發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析-重慶大學(xué)車輛工程專業(yè)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析</p><p><b>　　學(xué) 生：黎明</b></p><p>　　學(xué) 號(hào)：20133790</p><p>　　指導(dǎo)教師：阮登芳（教授）</p><p>　　專 業(yè)：

2、車輛工程</p><p>　　重慶大學(xué)車輛工程學(xué)院</p><p><b>　　二零一七年五月</b></p><p>　　Graduation Design(Thesis) of Chongqing University</p><p>　　Kinematics and dynamics analysis for en

3、gine valve train</p><p>　　Undergraduate: Li Ming</p><p>　　Supervisor: Prof. Ruan Dengfang</p><p>　　Major: Vehicle Engineering</p><p>　　College of Vehicle Engineering<

4、;/p><p>　　Chongqing University</p><p><b>　　May 2017</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率以及換氣質(zhì)量，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)

5、性、可靠性、有害物質(zhì)排放、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)有較大的影響[]。而頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)由于能適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速而在許多小型汽油機(jī)中廣泛使用。但是頂置凸輪軸由于搖臂傳動(dòng)比是變值，所以其幾何關(guān)系要復(fù)雜很多[]。本文在已知凸輪對(duì)搖臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的條件下，針對(duì)某125發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)理論分析運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，并用matlab計(jì)算出其氣門對(duì)轉(zhuǎn)角的理論升程、速度、加速度。在考慮氣門間隙及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變形的影響下，建立配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的單自由度模型，得出運(yùn)動(dòng)二階微分方程

6、。利用matlab采用龍格——庫塔法計(jì)算出氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)比氣門實(shí)際升程和理論升程，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的 “飛脫”、“反跳”以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)。從而完成了整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)計(jì)算。</p><p>　　關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，配氣機(jī)構(gòu)，matlab，龍格庫塔法</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p>&

7、lt;p>　　Valve train is an important part of the engine, which has directly affect to the engine's volumetric efficiency and the quality of ventilation, so there is also a greater influence to the engine power, fuel

8、 economy, reliability, emissions of harmful substances, engine noise and vibration. Because the overhead camshaft valve train can adapt to the higher speed, it is widely used in many small gasoline engine. But for the o

9、verhead camshaft, the drive ratio of the rocker is changed by the time, so</p><p>　　Key words： Valve train, Kinematics, Dynamics,Matlab</p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　本課題

10、以某125型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的頂置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分別對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、剛度計(jì)算、以及動(dòng)力學(xué)分析，并由所得到的數(shù)據(jù)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評(píng)估，為該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.1課題研究意義</b></p><p>　　配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜、工作最繁重的部件之一，固然也是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，配氣機(jī)構(gòu)控制著進(jìn)排氣門的

11、開啟時(shí)刻和開啟速度，根據(jù)每個(gè)氣缸的工作順序，控制進(jìn)氣和排氣，實(shí)現(xiàn)換氣功能。</p><p>　　配氣機(jī)構(gòu)可以視為兩部分組成，即氣門組和氣門傳動(dòng)組。根據(jù)凸輪軸的位置不同，將配氣機(jī)構(gòu)分為三類：下置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)、中置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)以及頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)。本課題便是以凸輪軸頂置式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象展開工作。配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性一部分決定了發(fā)動(dòng)機(jī)振顫程度的大小，已成為一項(xiàng)非常重要的設(shè)計(jì)參考性能指標(biāo)[]。對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的

12、研究?jī)?nèi)容歸納起來主要有兩個(gè)方面，一方面是零部件的設(shè)計(jì)，另一方面是機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題。零部件設(shè)計(jì)又可以簡(jiǎn)單分成三類：氣門及氣門等零部件設(shè)，計(jì)凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)，搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。因?yàn)橥馆喿鳛檎麄€(gè)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，它直接控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，所以凸輪型線的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。而對(duì)于機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的研究，又主要表現(xiàn)在凸輪型線如何如何影響氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)最初為剛性設(shè)計(jì)，但沒有絕對(duì)剛性的零部件，在機(jī)械應(yīng)力以及熱應(yīng)力作用下總會(huì)存在變形，所以逐步發(fā)展為

13、彈性設(shè)計(jì)。</p><p>　　高速汽油機(jī)由于轉(zhuǎn)速較快，每分鐘轉(zhuǎn)速可達(dá)5000轉(zhuǎn)以上，為保證充氣效率，都采用頂置式氣門裝置。這種裝置都適合用凸輪軸的三種安裝形式，但是，如果采用下置式或者中置式的凸輪軸，由于氣門與凸輪軸的距離較遠(yuǎn)，需要?dú)忾T挺桿和挺柱等輔助零件，這樣的結(jié)構(gòu)勢(shì)必造成氣門傳動(dòng)件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)體積也不可避免的變得很大，而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下還容易產(chǎn)生噪聲，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差。所以，現(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)一般都采用頂

14、置式凸輪軸，以期待能改變這種現(xiàn)象。將凸輪軸配置頂置靠近氣門，不僅縮短了凸輪軸與氣門之間的距離，而且省略了挺桿和挺柱，從而簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變得緊湊。更重要的是，這種凸輪軸頂置的安裝方式可以減少整個(gè)系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量。在國內(nèi)的，不少小型汽油機(jī)已采用了凸輪軸頂置的配氣機(jī)構(gòu)。頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度雖然大，但實(shí)際上仍是彈性系統(tǒng)，可看作一個(gè)“彈簧——質(zhì)量系統(tǒng)”[]。當(dāng)氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)工作的時(shí)候，機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，再加上熱應(yīng)力的影

15、響會(huì)使氣門運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大程度的變化，與理論分析脫離，使傳動(dòng)鏈脫節(jié)，將出現(xiàn)一系列不利于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，諸如氣門的開閉不正常，振動(dòng)和噪聲增大、零件易損壞等現(xiàn)象，從而限制了轉(zhuǎn)速的提高</p><p>　　1.2課題國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　1.2.1國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　處在21世紀(jì)的今天，計(jì)算機(jī)能力已然十分強(qiáng)大，尤其是在計(jì)算分析領(lǐng)域。越來越多設(shè)計(jì)過

16、程中運(yùn)用CAE仿真技術(shù)，仿真結(jié)果相比理論分析計(jì)算結(jié)果也能更加有效的預(yù)測(cè)配氣機(jī)構(gòu)的性能。Seon-Yang Hwang等人發(fā)現(xiàn)氣門的沖擊噪聲主要是脈沖噪聲，他們分別對(duì)兩種不同挺柱的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行噪聲分析，得出結(jié)論：既要保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能又同時(shí)達(dá)到降低噪聲的目的，可以通過優(yōu)化緩沖階段的凸輪型線來實(shí)現(xiàn)。Nitin P.Gokhale運(yùn)用三維CFD分析氣門座溫度與潤(rùn)滑液流速的關(guān)系，氣門座溫度升高，潤(rùn)滑液流速降低，兩者成負(fù)相關(guān)。與此同時(shí)還對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的磨

