氣門升程函數(shù)ya，然后根據(jù)動力學方程反過來確定h(a)，多項動力凸輪就屬于這種類型的凸輪，N次諧波凸輪也可以進行動力修正。這類凸輪在設(shè)計轉(zhuǎn)速下應該能夠達到較理想的工作狀態(tài)，但需留心其在非設(shè)計轉(zhuǎn)速下的震動形態(tài)等。2.5等加速凸輪等加速凸輪的特點是其加速度分布均采取分段常數(shù)的形式。其加速度分布又可分為兩類，一類可稱為“正負零型”，指的是

31、其相應的挺柱加速度曲線為正負零，因此其升程曲線形式就為凹拋物線凸拋物線平直線，速度曲線形狀為升降零，另一類可稱為“正零負型”，指其加速度曲線形狀為正零負，而升程曲線的形狀就為凹拋物線斜直線凸拋物線，速度曲線則為升平降。這里只介紹第一類即“正負零型”等加速凸輪的計算方法，對于第二類等加速凸輪的計算，可以做類似的說明23。第一類等加速凸輪相應的挺柱升程曲線公式為h=h()=A0+A1+A22, 當01B0+B1+B22, 當1<2H , 當2<B這里h為升程，為凸輪軸轉(zhuǎn)角，A0，A1，A2，B0，B1，B2H，1，2，B均為常數(shù)。其中最大升程H和基本段半包角B一般在事先給出。這樣還有八

32、個待定常數(shù)A0，A1，A2，B0，B1，B2，1，2。它們要滿足以下條件：1） =0時，h()=0，由此可推出A0=02） =0時，dhdt=dhd=0,即dhd|=0=0其中為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度，0為基本段初速度，均作為已知常數(shù)。故可推出，A1=03） =1時，h()保持連續(xù)，即得A0+A11+A212=B0+B11+B2124) =1時，dhd保持連續(xù)，即得A1+2A21=B1+2B115) =2時，h()保持連續(xù)，即得B0+B12+B222=H6) =2時，dhd保持連續(xù)，即得B1+2B22=0八個待定常數(shù)必須滿足以上六式中的六個條件，還缺少兩個條件，所以可以自行給出兩個參數(shù)來確定一條升程曲

33、線。給出哪兩個參數(shù)呢？比較直觀的一種方法是給出在正加速度段的加速度數(shù)值a+和負加速度段的加速度絕對值a-，這時就補充如下兩個條件：7）在01，加速度等于a+，即d2hdt2=d2hd22=2A22=a+A2=a+228) 在1<2，加速度為-a-，即d2hdt2=d2hd22=2B22=-a-B2=-a-22這樣，根據(jù)式1）式8），就可以把各待定常數(shù)用已知數(shù)據(jù)0，0，H，a+，和a-表示如下：將上式代入前面ha表達式中，就可以得到第一類等加速凸輪升程曲線的表達式為在具體設(shè)計等加速凸輪時，可以將B，0，H取做固定的常數(shù)，而對a+和a-,則可選取若干組不同的數(shù)據(jù)，這樣就可相應地算出若干條不同

34、的等加速凸輪的升程曲線，再從相互比較中決定取舍。第三章第三章 柴油機的凸輪型線設(shè)計設(shè)計中，假設(shè)柴油機的凸輪型線額定轉(zhuǎn)速為n=1500r/min,所取的主要原始參數(shù)為:配氣系統(tǒng)剛度C=408 kg/mm、當量質(zhì)量M=0.3kg、基圓半徑R=18mm、搖臂比k=1.533、氣門彈簧剛度CS=29.826N/mm、彈簧預緊力F0=258.6 N、緩沖段最大升程h0=0.3 mm、基本段最大升程H=7.55mm、緩沖段及基本段的半包角分別為16°, 59°。根據(jù)配氣機構(gòu)凸輪型線選擇參考系配氣機構(gòu)振動特征數(shù)E,該機型可以選用的型線形式有組合式和高次方兩類(E=0.00138)。3.1

