下置凸轮配气机构仿真设计研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.41MB 82 页 15积分
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摘 要
发动机凸轮型线的设计关系到汽车的动力性、经济性和可靠性。随着汽车产
品更新换代速度的加快和使用要求的不断提高，优化设计和快速开发已成为发动
机产品开发设计中亟待解决的课题。当发动机的总体布置结构、目标参数和综合
限定条件确定后，配气机构零件的结构设计在很大程度上受到了边界条件的制约，
配气机构设计的重点已转移到凸轮型线的设计上来。由于发动机凸轮型线受配气
系统结构和型线设计参数的影响，以往各参数间的匹配、优选和调整，往往需要
进行大量的反复试算、试验，并依靠丰富的设计经验才能完成。对于这样一个需
要反复精确计算，不断通过试验来改进的繁琐过程，仅仅依靠设计师的手工计算
和有限的经验是很难取得理想的效果的，而且开发周期长、成本高，设计精度难
以控制。先进而实用的设计方法仅掌握在少数国外汽车及发动机公司，但出于商
业利益考虑，他们不可能公开其技术。现有的商业化软件 ADAMS、AVL 等则主
要用于配气机构的模拟分析计算和性能评价，而不是设计。因此，有必要利用计
算机技术对配气机构进行仿真设计，以满足我国汽车发动机自主开发的需要。
本文以下置凸轮配气机构为研究对象，在剖析目前配气机构设计理论和设计
方法的基础上，结合现代数理方法和电子计算机技术，实现了凸轮型线的数字化
设计，简化了设计过程；应用机械振动理论建立了下置凸轮配气机构的多质量动
力学模型，对机构的运动、受力、润滑等状态进行了仿真分析，分析结果更接近
实际，便于对配气机构动力学性能作出合理的评价，为配气机构的设计开发和性
能改善提供了依据。
基于 C++ Builder 6.0 和MATLAB 7.1 软件平台，开发了一款界面友好，操作
简单的下置凸轮配气机构仿真设计软件。该软件具备较强图形和数据处理能力，
为发动机配气机构的设计开发和性能优化提供了便捷的工具，提高了设计效率，
缩短了开发周期，降低了开发成本。
关键词：配气机构 动力学 仿真 设计
ABSTRACT
The engine cam design is related to the automobile’s power performance, economy
performance, reliability performance and emission performance. With the accelerated
pace of automotive products replacement and the continuous improvement of
requirements, optimal design and rapid development have become the issues which
need to be resolved during the engine products development. When the overall layout
structure, goal parameters and comprehensive limiters of the engine are determined, the
structural design of the valve train parts is mainly restricted by the boundary conditions.
The focus of valve train design has shifted to the cam profile design. As the engine cam
profile is affected by valve train’s structure and cam profile’s design parameters, the
matching, optimization and adjustment of the parameters usually requires a lot of
repeated calculation, testing, and relies on extensive experience to be completed. For
such a trivial process, it is difficult to achieve the desired results just by the designers’
hand calculations and limited experience, which is characterized with long development
cycle, heavy cost and difficult control on the design precision. The advanced and
practical method is held only by few foreign advanced motor companies. But for
commercial interests, they can not open their skills. The existing commercial software
ADAMS, AVL, etc. are mainly used in the simulation analysis and performance
evaluation of valve train, rather than design. Therefore, it is necessary to use computer
technology to design valve train to meet China's self-developed automobile engine
needs.
In this paper, the author takes the push-rod valve train as the research object,
analyzes the current valve train design theory and design method, and uses modern
mathematical methods and computer technology to achieve the digital design of cam
profile, and simplify the design process; a multi-mass dynamic model with the push-rod
valve train has been created based on mechanical vibration theory; the movement,
mechanical and lubrication status of the valve train has been simulated and analyzed,
and the results of simulation analysis are closer to reality, which is convenient for
making a reasonable assessment for the valve train’s dynamic performance, and
provides basis for the valve train’s development and performance improvement.