17、損做了深入研究，發(fā)現(xiàn)磨損主要集中在搖臂頭氣門小端的磨損，凸輪-挺柱摩擦磨損和氣門-氣門座沖擊磨損，這三者占整個(gè)磨損的60%~70%。A.K.Jamkhande在凸輪型線設(shè)計(jì)研究中采用了B-樣條曲線，設(shè)計(jì)的凸輪型線不僅更加平滑而且有更低的越度，加速度曲線上不光順的地方明顯減少，在凸輪尖端具有更小負(fù)加速度。R SPrabakar和S PMangalaramanan將氣門彈簧視為彈性體分析，運(yùn)用ADAMS發(fā)現(xiàn)氣門反跳一般不出現(xiàn)在低速發(fā)動(dòng)機(jī)上，

18、并且對(duì)于高速汽油機(jī)，也只集中出現(xiàn)在極速轉(zhuǎn)</p><p>　　1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于我國近代科學(xué)技術(shù)起步較晚，導(dǎo)師我國對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的研究也相對(duì)晚了許多，樊久銘等人針對(duì)裝有液壓調(diào)節(jié)器的CA488汽油配氣機(jī)構(gòu)，提出了“4+N”多質(zhì)量動(dòng)力模型。劉忠民等研發(fā)了可用于配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和耐久性研究，可以控制配氣機(jī)構(gòu)溫度和潤(rùn)滑條件的綜合試驗(yàn)系統(tǒng)。李興蘭利用ADAMS軟件

19、構(gòu)建氣門機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，獲得振動(dòng)和噪聲分析與預(yù)測(cè)的主要部件之間的相互作用，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和邊界條件。曹志芬將氣門機(jī)構(gòu)的剛性以簡(jiǎn)單的機(jī)械方式進(jìn)行測(cè)量，使配氣機(jī)構(gòu)彈性系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)分析有了最基本的剛度參數(shù)?；贑AD / CAE綜合開發(fā)技術(shù)，朱文波等探討發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)數(shù)值研究的思路和過程，為氣門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化提供參考，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以定量形式出現(xiàn)，產(chǎn)品開發(fā)效率高。王曉輝等人采用反向優(yōu)化設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)凸輪輪廓，首先用測(cè)量設(shè)備測(cè)量實(shí)際

20、輪廓，然后使用三維軟件來適應(yīng)凸輪輪廓，進(jìn)行擬合，然后進(jìn)入AVL軟件優(yōu)化，既確保了配氣機(jī)構(gòu)的基本性能，又提高了凸輪型線的連續(xù)性和加工性。白賀研究了凸輪軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)氣門機(jī)構(gòu)的影響。 通過扭轉(zhuǎn)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)提取凸輪軸的扭轉(zhuǎn)角，并測(cè)量凸輪軸的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。結(jié)果表明，凸輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的</p><p><b>　　1.3課題研究背景</b></p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率以

21、及換氣質(zhì)量很大程度上受配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響，而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、有害物質(zhì)排放等各方面性能業(yè)余配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)。隨著國際環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放要求不斷提高，配氣機(jī)構(gòu)的研究也越來越深入，尤其是在彈性系統(tǒng)下的動(dòng)力學(xué)特性研究更加迫切。</p><p>　　隨著制造商對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)，目前4氣門發(fā)動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)上已經(jīng)越來越普遍。大功率低燃消耗從來都是車主最為在意的兩個(gè)點(diǎn)，并且也是設(shè)計(jì)思想中起主導(dǎo)作用的

22、兩大因素。近來可變氣門正時(shí)及升程控制技術(shù)在解決低油耗問題上，變現(xiàn)十分突出，解決了由單個(gè)氣門控制氣體進(jìn)出燃油供給時(shí)，充氣效率低，燃油時(shí)而供給不足，時(shí)而供給過量，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率不夠，排放嚴(yán)重等問題，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更加省油的同時(shí)還能在全段轉(zhuǎn)速輸出期間都更有力，動(dòng)力更強(qiáng)勁，因此頗為受廣大車主的青睞。凸輪軸頂置使配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸在旋轉(zhuǎn)中的負(fù)荷相應(yīng)減小，并且對(duì)于凸輪軸和氣門彈簧的要求也降到了最低。這是因?yàn)樗谠O(shè)計(jì)上沒有挺柱、搖臂和推桿，直接通過凸輪軸

23、上的凸輪來驅(qū)動(dòng)氣門開閉，這使得該機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上有了大大簡(jiǎn)化。同時(shí)從維修角度來看，這也降低了成本。因此頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)從此進(jìn)入設(shè)計(jì)者眼中最關(guān)注的對(duì)象，由于頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)越的性能，簡(jiǎn)介的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)體型有所減小，市場(chǎng)上各類型的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)這種配氣機(jī)構(gòu)的采用率也越來越高。另外，從物理性能的角度來看，凸輪軸架空設(shè)計(jì)思路進(jìn)入和排氣通道轉(zhuǎn)小，氣流阻力小，使氣體出來更加平滑。因此隨著內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)上的</p><p&g

24、t;<b>　　1.4課題研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　1．配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，通過matlab編程分析計(jì)算，得到分析運(yùn)動(dòng)學(xué)的一種通用算法。研究配氣機(jī)構(gòu)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，編寫動(dòng)力matlab學(xué)分析程序，獲取氣門理論升程曲線，速度曲線，加速度曲線，提供動(dòng)力學(xué)分析原始數(shù)據(jù)。</p><p>　　2．配氣機(jī)構(gòu)剛度計(jì)算。利用Cati

25、a為配氣機(jī)構(gòu)建模，并導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行剛度計(jì)算，提供動(dòng)力學(xué)分析分析所需數(shù)據(jù)。</p><p>　　3．配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。采用龍格庫塔法，利用Matlab編寫變搖臂比頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算通用程序，并得出氣門實(shí)際升程曲線，速度曲線以及加速度曲線。</p><p>　　4．對(duì)所選發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，</p><p>　　二、氣門機(jī)構(gòu)的

26、主要設(shè)計(jì)要求</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)行必須有著新氣不斷進(jìn)入，廢棄不斷排除的過程。較早采用的控制其進(jìn)氣、排氣的方式有很多，如滑閥控制（回流掃氣二沖程機(jī)）、旋轉(zhuǎn)閥控制（有過個(gè)別試驗(yàn)機(jī)型）、氣門控制、混合控制（有排氣門的直流掃氣二沖程機(jī)）等等。對(duì)于當(dāng)今市場(chǎng)主流四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，氣門控制進(jìn)排氣的方式已經(jīng)逐漸穩(wěn)定下來，因其可靠的密封性能，便拆裝的優(yōu)點(diǎn)，氣門已經(jīng)在配氣機(jī)構(gòu)中占據(jù)著不可替代的地位?，F(xiàn)有產(chǎn)品幾乎全都采用