35、凸輪型線方程的計算高次多項式凸輪基本式為：h=CO+Cpp+C44+Cqq+Crr+Css系數(shù)C4一般是憑經(jīng)驗選取的，取值范圍為（0.10.2）htmax。C0=htmaxCp=-htmaxsrq+R(sr+sq+rq-s-r-q+1)(s-p)(r-p)(q-p)Cq=-htmaxsrp+R(sr+sp+rp-s-r-p+1)(s-q)(r-q)(p-q)Cr=-htmaxspq+R(sq+sp+pq-s-p-q+1)(s-r)(q-r)(p-r)Cs=-htmaxrpq+R(pq+rq+rp-r-p-q+1)(q-s)(r-s)(p-s)確定高次方的冪數(shù)p, q, r, s這些參數(shù)是設(shè)計高

36、次方型線函數(shù)的第一步。（一般p=2,q=2n, r=2n+2m, s=2n+4m）m,n為一定范圍的正整數(shù),通常m=29,n=310),需要根據(jù)m,n計算出特性參數(shù)最大正加速度、最大負加速度、凸輪最高點曲率半徑、豐滿系數(shù),然后對這些參數(shù)進行分析比較,根據(jù)分析結(jié)果，選定一組m,n,從而確定函數(shù)的具體形式,然后對配齊機構(gòu)中的挺柱升程、速度、加速度進行計算。設(shè)計中取兩組一組為m取2,n取6。另一組為m取6，n取8.高次方函數(shù)1為h(a)=7.55-11.03x2+13.54x12-14.48x16+4.50x20其中最大升程為7.55。 高次方函數(shù)2為h(a)=7.7-10.49x2+1.13x4+

37、3.05x16-1.65x28+0.39x40其中將最大升程調(diào)整為7.7。式中x=(1-B),其中0°<<59° B為基本段半包角,為59°。3.2兩種凸輪型線凸輪轉(zhuǎn)角與升程的對應關(guān)系計算以1°為間隔計算轉(zhuǎn)角對應的氣門升程，由于本次設(shè)計采用的均是對稱凸輪所以只計算其中一半。3.2.1高次式凸輪1轉(zhuǎn)角升程計算h(a)=7.55-11.03x2+13.54x12-14.48x16+4.50x20式中x=(1-B),其中0°<<59° B為基本段半包角,為59°。運用Excel先進行x值的計算，結(jié)果如下圖3

38、.1圖3.1在根據(jù)所得的各轉(zhuǎn)角對應的x值使用Excel計算所對應的氣門升程，數(shù)據(jù)如下圖3.2圖3.2因此所得高次式凸輪轉(zhuǎn)角與升程對應關(guān)系如下圖3.3圖3.33.2.2高次式凸輪2轉(zhuǎn)角升程計算h(a)=7.7-10.49x2+1.13x4+3.05x16-1.65x28+0.39x40式中x=(1-B),其中0°<<59° B為基本段半包角,為59°. 使用型線1的方法運用Excel計算，結(jié)果如下圖3.4圖3.4至此，兩個凸輪型線的運算結(jié)果結(jié)束。在此之前所討論的配氣機構(gòu)，都是在假設(shè)配氣機構(gòu)是剛性的條件下進行的。而在實際情況中所有發(fā)動機的配氣機構(gòu)都是彈性系

39、統(tǒng)。因配氣機構(gòu)中各零件的彈性變形會通過凸輪輪廓線所決定的挺柱運動傳到位于一條很長的彈性傳動鏈末端的氣門那里，便產(chǎn)生很大的畸變。隨著內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速向高速發(fā)展，氣門驅(qū)動零件的尺寸和重量都受到限制，使整個配齊機構(gòu)的剛度有很大的削弱，又由于高速引起的慣性力激起機構(gòu)震蕩，產(chǎn)生了附加的振動負荷，使驅(qū)動機構(gòu)產(chǎn)生動變形。這些因素使氣門理論生成曲線與實際升程曲線差別更大。在整個氣門升程曲線中，有些曲線是實際升程曲線高于理論升程曲線，有些則是實際升程曲線低于理論升程曲線。這是因為：在實際升程小于理論升程時，氣門驅(qū)動機構(gòu)在載荷的作用下會產(chǎn)生壓縮變形；在實際升程大于理論升程時，氣門驅(qū)動機構(gòu)的傳動鏈中出現(xiàn)了脫節(jié)。這使配氣機