Based on C + + Builder 6.0 and MATLAB 7.1 software platform, a simulation
design software applying to push-rod valve train has been developed, which not only
has a friendly interface and easy-to-operate, but also has a strong graphics and data
processing capability. The software can provide a convenient tool for the engine valve
train’s development and performance improvement, enhance the design efficiency,
shorten the development cycle and lower the development cost.
Key Words：Valve Train, Dynamics, Simulation, Design
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题来源 ..............................................................................................................1
§1.2 课题意义 ..............................................................................................................1
§1.3 国内外研究概况 ..................................................................................................1
§1.4 课题主要研究内容 ..............................................................................................3
第二章 凸轮型线设计 .................................................................................................... 4
§2.1 对称式复合函数凸轮型线设计 ..........................................................................4
§2.1.1 缓冲段设计 ...................................................................................................5
§2.1.2 工作段设计 ...................................................................................................6
§2.2 复合函数凸轮型线的非对称设计 ......................................................................7
§2.3 凸轮型线设计结果与分析 ..................................................................................8
§2.3.1 对称凸轮型线与非对称凸轮型线的对比分析 ...........................................8
§2.3.2 设计参数对凸轮型线性能的影响 ...............................................................9
§2.4 本章小结 ............................................................................................................14
第三章 下置凸轮配气机构运动学分析 ...................................................................... 15
§3.1 平底挺柱的运动规律 ........................................................................................15
§3.2 凸轮外形与平底挺柱运动规律间的关系 ........................................................16
§3.3 球面挺柱的运动规律 ........................................................................................17
§3.4 气门的运动规律 ................................................................................................19
§3.5 本章小结 ............................................................................................................20
第四章 下置凸轮配气机构动力学模型的建立与求解 .............................................. 21
§4.1 配气机构动力学分析方法 ................................................................................21