27、氣門控制進(jìn)排氣。</p><p>　　氣門機(jī)構(gòu)控制著換氣過程，其設(shè)計(jì)好壞直接影響著四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)方方面面的性能。</p><p>　　首先，由內(nèi)燃機(jī)原理闡述，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率轉(zhuǎn)速nmax正比于進(jìn)氣門通路面積Av除以活塞排量Vh，即nmax（Av/Vh），而升功率NlpeNnmax。拿同一類型的發(fā)動(dòng)機(jī)作比較，因最大功率工況的peN差不多一樣大，可以說他們的升功率NmaxnmaxAv/Vh。&l

28、t;/p><p>　　其次，進(jìn)氣門定時(shí)影響充氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的情況，影響泵氣損失，影響換氣質(zhì)量，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，燃料經(jīng)濟(jì)性和有害排放有影響。此外，配氣機(jī)構(gòu)的因運(yùn)動(dòng)副的摩擦而發(fā)生摩擦損失，與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，總的說來發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低摩擦損失的比重越大，轉(zhuǎn)速越高，配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失所占比重越低。與此同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率和油耗率也隨著配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)摩擦損失與發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速負(fù)荷工況下變化而變化。</p>&l

29、t;p>　　配氣機(jī)構(gòu)各個(gè)工況轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的噪聲以及工作不平穩(wěn)的振動(dòng)很大程度影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性與否和噪聲水平高低。在高熱負(fù)荷下，由于材料性能的限制氣門將發(fā)生熱裂、凸輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下受到較高接觸應(yīng)力的影響發(fā)生接觸疲勞、在各種應(yīng)力綜合作用下氣門彈簧也可能發(fā)生疲勞失效。諸如此類都是重要的可靠性問題，在設(shè)計(jì)過程中不得不引起重視，對(duì)動(dòng)力學(xué)特性做出做夠有效的分析評(píng)價(jià)。氣門機(jī)構(gòu)是彈性系統(tǒng)，在工作過程中一旦發(fā)生振動(dòng)，就有可能產(chǎn)生“飛脫”，“反跳”，

30、氣門“提前落座”一系列異?，F(xiàn)象，并且產(chǎn)生這種異?，F(xiàn)象的概率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加，這些等異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)，將使得凸輪-從動(dòng)件接觸面的磨損加劇，從而影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及工作可靠性。</p><p>　　根據(jù)這些情況，對(duì)氣門機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和主要要求可總結(jié)為：</p><p>　　為使充氣量足夠大，在氣門口要保證足夠大的氣流通路面積；</p><p>　　機(jī)構(gòu)

31、的動(dòng)力學(xué)特應(yīng)當(dāng)滿足機(jī)構(gòu)的“飛脫”和“反跳”不出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速工況下；</p><p>　　為了抑制機(jī)構(gòu)接觸表面的磨損現(xiàn)象，不應(yīng)該有過高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力發(fā)生在重要零件表面，同時(shí)在材料方面也必須考慮到使用性能上的耐久性作；</p><p>　　便于制造和維修，成本較低。</p><p><b>　　三、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</b></p>&l

32、t;p>　　配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)所研究的內(nèi)容包括：①凸輪從動(dòng)件（下置凸輪軸式氣門機(jī)構(gòu)中的挺柱，頂置凸輪軸式的搖臂）運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓開關(guān)系，以及從動(dòng)件與凸輪的相對(duì)滑動(dòng)關(guān)系（本文不研究相對(duì)滑動(dòng)）；②在不考慮機(jī)構(gòu)彈性的條件下，凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系。</p><p>　　3.1凸輪廓線預(yù)處理</p><p>　　對(duì)于普通的下置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，只要乘以或除以固定的搖

33、臂比即可，但是針對(duì)本課題研究的配氣機(jī)構(gòu)采用了凸輪——搖臂——?dú)忾T如圖1所示這種頂置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，這種配氣機(jī)構(gòu)的搖臂比是隨著凸輪轉(zhuǎn)角變化而變化的，要通過配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的幾何關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律利用三角函數(shù)關(guān)系換算得到。</p><p>　　對(duì)于經(jīng)搖臂驅(qū)動(dòng)氣門的機(jī)構(gòu)來說，無論搖臂是處于搖臂中間還是處于搖臂一端，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法是一樣的。頂置凸輪軸的凸輪輪廓通常是按照它驅(qū)動(dòng)平底挺柱時(shí)的挺柱升程規(guī)律給定、制造并用平底測(cè)頭檢驗(yàn)

34、的。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析要解決由已知的求不同凸輪轉(zhuǎn)角下?lián)u臂擺角，再進(jìn)而求氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律的問題。</p><p>　　初始獲得的凸輪廓線數(shù)據(jù)是不光順的，顯然不符合設(shè)計(jì)理念要求。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab分析計(jì)算之前需要將給定的凸輪廓線數(shù)據(jù)在matlab中進(jìn)行光順預(yù)處理，利用matlab分析軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值，曲線擬合的功能，將凸輪廓線首先處理成成一條光滑的曲線，但是這時(shí)并沒有確切的升程與凸輪轉(zhuǎn)角的相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，只用采用樣條

35、插值的方法得到一組數(shù)據(jù)。導(dǎo)入excel制作成凸輪升程一覽表，如附錄表C，為matlab編程計(jì)算做準(zhǔn)備。</p><p>　　3.2氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓的關(guān)系</p><p>　　圖2給出了頂置凸輪軸及搖臂從動(dòng)件的關(guān)系圖。圖中是搖臂柱面中心A在凸輪以頂點(diǎn)D與搖臂接觸時(shí)的位置。任一瞬時(shí)凸輪的轉(zhuǎn)角以與的夾角表示，搖臂的位置則以與的夾角W表示。圖中還給出了凸輪上同一點(diǎn)F與平底挺柱接觸時(shí)的升程

36、y和轉(zhuǎn)角α，以及半徑為的球面挺柱接觸時(shí)的升程和凸輪轉(zhuǎn)角。本次研究的嘉陵125發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，是一個(gè)朝樞軸轉(zhuǎn)的凸輪，規(guī)定以氣門全開時(shí)的轉(zhuǎn)角為00，在凸輪上升段轉(zhuǎn)角為負(fù)，下降段轉(zhuǎn)角為正。</p><p>　　在得到凸輪升程規(guī)律的基礎(chǔ)上，計(jì)算氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律是分析的基礎(chǔ)。首先從每一個(gè)（y，α）數(shù)據(jù)求對(duì)應(yīng)的（W，）數(shù)據(jù)。在△中，利用三角函數(shù)關(guān)系可得：</p><p><b>　?。?.1）&

37、lt;/b></p><p>　　式中、和R的含義見圖2，針對(duì)本課題所分析機(jī)構(gòu)，通過搖臂尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得知,，而且由△知:</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　其中凸輪半徑，。代表著升程對(duì)轉(zhuǎn)角的一階導(dǎo)數(shù)，，單位（mm/弧度）。</p><p>　　凸輪轉(zhuǎn)角與，α的關(guān)系為：</

38、p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　ε、K和的計(jì)算式分如下：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b>&l

39、t;/p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　接著再由（W，）求對(duì)應(yīng)的氣門升程h。由圖3可見，當(dāng)搖臂與凸輪基圓接觸時(shí)，搖臂長(zhǎng)臂與氣門桿端面間有間隙Δ=0.05mm,而氣門桿端面比搖臂中心高出z=1.65mm，這時(shí)搖臂的位置角為：</p><

40、p><b>　　（3.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　其中調(diào)節(jié)螺釘球半徑，經(jīng)過計(jì)算得，；與凸輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的β和氣門理論升程h為：</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p><b>　?。?.