40、構(gòu)產(chǎn)生了沖擊和噪聲。此外，由于振動使氣門落座速度超過了設(shè)計值，造成氣門的反跳現(xiàn)象，這也嚴重的影響了氣門和氣門座的工作可靠性和耐久性。為了克服配氣機構(gòu)的上述缺點，出現(xiàn)了多項動力凸輪。第四章第四章發(fā)動機整體性能模型的建立與分析4.1整機性能模型的建立GT-POWER是模擬發(fā)動機工作過程的計算機軟件,功能和AVL BOOST相似,例如作一個多缸增壓柴油機的計算。GT-power是一款具有發(fā)動機工業(yè)標準的模擬仿真工具，它是由Gamma Technologies公司開發(fā)的，現(xiàn)在被世界上大多數(shù)發(fā)動機和汽車制造廠家及供應商使用。 GT-Power包括在GT-Suite中，是其系列軟件中的一部分，涵

41、蓋了發(fā)動機本體、驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、曲軸機構(gòu)、配氣機構(gòu)六個方面。該軟件采用有限體積法進行流體的計算，計算步長自動可調(diào)，有強大的輔助建模前處理工具，自帶有豐富的燃燒模型，具有豐富的控制功能，能與SIMULINK進行耦合求解，能與三維的CFD軟件進行耦合計算，自帶有優(yōu)化設(shè)計功能，能進行直接優(yōu)化、DOE設(shè)計/優(yōu)化，能進行進、排氣系統(tǒng)噪音分析，能對進、排氣系統(tǒng)的消音元件進行優(yōu)化設(shè)計。主要 應用于進、排氣管路設(shè)計，氣門升程曲線和配氣相位優(yōu)化，渦輪增壓系統(tǒng)開發(fā)，系統(tǒng)設(shè)計，與和聯(lián)合計算三維分析，缸內(nèi)熱力學分析，燃燒分析，開環(huán)、閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計，進、排氣噪聲分析，諧振腔和消聲器噪聲控制，瞬態(tài)渦輪

42、增壓反應等。另外，-這款軟件可以用于預測出穩(wěn)態(tài)的發(fā)動機性能和瞬態(tài)的發(fā)動機性能，例如：它能預測發(fā)動機所有管路段中的的流量以及流速，還有整個系統(tǒng)的溫度以及壓力，發(fā)動機充氣效率、功率、扭矩，燃燒率模型，汽油機的排放，柴油機排放以及微粒的排放，催化劑化學反應，傳熱，麥克風測量的外部噪聲，倍頻分析等。柴油發(fā)動機模型包括進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)、汽缸、曲軸箱、噴油器等，計算模型如圖4.1。圖4.1本文分析發(fā)動機性能變化主要通過改變凸輪的兩個參數(shù)來比較發(fā)動機各項性能變化，一個是改變其最大升程，另一個是改變其配氣正時（即進氣門的進氣提前角和遲閉角）。首先先來分析兩個凸輪型線不同升程對發(fā)動機性能影響。本文通過改變模型

43、升程系數(shù)來對最大升程進行微調(diào)。4.2數(shù)據(jù)分析4.2.1氣門最大升程對發(fā)動機性能的影響分析將凸輪型線1的轉(zhuǎn)角升程數(shù)據(jù)輸入到模型中，并設(shè)置其升程系數(shù)為1.6。運行模型之后，得出結(jié)果如下。凸輪型線1分析結(jié)果：圖4.2曲軸轉(zhuǎn)角與升程關(guān)系由圖可看出這一型線設(shè)計的最大升程為11.879mm圖4.3燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線此圖表示出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到3200轉(zhuǎn)時燃油消耗率最高為275.3，在轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)時燃油消耗率最低為251.44。圖4.4發(fā)動機功率對轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可知發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3200轉(zhuǎn)/分時達到最大功率為64.163。圖4.5充氣效率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的曲線由圖可知發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2400