§4.1.1 配气机构动力学物理建模方法分析 .........................................................21
§4.1.2 配气机构动力学数学建模方法分析 .........................................................23
§4.1.3 配气机构动力学方程数值解法分析 .........................................................25
§4.2 下置凸轮配气机构建模思路与过程 ................................................................28
§4.2.1 建模方法与数值解法的确定 .....................................................................28
§4.2.2 多质量动力学模型的建立 .........................................................................29
§4.2.3 多自由度系统动力学方程参数的确定 .....................................................32
§4.2.4 多质量动力学模型的求解 .........................................................................34
§4.3 本章小结 ............................................................................................................40
第五章 仿真计算结果分析 .......................................................................................... 41
§5.1 气门运动规律分析 ............................................................................................41
§5.2 气门弹簧变形分析 ............................................................................................44
§5.3 气门与活塞运动干涉分析 ................................................................................46
§5.4 气门落座力分析 ................................................................................................49
§5.5 凸轮-挺柱接触应力分析 .................................................................................. 52
§5.5.1 发动机转速对凸轮-挺柱接触应力的影响 ............................................... 53
§5.5.2 曲率半径对凸轮-挺柱接触应力的影响 ................................................... 55
§5.5.3 气门弹簧刚度和预紧力对凸轮-挺柱接触应力的影响 ........................... 56
§5.6 凸轮-挺柱弹流动力润滑分析 .......................................................................... 57
§5.6.1 稳态油膜厚度计算 .....................................................................................58
§5.6.2 动态油膜厚度计算 .....................................................................................61
§5.6.3 凸轮润滑特性的评定 .................................................................................63
§5.7 本章小结 ............................................................................................................64
第六章 下置凸轮配气机构仿真设计软件的开发 ...................................................... 66
§6.1 数值计算工具的选择 ........................................................................................66
§6.2 可视化开发工具的选择 ....................................................................................67
§6.3 应用程序接口设计 ............................................................................................67
§6.4 交互仿真界面设计 ............................................................................................68