41、11）</b></p><p>　　至此，由每一組（y，α）計(jì)算對(duì)應(yīng)的（W，）再計(jì)算對(duì)應(yīng)的（h，）的過程就完成了。但是，等步長(zhǎng)遞增的α所對(duì)應(yīng)的是不按等步長(zhǎng)遞增的。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，必須要有等步長(zhǎng)遞增的對(duì)應(yīng)氣門理論升程h數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于理論分析運(yùn)算結(jié)果，還必需進(jìn)行擬合與插值處理才能得到所要求的升程—轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)[]。</p><p>　　3.3運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析后的計(jì)算結(jié)果</p

42、><p>　　將公式（3.1）到（3.11）用matlab編程計(jì)算得到如圖4理論氣門升程曲線，matlab程序參見附錄1。</p><p>　　圖4.氣門理論升程曲線</p><p>　　并利用matlab樣條插值功能得到等步長(zhǎng)遞增的所對(duì)應(yīng)的氣門升程。擬合，插值處理后得到氣門的速度，加速度如圖5，其中速度與加速度值以轉(zhuǎn)速7000r/min換算得出。</p>

43、<p>　　圖5氣門速度以及加速度曲線</p><p>　　至此，配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就已全部結(jié)束，氣門的最大升程當(dāng)，hmax=7.815mm；氣門最大正速度，y’max=7.855m/s；氣門最大負(fù)速度，y’max=-14.47m/s。氣門加速度情況略微復(fù)雜，上升段最大正加速度y”max=1713m/s2，下降段最大正加速度y”max=11500m/s2，最大負(fù)加速度y”max=-11600m/s2

44、。加速度的劇烈波動(dòng)是由速度曲線上的一些尖點(diǎn)造成，消除速度波動(dòng)尖點(diǎn)，光順?biāo)俣惹€逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)凸輪廓線可以解決這一問題。</p><p>　　若用高階多項(xiàng)式擬合所得到的氣門理論升程曲線，并再求導(dǎo)，得出氣門理論速度以及加速度，將有如下結(jié)果：</p><p>　　圖6光順處理后的速度及加速度曲線</p><p>　　通過擬合前后對(duì)比，可以清晰看出，若凸輪型線數(shù)據(jù)給的足夠光滑

45、，我們所得結(jié)果也將會(huì)是光滑的，并且從加速度曲線上面可以看出，加速度最值大大降低，并且加速度沒有突變，氣門的運(yùn)動(dòng)不發(fā)生剛性沖擊。所以在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要我們逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化凸輪型線。</p><p><b>　　四、動(dòng)力學(xué)分析</b></p><p>　　4.1動(dòng)力學(xué)理論分析</p><p>　　實(shí)際氣門機(jī)構(gòu)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)正是要研究

46、考慮彈性的情況下的氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中得出的氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這為進(jìn)一步做動(dòng)力學(xué)分析提供了可能，理論氣門升程像是一個(gè)激振力函數(shù)，而真實(shí)情況下氣門的運(yùn)動(dòng)歸路則是對(duì)應(yīng)這種激勵(lì)下的響應(yīng)。由于配氣機(jī)構(gòu)是有彈性的，相當(dāng)于彈簧——質(zhì)量系統(tǒng)，氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)偏離運(yùn)動(dòng)學(xué)分析所得的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律[]。由于氣門存在彈簧預(yù)緊力PS0，在剛消除氣門間隙的瞬時(shí)氣門還不會(huì)打開，要等氣門機(jī)構(gòu)發(fā)生一定變形而變形力PS0時(shí)才能頂開氣門。因此氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)要比氣

47、門的理論運(yùn)動(dòng)始點(diǎn)晚一些。</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，因彈性振動(dòng)的影響，氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況與理論規(guī)律差別較大，甚至有時(shí)氣門實(shí)際升程大于理論升程，這時(shí)由凸輪至氣門的整個(gè)傳動(dòng)鏈將出現(xiàn)脫節(jié)之處，稱作“飛脫”；另一方面，氣門落座時(shí)刻早于理論落座點(diǎn)，以高速?zèng)_擊氣門座并可能“反跳”。正確設(shè)計(jì)的配氣機(jī)構(gòu)不容許在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)飛脫和反跳。為此配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性需要進(jìn)行專業(yè)的校核。</p>&

48、lt;p>　　為分析實(shí)際氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相應(yīng)的各構(gòu)件受力情況，需要建立動(dòng)力學(xué)分析模型，寫出描述其運(yùn)動(dòng)情況的微分方程式然后求解。求解結(jié)果的可信度與模型本身有關(guān)，即取決于該模型能在多大程度上反映機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。</p><p>　　已提出的氣門機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型有許多種，如單自由度模型、多自由度模型、有限元模型等等，其中單自由度模型是最基本而又最簡(jiǎn)單的一種模型。</p><p>　　圖9中給出

49、了單自由度模型。其中是氣門組建和彈簧的當(dāng)量質(zhì)量，是搖臂、推桿、挺柱等驅(qū)動(dòng)件的當(dāng)量質(zhì)量；是氣門彈簧剛度，k是從搖臂長(zhǎng)臂端到凸輪軸為止的整個(gè)氣門機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部分的剛度，是氣門座的剛度；b是驅(qū)動(dòng)部分的當(dāng)量?jī)?nèi)阻尼系數(shù)，是氣門座阻尼系數(shù)，是反映氣門組件粘性外阻尼及氣門彈簧內(nèi)阻尼的當(dāng)量阻尼系數(shù)，是驅(qū)動(dòng)部分的當(dāng)量外阻尼系數(shù)。</p><p>　　在模型中當(dāng)量凸輪繞旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，我們認(rèn)為轉(zhuǎn)軸軸心是剛性的，從動(dòng)件質(zhì)量為0。從動(dòng)