44、轉(zhuǎn)/分時充氣效率最大為0.6346。凸輪型線2的升程系數(shù)設(shè)置為1.65，分析結(jié)果如下：圖4.6曲軸轉(zhuǎn)角與升程關(guān)系由圖可見此模型最大升程為12.89mm。 圖4.7燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線此圖表示出在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到3200轉(zhuǎn)時燃油消耗率最高為272.39，在轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)時燃油消耗率最低為249.58。圖4.8功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可知發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3200轉(zhuǎn)/分時達到最大功率為64.85。圖4.9充氣效率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可知發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2400轉(zhuǎn)/分時充氣效率最大為0.6587。將兩組數(shù)據(jù)制成表格進行比較如下表4.1最大升程（mm）最大燃油消耗(g/kwh)最低燃油

45、消耗(g/kwh)充氣效率最大功率(kw)11.879275.3 251.440.634664.16312.89272.39249.580.658764.85數(shù)據(jù)證明，設(shè)計凸輪型線時適當增加其最大升程可以全面增加發(fā)動機的性能，包括燃油消耗率，發(fā)動機最大功率及充氣效率均得到優(yōu)化。4.2.2配氣正時對發(fā)動機性能影響分析本文選取高次方式凸輪型線2模型作為研究對象，通過改變其配其正時來比較發(fā)動機性能的變化。首先將此模型中的調(diào)整為59°圖4.10燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可知在發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達3200轉(zhuǎn)/分時燃油消耗率最大為273.777，在轉(zhuǎn)速到達1400轉(zhuǎn)/分時燃油消耗率最低為25

46、1.048。圖4.11功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可見當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3200轉(zhuǎn)/分時功率達到峰值為64.52kw。圖4.12充氣效率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可見在轉(zhuǎn)速為2600轉(zhuǎn)/分時充氣效率最大為0.6364。將調(diào)整為39后再次進行數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下圖4.13燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可知在發(fā)動機轉(zhuǎn)速到達3200轉(zhuǎn)/分時燃油消耗率最大為273.875，在轉(zhuǎn)速到達1400轉(zhuǎn)/分時燃油消耗率最低為249.782。圖4.14功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可見當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3200轉(zhuǎn)/分時功率達到峰值為64.49kw。圖4.15充氣效率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化曲線由圖可知轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)/分時

47、充氣效率最大為0.65。將兩組數(shù)據(jù)置于表中比較比較如下表4.2角度（°）最大燃油消耗(g/kwh)最低燃油消耗(g/kwh)最大充氣效率最大充氣效率對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速最大功率(kw)59273.777251.0480.6364260064.5239273.875249.7820.65200064.49數(shù)據(jù)表明，適當延后配氣正時對發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時的最大燃油消耗率影響較小，但卻能有效降低中速段時的燃油消耗，并且將最大充氣效率對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速顯著的拉低了，其他參數(shù)基本變化不大，這證明發(fā)動機中速段的性能得到了有效的改善。第五章第五章 結(jié)論本文在查閱了大量相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，以4108柴油機為研究對

48、象，通過軟件建立柴油機整機性能模型，分析了凸輪型線對發(fā)動機性能的影響，通過以上的研究，得到了以下結(jié)論：（）設(shè)計凸輪型線時適當增加其最大升程可以全面增加發(fā)動機的性能，包括燃油消耗率，發(fā)動機最大功率及充氣效率均得到優(yōu)化。（）適當延后配氣正時對發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時的最大燃油消耗率影響較小，但卻能有效降低中速段時的燃油消耗，并且將最大充氣效率對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速顯著的拉低了，其他參數(shù)基本變化不大，這證明發(fā)動機中速段的性能得到了有效的改善。致謝及聲明致謝及聲明首先，我要衷心的感謝我的指導老師孟建老師，感謝他在畢業(yè)設(shè)計期間對本人的悉心教導，感謝他在輔導我撰寫論文期間，花費了大量的精力和時間，對我論文內(nèi)容和框架的多次審閱及修改。他的言傳身授將使我終生受益。其次我要感謝熱能與動力工程的全體老師和同學們4年來對我的關(guān)心和支持。尤其感謝我的室友及同學：于建、劉建培、周智、李再國、馮新崢、趙文強，感謝他們一直以來對我的幫助和支持。最后，感謝我偉大的山東理工大學給了我如此優(yōu)秀的成長平臺。由于本人水平有限，所寫論文中難免有不足及錯誤，還望老