§6.5 本章小结 ............................................................................................................72
第七章 总结与展望 ...................................................................................................... 73
§7.1 全文总结 ............................................................................................................73
§7.2 论文的创新点 ....................................................................................................73
§7.3 后续工作展望 ....................................................................................................74
参考文献 .........................................................................................................................75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 78
致 谢 .............................................................................................................................79
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源
本学位论文课题来源于上海柴油机股份有限公司项目——SC9DK 发动机凸
轮型线改进设计。
§1.2 课题意义
随着汽车产品更新换代速度的加快和使用要求的不断提高，优化设计和快速
开发已成为发动机产品开发设计中亟待解决的课题。如何在最短的时间内提供环
保、经济、可靠的汽车产品，成为汽车制造商们面临的挑战。配气机构是发动机
中结构复杂、工作频繁的部件之一，它承受强烈的热负荷和机械负荷，其设计是
否合理，对发动机的动力性、可靠性、噪声和排放等有着关键影响。
发动机配气凸轮机构的设计主要是凸轮型线的设计，它对整个配气机构的性
能具有决定性的影响。在凸轮型线的设计过程中，由于各设计参数关联密切，相
互制约，同时又对发动机充气性能、机构运动状态、各运动件的可靠性有交错和
连带的影响。因此，要将这种错综复杂的关系理清楚，需要经过大量的精确运算、
反复调整及合理的取舍，来验证这个复杂过程。同时，还要考虑型线设计与整机
的匹配问题以及对整机性能的影响，这就需要建立配气机构的简化模型，对配气
机构的相关特性参数进行计算和分析。传统的配气机构设计是把机构简化为纯刚
体分析，这样在设计过程中，只能将许多关键的因素排除在外，无法考虑弹性变
形带来的影响，致使发动机的动力性、经济性和机构的可靠性不能得到保障。为
了更精确地分析配气机构的特性参数，需要建立配气机构的多质量动力学模型，
运用动力学分析方法进行分析计算。面对上述大量参数的反复计算、匹配和调整，
仅靠手工计算进行设计参数的优选，不仅很难取得理想的设计效果而且计算周期
长、效率低、成本高，同时修正设计过程繁琐，不能适应快速修改和换型改进的
需要。
CAD/CAE 软件为发动机的设计环节带来了革命性的变化，在制造出物理样
机之前即可对设计对象的性能作出准确的预测。这不仅减少和部分代替了工程测
试与分析的环节，缩短了产品开发周期，更大大提高了设计质量。当前，
ADAMS、
Ricardo 及AVL 都有专门针对发动机配气机构设计与分析的模块。然而，无论那
家公司的 CAD/CAE 产品，其主要功能都是对已有的设计结果进行模拟计算分析，
而其设计功能相对较弱，对使用者而言完全是黑箱操作。为了满足发动机配气机
构自主开发的需要，剖析目前配气机构的设计理论和设计方法，探讨一种新颖的
下置凸轮配气机构仿真设计研究
2
与计算机可视化相结合的仿真分析方法，为配气机构设计提供一个准确、高效的
仿真设计系统是汽车工业发展迫切需要解决的问题。
§1.3 国内外研究概况
20 世纪初，随着汽车工业的迅速发展，凸轮机构的研究受到广泛重视。20
世纪 40 年代以后，随着发动机转速的提高，配气机构引起的故障日益增多，全球
各大汽车公司及其研究机构的专家们开始对配气机构进行深入研究，研究的内容
也从最初的凸轮经验设计过渡到有理论依据的运动学与动力学的分析研究[1]。随
着计算机技术的发展，数值计算方法和机械振动理论得到了快速发展，计算机辅
助设计和辅助制造技术逐步得到了应用[2, 3]。国外的一些著名汽车生产企业已经开
发形成了自己的一套配气机构计算机辅助设计方法，以实现高效率、低成本的产
品生产，提高自己在国际市场中的竞争力。
1985 年日本雅马哈公司的研究人员发表了高速发动机气门运动模拟方法的
论文，介绍了单顶置和双顶置凸轮配气机构的多质量系统模拟方法[4]。1989 年福
特汽车公司做了配气机构和气门弹簧模拟的研究，主要研究内容有建立配气机构
动力学方程；挺杆刚度随接触点的变化；液压间隙调节器的动力学模型和气门弹
簧振动的动力学模型等。其理论分析与实际测量的结果相符合[5]。1978 年，德国
Holland 教授提出了线接触动态承载油膜厚度计算方法[6]，并将其应用于计算三圆
弧凸轮的油膜厚度，他把凸轮—挺柱的卷吸效应和挤压效应分别处理后作线性叠
加。作为一种探索，该方法有一定的积极作用，但是简单叠加既不符合微分方程
的基本原理又不遵循目前公认的润滑破裂的边界条件。虽然后来陆续有学者修正
Holland 的简化方法并重新推导了油膜厚度公式，求出了内燃机凸轮机构的一系列