50、件的位移Y在動(dòng)力學(xué)分析之前已經(jīng)從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中得到力理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是由實(shí)際凸輪型線根據(jù)氣門機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的幾何關(guān)系換算到氣門理論升程[]。計(jì)算y的起點(diǎn)（氣門的初始位置）定在氣門座被壓縮了之處。質(zhì)量的位移y相當(dāng)于氣門的實(shí)際升程。</p><p>　　模型中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量通常取為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b&

51、gt;　　（4.2）</b></p><p>　　為搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用solidworks分析得到（kg·m^2），對(duì)于變搖臂比的氣門機(jī)構(gòu)就取其變化范圍內(nèi)的中值。經(jīng)計(jì)算i取i=2.1。是氣門、氣門彈簧座和氣門鎖夾這些氣門組件的當(dāng)量質(zhì)量，代表氣門彈簧的質(zhì)量，其中，，取為：</p><p>　　其中，是氣門全開時(shí)的搖臂位置角。達(dá)倫伯原理指出，作用于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量上的力與慣性力符

52、合力平衡關(guān)系，故對(duì)于消除氣門座變形階段的運(yùn)動(dòng)情況應(yīng)有：</p><p><b>　　整理后得到:</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　式中M表示此階段參與運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，考慮到，通常都用位移對(duì)轉(zhuǎn)角的倒數(shù),來表示，即,,,所以上式可寫成：</p><p><b

53、>　?。?.4）</b></p><p>　　式中： </p><p><b>　　（4.5）</b></p><p>　　相當(dāng)于激振力，是“激振力函數(shù)”。它只決定于，即只決定于凸輪輪廓和氣門機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)。其中是氣門彈簧預(yù)緊力，其值為，是凸輪軸轉(zhuǎn)速，本次研究針對(duì)2個(gè)轉(zhuǎn)速的情況作了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分別是

54、本發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速7000r/min，高速轉(zhuǎn)速為12000r/min.</p><p>　　上述的微分方程可以通過matlab，龍格庫塔法迭代求解。</p><p><b>　　4.2搖臂比i</b></p><p>　　此搖臂比對(duì)前述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析毫無意義，但在分析搖臂受力時(shí)需了解氣門對(duì)搖臂的作用力PvR與凸輪對(duì)搖臂的作用力PcR之比。PvR作用

55、于搖臂和氣門桿端面的接觸點(diǎn)C并指向B，PcR作用于搖臂和凸輪的接觸點(diǎn)并指向A（見圖2，圖3）。若忽略搖臂的慣性力矩不計(jì)，可得搖臂比公式如下：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　其中J就是圖2中與的夾角:</p><p><b>　　（4.7）</b></p><p>

56、;　　若R，和是對(duì)應(yīng)等差遞增求出來的，則所得的J和i就對(duì)應(yīng)不等差遞增的。在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，對(duì)于變搖臂比的氣門機(jī)構(gòu)就取其變化范圍內(nèi)的中值，</p><p><b>　　圖8搖臂比計(jì)算結(jié)果</b></p><p>　　經(jīng)matlab計(jì)算，取i=1.6。</p><p><b>　　4.3搖臂剛度計(jì)算</b></p>

57、<p>　　一個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度是指彈性體抵抗變形（彎曲、拉伸、壓縮等）的能力。頂置凸輪軸式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量輕，體積小，但整個(gè)系統(tǒng)卻具有較高的剛度，因此頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)在很高轉(zhuǎn)速下工況下同樣能正常工作。因此對(duì)于頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)，其很重要的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是機(jī)構(gòu)剛度大，因此機(jī)構(gòu)剛度的計(jì)算對(duì)本課題的研究又很重要的意義。圖5所示為機(jī)構(gòu)剛度測(cè)量的理論簡(jiǎn)圖。</p><p>　　由于氣門與氣門座剛度對(duì)機(jī)構(gòu)剛度的影

58、響很小，對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的影響也很小，因此本次分析假設(shè)氣門與氣門座為剛體，只考慮了彈簧和搖臂的剛度。而彈簧的剛度已知，因此對(duì)機(jī)構(gòu)搖臂剛度的計(jì)算就成為了該配氣機(jī)構(gòu)剛度計(jì)算的主要任務(wù)。</p><p>　　利用catia完成搖臂3D建模: </p><p>　　圖10 Catia3D搖臂模型</p><p>　　將其導(dǎo)入workbench分析軟件中，搖臂材料選用合金鑄鐵，如

59、圖5施加約束，劃分75209個(gè)單元網(wǎng)格：</p><p>　　圖11.劃分單元網(wǎng)格</p><p>　　并施加P=1000N作用力，在這個(gè)作用力下測(cè)得搖臂總變形最大為0.085mm。</p><p><b>　　圖12.搖臂應(yīng)變</b></p><p><b>　　所以搖臂的剛度：</b></

60、p><p>　　k=1000/0.085=1.17×104N/mm</p><p>　　4.4解動(dòng)力學(xué)微分方程</p><p>　　下面的式子即為需要求解的方程：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　即二階常微分方程。因?yàn)樵谇蠼鈪^(qū)間的起點(diǎn)，即凸輪轉(zhuǎn)角為而氣門間

61、隙剛剛消除(Y=0)的時(shí)刻，y和是已知的，即</p><p>　　采用龍格庫塔法從這些初值開始逐步迭代，可得出該微分方程式在一系列計(jì)算點(diǎn)上的數(shù)值解。</p><p>　　設(shè)原方程為,并已知某一轉(zhuǎn)角為時(shí)的升程和速度各為，。取轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)為Δα=0.5°（一般取為0.5o~1.0o），則下一個(gè)計(jì)算點(diǎn)上的升程和速度可由和用下式算出，即</p><p><b&g

62、t;　?。?.9）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中的 ——即 （4.10）</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　?。?.12）</b>&

63、lt;/p><p><b>　　（4.13）</b></p><p>　　這樣從n=0初始點(diǎn)位置開始逐點(diǎn)迭代計(jì)算。每一下的升程和速度得出后，該點(diǎn)的加速度也就得出了。</p><p>　　微分方程中阻尼系數(shù)b、、和，在計(jì)算前必須獲得，但從以前的相關(guān)研究來看這些系數(shù)目前還無法分別測(cè)定。但是阻尼系數(shù)是可以推算的。已經(jīng)有實(shí)踐表明，阻尼值對(duì)整個(gè)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

64、不敏感。因此在此次計(jì)算中取。氣門座剛度很大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算時(shí)不考慮氣門座的變形。將公式（4.4）、（4.5）（4.9）~(4.13)用matlab編程。</p><p>　　龍各庫塔法要求迭代步長(zhǎng)為0.5°，按照k1、k2、k3、k4的計(jì)算要求，需要我們找出轉(zhuǎn)角增長(zhǎng)0.25°倍數(shù)的轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的左右理論升程Y的值，在matlab中樣條插值每隔0.25°計(jì)算一次，便可得到所需Y值。&