解[7-11]，但只能求出中心膜厚和最小膜厚，而不能给出压力和膜厚的分布。1989
年，Ai 和Yu 利用 Newton-Raphson 低松弛迭代给出了内燃机凸轮-挺柱副非稳态
弹流润滑过程的完全数值解[12]，研究了等温工况下的弹流润滑问题，求出了凸轮
—挺柱的膜厚变化及部分位置上的压力分布和膜厚分布。但其对凸轮—挺柱间作
用力做了较大简化，发动机转速也只有 800 r/min，与发动机额定工况相差较远。
2000 年，
Siyoul Jang 等[13]也完成了动力学和流体方程的耦合解。但等温解毕竟是
实际工况的一个近似，不符合工程技术发展的需要。近年来 SAE 上不断发表关于
配气机构最新研究进展的文章。其中 SAE-1999 的一篇文章[14]介绍了德国 FEV 公
司在商用软件平台上实现的配气机构及其驱动机构仿真，采用的气门弹簧动力学
模型相当复杂和繁琐，有压缩变形的线弹簧和扭转弹簧耦合在一起，大大增加了
动力学方程的复杂性，但仿真结果也更接近实际情况。
第一章 绪 论
3
国内的学者们对配气机构的研究也取得了很多成果，其中复旦大学的尚汉冀
教授长期研究配气机构的分析，取得丰硕成果。他的“内燃机配气机构计算方法，
程序和应用”研究项目的成果曾获国家级科技进步一等奖，并出版了配气机构设
计和计算的专著[15]。尚汉冀教授的工作包括了下置凸轮配气机构研究的各个方面
[16, 17]，研究成果在实际应用中也取得了良好的效果。清华大学的陆际清教授等人
提出了新的凸轮轴下置式配气机构动力学分析模型[18]，研究了摇臂刚度和摇臂比
的变化对配气机构动力学计算结果的影响[19]，探讨了气门机构的优化设计[20]。其
专著《汽车发动机设计》透彻地分析了顶置凸轮配气机构的相对运动关系[21]。吉
林工业大学的李惠珍教授等人对发动机配气机构的研究也做了大量的工作。他对
整个配气机构的优化设计都有深刻研究[22]，并用多体系统动力学研究配气机构，
建立了配气机构分析的多柔体动力学模型[23, 24]。清华大学的俞海清对凸轮－挺杆
的润滑油膜厚度问题做了长期的研究，探讨了动态润滑油膜厚度计算及测量方法
[25-27]。上海交通大学的浦耿强教授在其博士论文中对小型发动机顶置凸轮配气机
构的设计做了全面的研究[28]。西安交通大学的张可村在凸轮型线设计方法及配气
机构的优化设计的数值方法方面有独到见解[29, 30]，发表了大量文章。
§1.4 课题主要研究内容
本课题以汽车发动机下置凸轮配气机构为研究对象，对复合函数凸轮型线设
计方法、配气机构运动学和动力学进行了较为深入的研究。在此基础上，运用 C++
Builder 和MATLAB 混合编程技术开发了下置凸轮配气机构仿真设计软件。本文
主要研究内容如下：
(1) 复合函数凸轮型线仿真设计方法研究；
(2) 下置凸轮配气机构运动学分析；
(3) 下置凸轮配气机构动力学建模方法研究；
(4) 下置凸轮配气机构多质量动力学模型的建立及求解；
(5) 下置凸轮配气机构运动、受力、润滑等状态的仿真计算分析；
(6) 下置凸轮配气机构仿真设计软件的开发。
下置凸轮配气机构仿真设计研究
4
第二章 凸轮型线设计
配气机构是发动机的重要组成部分，它对发动机的动力性、经济性、可靠性、
排放性能以及振动、噪声均有重要影响。当发动机的总体布置结构、参数目标和
综合限制条件确定后，配气机构零件结构设计已在很大程度上受到边界条件的制
约。因此，凸轮型线的设计已成为配气机构设计的关键。
凸轮型线设计包括缓冲段设计和工作段设计两部分。常见的缓冲段类型有余
弦缓冲段和等加速—等速缓冲段。其中，余弦缓冲段的终点加速度为零，易保持
二阶导数的连续性，但其三阶导数在在缓冲段末端取负值，故一般不能与工作段
保持连续。因而，在函数凸轮中应用不多。等加速—等速缓冲段在其终点处不仅
保持加速度为零，而且三阶以上导数均为零，便于与始点处三阶导数为零的工作
段相接。其优点是等速段能保证当气门间隙变化时，气门总以不变的速度开启和
落座；等加速段速度由零逐渐增大，无突变，工作平稳。因此，在实际工程应用
中，目前多采用等加速—等速缓冲段，以便缓冲段与工作段曲线的衔接能保持高
阶导数的连续性，有利于整个配气机构工作的平稳性。
凸轮型线设计的主要部分是工作段。早期的配气凸轮一般采用几何凸轮，如
圆弧凸轮。但由于其加速度曲线不连续，冲击严重，现在车用发动机已不再采用
圆弧凸轮，取而代之的是函数凸轮。常见的函数凸轮型线有等加速、正弦—抛物
线、复合摆线二型、复合函数、高次方、多项动力、N次谐波等。其中，高次方、
多项动力、N次谐波凸轮型线的平稳性更好，主要用于高速发动机所采用的顶置
凸轮配气机构，在此不再赘述；等加速、正弦—抛物线、复合摆线二型、复合函
数凸轮型线主要用于本文所研究的下置凸轮配气机构。等加速凸轮的加速度曲线
间断，对机构平稳性不利；正弦—抛物线凸轮型线在曲线初始点和 1/4 周期正弦
与最后一段连接点处脉冲不为零，易产生冲击；复合摆线二型凸轮型线负加速度
段的第二段为一常数，不能充分利用气门弹簧逐渐增加的弹力，且在第一、二加
速度段交界处的幅值较大，容易发生气门飞脱；复合函数凸轮型线弥补了复合摆
线二型凸轮型线的不足，曲线中的两段负加速度均易控制[31]。同时，复合函数凸
轮型线还具有丰满系数大，平稳性和设计灵活性好的优点。因此，选用复合函数
凸轮型线进行下置配气凸轮的设计。
§2.1 对称式复合函数凸轮型线设计
对称式复合函数凸轮型线的上升段与下降段的设计参数相同，凸轮型线以凸
轮最大升程为轴对称。这种凸轮型线设计比较方便。设计时，只需设计出凸轮型
摘要：

摘要发动机凸轮型线的设计关系到汽车的动力性、经济性和可靠性。随着汽车产品更新换代速度的加快和使用要求的不断提高，优化设计和快速开发已成为发动机产品开发设计中亟待解决的课题。当发动机的总体布置结构、目标参数和综合限定条件确定后，配气机构零件的结构设计在很大程度上受到了边界条件的制约，配气机构设计的重点已转移到凸轮型线的设计上来。由于发动机凸轮型线受配气系统结构和型线设计参数的影响，以往各参数间的匹配、优选和调整，往往需要进行大量的反复试算、试验，并依靠丰富的设计经验才能完成。对于这样一个需要反复精确计算，不断通过试验来改进的繁琐过程，仅仅依靠设计师的手工计算和有限的经验是很难取得理想的效果的，而...

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