65、lt;/p><p>　　圖13.計(jì)算按步長(zhǎng)增長(zhǎng)的Y值</p><p>　　詳細(xì)matlab程序過程參見附錄B。</p><p>　　4.5動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果</p><p>　　龍哥庫塔法matlab分析程序見附錄B，7000r/min額定轉(zhuǎn)速下動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果：</p><p>　　圖 14. 7000r/min轉(zhuǎn)速下實(shí)際

66、升程與理論升程對(duì)比</p><p>　　圖15.7000r/min轉(zhuǎn)速下速度曲線</p><p>　　圖16.7000r/min轉(zhuǎn)速下加速度曲線</p><p>　　最大升程為ymax=7.785mm，最大正速度Vmax=7.893m/s，最大負(fù)速度Vmax=-18.51m/s。加速度局部有較大波動(dòng)，由速度在該區(qū)域波動(dòng)引起，若解決該波動(dòng)，加速度峰值勢(shì)必會(huì)極大下降，所

67、以本次分析中，加速度的極值具有很少的參考性。</p><p>　　12000r/min高速轉(zhuǎn)速下實(shí)際生程與理論升程對(duì)比：</p><p>　　圖17.12000r/min轉(zhuǎn)速下理論升程與實(shí)際升程對(duì)比</p><p>　　圖18.12000r/min轉(zhuǎn)速下速度曲線</p><p>　　圖19.12000r/min轉(zhuǎn)速下加速度曲線</p&g

68、t;<p>　　最大升程為ymax=7.774mm，最大正速度Vmax=7.886m/s，最大負(fù)速度Vmax=-20.85m/s。加速度局部有較大波動(dòng)，由速度在該區(qū)域波動(dòng)引起，若解決該波動(dòng)，加速度峰值勢(shì)必會(huì)極大下降，所以本次分析中，加速度的極值具有很少的參考性。</p><p><b>　　五、動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)</b></p><p>　　5.1“飛脫”和

69、“反跳”</p><p>　　通過上述計(jì)算得到了氣門的實(shí)際升程曲線之后，就可以對(duì)該配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)了，即通過對(duì)比由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到的氣門理論升程曲線與由動(dòng)力學(xué)分析得到的氣門實(shí)際升程曲線，檢驗(yàn)該配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)“飛脫”和“反跳”。</p><p>　　本文分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速、高速2種情況下的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，本發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為7000轉(zhuǎn)/分，所取的高速轉(zhuǎn)速

70、為12000轉(zhuǎn)/分，由圖中轉(zhuǎn)速與升程的關(guān)系曲線可以得知：</p><p>　　上面結(jié)果圖中顯示氣門實(shí)際升程曲線和理論升程曲線的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　1.該發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速（7000r/min）和常用高速工作轉(zhuǎn)速（12000r/min）下的氣門實(shí)際升程曲線和理論升程曲線基本重合，說明該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能良好，即凸輪型線的設(shè)計(jì)符合要求。</p>&l

71、t;p>　　2.在該發(fā)動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)速（12000r/min）的情況下，在一些上升工作段上出現(xiàn)了氣門實(shí)際升程大于理論升程，即出現(xiàn)了傳動(dòng)鏈的脫節(jié)之處——“飛脫”，不過升程之差卻很??；在氣門落座階段也并未出現(xiàn)氣門“反跳”現(xiàn)象。因此，此發(fā)動(dòng)機(jī)在高速轉(zhuǎn)速的情況下工作狀態(tài)也比較穩(wěn)定。</p><p>　　3.氣門實(shí)際開啟階段會(huì)略晚于理論開啟時(shí)間，同時(shí)實(shí)際氣門的最大升程也略小于理論氣門升程，這是由于氣門的彈性所引起； 在

72、氣門升程下降段出現(xiàn)了幅度較大的波動(dòng)，可能是由于配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的剛度不夠。</p><p>　　通過兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力學(xué)特性分析，該發(fā)動(dòng)機(jī)并不存在較大的”飛脫”，“反跳”現(xiàn)象，說明該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能良好。</p><p>　　5.2各參數(shù)對(duì)配氣系統(tǒng)的影響</p><p>　　從氣門運(yùn)動(dòng)微分方程可以看出分析，影響氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律因素有很多，比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)鏈剛度、

73、系統(tǒng)質(zhì)量、凸輪型線等 []。</p><p>　　1. 配氣機(jī)構(gòu)與凸輪轉(zhuǎn)速</p><p>　　氣門加速度與其所受慣性力與凸輪軸的轉(zhuǎn)速的平方成正比，在不改變配氣機(jī)構(gòu)其它因素條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，從動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果來看氣門運(yùn)動(dòng)的加速度急劇增大。</p><p>　　2. 配氣機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)鏈剛度</p><p>　　傳動(dòng)鏈末端是氣門，氣門和氣門彈簧

74、成對(duì)組合使用。氣門與傳動(dòng)件保持接觸，準(zhǔn)備隨凸輪運(yùn)動(dòng)。隨著彈簧剛度的增加，氣門發(fā)生“飛脫”可能性降低，趨勢(shì)減弱。“飛脫”的幅值和轉(zhuǎn)角減少但彈簧剛度增加另一方面將使得配氣機(jī)構(gòu)受力增大，受力增大必然導(dǎo)師變形增加，磨損加劇。一個(gè)傳動(dòng)鏈整體變形取決個(gè)各個(gè)環(huán)節(jié)的變形量，傳動(dòng)鏈的整體剛度影響著氣門運(yùn)動(dòng)的平順性。</p><p>　　3.質(zhì)量對(duì)配氣機(jī)構(gòu)升程、速度、加速度影響</p><p>　　,隨著系統(tǒng)

75、質(zhì)量的增大，系統(tǒng)所受慣性力成正比增大。質(zhì)量減少，受力減小，所帶來的變形量對(duì)氣門實(shí)際升程曲線的影響也越小，“飛脫”可能性減少，，速度，加速度也隨之減小，運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，可靠性增加。</p><p>　　4. 配氣機(jī)構(gòu)與凸輪型線</p><p>　　凸輪型線決定氣門的理論升程規(guī)律，由于氣門機(jī)構(gòu)實(shí)際為一個(gè)彈性系統(tǒng)，配氣機(jī)構(gòu)真實(shí)的升程、速度、加速度是對(duì)應(yīng)一個(gè)具有固有頻率的疊加[]。</p>

76、;<p><b>　　六、結(jié) 論</b></p><p>　　本文以某125型摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，完整的完成了對(duì)該機(jī)構(gòu)從理論分析，到模型的建立，到編程計(jì)算，到結(jié)論分析的全過程，并著重分析了該汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。具體實(shí)施為根據(jù)該高速汽油機(jī)的變搖臂比頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)和凸輪的凸輪升程表在Matlab軟件中算出該配氣機(jī)構(gòu)的氣門理論運(yùn)動(dòng)

77、規(guī)律，再運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析的方法建立配氣機(jī)構(gòu)的單質(zhì)量模型及微分方程式、在Matlab軟件編程計(jì)算得到氣門的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文通過對(duì)比由計(jì)算結(jié)果繪制的氣門理論升程曲線和實(shí)際升程曲線，即該配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能分析，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)節(jié)能型了評(píng)估。</p><p>　　本課題研究中，分析結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的提高，氣門漸漸會(huì)出現(xiàn)“飛脫”和“反跳”，但在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以及較高轉(zhuǎn)速的情況下，該發(fā)動(dòng)機(jī)沒有出現(xiàn)上述問題。因此，該配氣

78、機(jī)構(gòu)總體性能良好，設(shè)計(jì)符合要求。如果需要對(duì)其他頂置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)做動(dòng)力學(xué)分析，由于分析方法大致相同，可直接使用本課題中的動(dòng)力學(xué)通用程序，以及單自由度模型，得到分析結(jié)果。因此本課題的研究擁有比較好的通用性。</p><p>　　配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的一個(gè)有效的途徑便是單自由度動(dòng)力學(xué)模型，該模型已經(jīng)能夠成熟的被龍格庫塔法的迭代算法求出。通過對(duì)該機(jī)構(gòu)建立單自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，由已知?dú)忾T理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律求氣門實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律

79、的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到了氣門實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，經(jīng)過對(duì)曲線進(jìn)行分析后，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，從而保證所選擇的設(shè)計(jì)參數(shù)和凸輪型線能使配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)正常工作。因此這個(gè)模型還兼具優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用。但是頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)最大的特點(diǎn)便是搖臂比是變化的，并且變化的幅度比較大，在不同的轉(zhuǎn)角下?lián)u臂和系統(tǒng)的剛度都是隨著搖臂比的變化而變化的，將系統(tǒng)的剛度當(dāng)作一個(gè)定量，影響了分析的精確性。實(shí)踐表明單自由度模型對(duì)氣門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況做出的分析基本上能達(dá)到工程精度要

80、求，但更詳細(xì)的情況，諸如傳動(dòng)鏈的飛脫究竟發(fā)生在哪一環(huán)節(jié)上，各接觸副和氣門的動(dòng)載荷究竟有多大以及氣門彈簧的震顫問題等等，是無法在單自由度模型中得到，因此往往在配氣機(jī)構(gòu)基本方案確定后，進(jìn)一步用多自由度模型進(jìn)行一些補(bǔ)充驗(yàn)算。</p><p><b>　　七、展 望</b></p><p>　　配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)中控制著換氣過程，其運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)直接影響內(nèi)燃機(jī)的可靠性及性能。發(fā)動(dòng)

81、機(jī)配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)保證充氣系數(shù)盡可能高，開啟和關(guān)閉進(jìn)排氣門的時(shí)刻精準(zhǔn)，各氣缸換氣良好，合理。四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用凸輪——?dú)忾T式配氣機(jī)構(gòu)，工作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。本次課題針對(duì)頂置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)做了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算，建立了單自由度模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算工作量不大。單自由度模型是經(jīng)常使用在氣門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案初選階段，諸如傳動(dòng)鏈的飛脫究竟發(fā)生在哪一環(huán)節(jié)上，彈簧的顫振是否會(huì)導(dǎo)致過大的應(yīng)力或某些簧圈相碰，各接觸副和氣門桿的動(dòng)載荷有多大等等，就無法由單自由度模型

82、分析中得到[]。因此往往在氣門機(jī)構(gòu)基本方案確定后，對(duì)于一些特殊工況下尤其是在接近極限情況下，機(jī)構(gòu)的響應(yīng)究竟具有何種特性，還需要我們進(jìn)一步分析驗(yàn)證，這就需要我們用到多自由度模型進(jìn)行一些補(bǔ)充驗(yàn)算，雖然多自由度模型分析得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，更具有參考性，但是由于自由度數(shù)多，從模型分析所得的運(yùn)動(dòng)微分方程就越為復(fù)雜，求解復(fù)雜的微分方程是一項(xiàng)十分繁瑣的工作，目前并沒有哪一款軟件或哪一種算法可以被通用在復(fù)雜的微分方程求解問題上，所以對(duì)配氣機(jī)構(gòu)多自由度模

83、型的研究還有待進(jìn)行。</p><p>　　對(duì)于配氣機(jī)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的凸輪控制式配氣機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在有一種比較新型的設(shè)計(jì)——無凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)（camless engine valve trains）。正如其名，該配氣機(jī)構(gòu)中沒有凸輪，與目前比較偏重機(jī)械方面的設(shè)計(jì)來說，該機(jī)構(gòu)利用了電磁控制，結(jié)構(gòu)更小巧、簡(jiǎn)單，并且控制精確，在控制氣門正時(shí)和氣門升程方面有著更好的效果。該發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭設(shè)計(jì)減少了20％的燃料消耗和污染物排放量。該

84、機(jī)構(gòu)由智能氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（SVA）代替了由凸輪帶、凸輪軸和液壓凸輪配件組成的傳統(tǒng)的機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)。在無凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門由一對(duì)置于缸蓋上表面上的氣門驅(qū)動(dòng)器直接控制。</p><p>　　發(fā)動(dòng)機(jī)基本排量不變的前提下進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)師當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)所在，提高各方面性能指標(biāo)。為了更大范圍內(nèi)提升內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)，早先有多氣門配氣機(jī)構(gòu)，隨后又發(fā)展有可變氣門運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)，

85、而傳統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)相對(duì)于可變氣門運(yùn)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)提升內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性的能力這方面的能力就要遜色許多[]。對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的研究還有很大的發(fā)展空間，只有不懈的創(chuàng)新、追求和探索，才能使之不斷改進(jìn)，不斷完善，更加廣泛的被使用。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　光陰似箭，歲月如梭，匆匆大學(xué)四年即將走到盡頭，是結(jié)束亦是開始。這里有我熟悉的教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)室

86、，有我熱愛魅力校園風(fēng)光。不經(jīng)意間，在這熟悉的校園中，我度過了人生中最為珍惜的一段時(shí)光。大學(xué)四年期間，有勤奮時(shí)的朝暮勤勉，有懈怠時(shí)的慵懶無為。但始終感受到整個(gè)時(shí)代的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)發(fā)展的迅速，內(nèi)心時(shí)而會(huì)不斷激勵(lì)自己，將自身埋在圖書館浩瀚的書海里，以提升個(gè)人素質(zhì)，思想境界，學(xué)習(xí)上也不斷勤勉自己，努力專研專業(yè)學(xué)術(shù)知識(shí)，無奈大學(xué)四年匆匆過去，心中不免深深嘆息韶光易逝。 </p><p>　　畢業(yè)前最后一次鄭重的檢驗(yàn)便是畢

87、業(yè)論文，這是對(duì)自我所學(xué)知識(shí)，科研能力的此全面檢驗(yàn)。從課題的開展到論文完成的整個(gè)過程中，最重要的是給予我指導(dǎo)的導(dǎo)師阮登芳教授，另外本專業(yè)的許多同學(xué)也給予我不少軟件分析上的幫助，在這里我要由衷的感謝他們，謝謝你們!首先，我要感謝學(xué)校和學(xué)院為我們建設(shè)了這樣一個(gè)美麗的校園學(xué)習(xí)環(huán)境，和專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)器材，讓我們可以理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)習(xí)更加深入。同時(shí)我還要感謝本學(xué)院所有的老師們，感謝他們?cè)谶@四年來對(duì)我的悉心教導(dǎo)。師之所存，道之所存也。正是有了他

88、們這一群教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、工作一絲不茍的教育工作者，科學(xué)知識(shí)，人生哲理才得以最大化的延續(xù)。他們的直言不諱，使我在今后的人生中收獲甚多。 </p><p>　　其次，對(duì)于我的指導(dǎo)老師阮登芳教授我要特別感謝一次，開題，譯文翻譯，國內(nèi)外文獻(xiàn)查閱，軟件分析，解題整個(gè)論文的撰寫工作無不透露著老師的心血，整個(gè)過程都有老師的陪伴，這份良苦用心讓我感動(dòng)不已。在老師的悉心指導(dǎo)下，艱苦奮斗，查閱各種文獻(xiàn)方法這篇論文才算順利完成。在這個(gè)

89、過程中，導(dǎo)師指點(diǎn)我查找分析文獻(xiàn)資料，與我共同分析課題分析結(jié)果的合理性，一同探究期間計(jì)算程序出現(xiàn)的問題。每一次的幫助我都十分受用，在此對(duì)老師致以深深的謝意。</p><p>　　最后，本專業(yè)同學(xué)以及其他專業(yè)同學(xué)在我整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中都有或多或提供指導(dǎo)和幫助，這讓我深深感受到同學(xué)間的那種情誼，在這論文完成的時(shí)刻，我要謝謝你們，謝謝你們的精神鼓勵(lì)和技術(shù)支持，風(fēng)里雨里我們都曾一起走過，讓我在整個(gè)過程中感到無比幸福！感謝所

90、有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)、朋友，謝謝你們！在論文完成之際，我要向我的指導(dǎo)老師致以最衷心的感謝和深深的敬意!</p><p>　　最后的最后，衷心地感謝在百忙之中抽空評(píng)閱本文和參加答辯的各位專家、教授!</p><p>　　附錄A：matlab運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序</p><p>　　已知凸輪升程--轉(zhuǎn)角（y，α）數(shù)據(jù)求氣門升程—轉(zhuǎn)角（h，αr）matlab程序?qū)崿F(xiàn)&l

91、t;/p><p><b>　　la=39.61;</b></p><p><b>　　lc=30.28;</b></p><p><b>　　ro=12.5;</b></p><p><b>　　rs=30;</b></p><p>　

92、　ymax=6.532;</p><p><b>　　p=10;</b></p><p><b>　　o=0.05;</b></p><p><b>　　lb=33.20;</b></p><p><b>　　z=1.65;</b></p>

93、<p>　　yys=gradient(ys)./gradient(as);</p><p>　　for i=1:length(ys)</p><p><b>　　y=ys(i);</b></p><p><b>　　a=as(i);</b></p><p>　　yy=yys(i); &

94、lt;/p><p>　　R=(yy.^2)+(ro+rs+y).^2;</p><p>　　w=acosd((la.^2+lc.^2-R)/(2*la*lc));</p><p>　　rr=R.^0.5;</p><p>　　e=atand(yy/(ro+rs+y));</p><p>　　k=acosd((lc.^2+R

95、-la.^2)/(2*lc*rr)); </p><p>　　Rd=ro+rs+ymax;</p><p>　　kd=acosd((lc.^2+Rd.^2-la.^2)/(2*lc*Rd));</p><p>　　ar1=a+e+(k-kd);</p><p>　　ar2=a+e-(k-kd);</p><p>　　w

96、o=acosd((la.^2+lc.^2-(ro+rs).^2)/(2*la*lc));</p><p>　　bo=asind((p+z+o)/(lb));</p><p>　　b=bo-(w-wo);</p><p>　　h=lb*(sind(bo)-sind(b))-o;</p><p>　　shuchu(1,i)=w;</p>

97、;<p>　　shuchu(2,i)=ar1;</p><p>　　shuchu(3,i)=ar2;</p><p>　　shuchu(4,i)=h;</p><p><b>　　end</b></p><p>　　[FileName,PathName]=uiputfile({'*.xls'

98、,'EXCEL Files(*.xls)';'*.*','All Files(*.*)'}liming.xls');</p><p>　　xlswrite([PathName,FileName],shuchu); liming.xls</p><p>　　附錄B:動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算基本程序</p><p><

99、b>　　k=11700;</b></p><p><b>　　nc=12;</b></p><p>　　ps0=205.8;</p><p>　　ks=41.356;</p><p>　　beta1=17.73;</p><p><b>　　M=0.695;</b

100、></p><p><b>　　det=0.5;</b></p><p><b>　　y=0;</b></p><p><b>　　yy=0;</b></p><p>　　A=zeros(1,386);</p><p>　　B=zeros(1,38

101、6);</p><p>　　C=zeros(1,386);</p><p>　　for n=1:1:386</p><p>　　k1=(k/(36*nc^2*M))*Y(2*n-1)-ps0/(36*nc^2*M)-(k+ks)/(36*nc^2*M)*y-beta1/(6*nc*M)*yy;</p><p><b>　　C(n)=

102、k1;</b></p><p>　　k2=(k/(36*nc^2*M))*Y(2*n)-ps0/(36*nc^2*M)-(k+ks)/(36*nc^2*M)*(y+det/2*yy)-beta1/(6*nc*M)*(yy+det/2*k1);</p><p>　　k3=(k/(36*nc^2*M))*Y(2*n)-ps0/(36*nc^2*M)-(k+ks)/(36*nc^2*

103、M)*(y+det/2*yy+det^2/4*k1)-beta1/(6*nc*M)*(yy+det/2*k2);</p><p>　　k4=(k/(36*nc^2*M))*Y(2*n+1)-ps0/(36*nc^2*M)-(k+ks)/(36*nc^2*M)*(y+det*yy+det^2/2*k2)-beta1/(6*nc*M)*(yy+det*k3);</p><p>　　y=y+de

104、t*yy+det^2/6*(k1+k2+k3);</p><p><b>　　A(n)=y;</b></p><p>　　yy=yy+det/6*(k1+2*k2+2*k3+k4);</p><p><b>　　B(n)=yy;</b></p><p><b>　　end</b>