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1、精选优质文档-倾情为你奉上重庆大学本科学生毕业设计（论文）发动机配气机构运动学及动力学分析学 生：黎明学 号：指导教师：阮登芳（教授）专 业：车辆工程重庆大学车辆工程学院二零一七年五月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityKinematics and dynamics analysis for engine valve trainUndergraduate: Li MingSupervisor: Prof. Ruan DengfangMajor: Vehicle EngineeringCollege of Vehicle Engine
2、eringChongqing UniversityMay 2017专心-专注-专业摘 要配气机构是发动机的重要组成部分，其设计的合理与否直接影响到发动机的充气效率以及换气质量，因此对发动机的动力性、燃油经济性、可靠性、有害物质排放、发动机噪声和振动有较大的影响秦元伟. 摩托车发动机配气机构的运动学和动力学分析D. 重庆大学, 2008.。而顶置凸轮轴式配气机构由于能适应更高的转速而在许多小型汽油机中广泛使用。但是顶置凸轮轴由于摇臂传动比是变值，所以其几何关系要复杂很多廖祥兵, 王军, 张立军. 顶置凸轮轴凸轮型线的优化设计J. 内燃机学报, 2001, 19(6):588-592.。本文在已知
3、凸轮对摇臂的运动规律的条件下，针对某125发动机的配气机构，经理论分析运动学规律，并用matlab计算出其气门对转角的理论升程、速度、加速度。在考虑气门间隙及传动机构变形的影响下，建立配气机构运动的单自由度模型，得出运动二阶微分方程。利用matlab采用龙格库塔法计算出气门的实际运动规律，对比气门实际升程和理论升程，对该发动机配气机构的 “飞脱”、“反跳”以及运转的平稳性进行动力学特性评价。从而完成了整个配气机构的运动学及动力学计算。关键词：运动学，动力学，配气机构，matlab，龙格库塔法ABSTRACTValve train is an important part of the engi
4、ne, which has directly affect to the engines volumetric efficiency and the quality of ventilation, so there is also a greater influence to the engine power, fuel economy, reliability, emissions of harmful substances, engine noise and vibration. Because the overhead camshaft valve train can adapt to
5、the higher speed, it is widely used in many small gasoline engine. But for the overhead camshaft, the drive ratio of the rocker is changed by the time, so it has a more complex geometry realationship. With knowing the law of motion of cam on the rockers condition, in the article, the displacement of
6、 the valve is calculated. In considering the valve clearance and the drive mechanism under the influence of deformation, the actual valve movement rule is calculated by using the Runge - Kutta method, and the running speed is calculated with the conditions that the transmission chain is flying off a
7、nd rebound which are not in the normal conditions. Then the kinematics and dynamics calculations of the valve train are completed. And on this basis, with joining the modal analysis of the valve, the theoretical basis for the valve train design are provided. A valve train of a 125 motorcycle engine
8、is chosen for the object of study in this subject. Key words： Valve train, Kinematics, Dynamics,Matlab目录一、绪论本课题以某125型摩托车发动机的顶置凸轮式配气机构为研究对象，分别对其进行了运动学分析、刚度计算、以及动力学分析，并由所得到的数据对该机构进行动力学评估，为该发动机配气机构的合理设计奠定基础。1.1课题研究意义配气机构是发动机结构中最复杂、工作最繁重的部件之一，固然也是发动机的重要组成部分，配气机构控制着进排气门的开启时刻和开启速度，根据每个气缸的工作顺序，控制进气和排气，实现换气
9、功能。配气机构可以视为两部分组成，即气门组和气门传动组。根据凸轮轴的位置不同，将配气机构分为三类：下置凸轮轴式配气机构、中置凸轮轴式配气机构以及顶置凸轮轴式配气机构。本课题便是以凸轮轴顶置式配气机构为研究对象展开工作。配气机构的运转平稳性一部分决定了发动机振颤程度的大小，已成为一项非常重要的设计参考性能指标徐小明. 车用发动机配气机构动力学及其振动特性分析D. 华中科技大学, 2007.。对配气机构的研究内容归纳起来主要有两个方面，一方面是零部件的设计，另一方面是机构的动力学问题。零部件设计又可以简单分成三类：气门及气门等零部件设，计凸轮型线优化设计，摇臂机构运动学设计。因为凸轮作为整个机构的
10、原动件，它直接控制整个机构的运动，所以凸轮型线的设计至关重要。而对于机构动力性能的研究，又主要表现在凸轮型线如何如何影响气门的运动规律。配气机构的设计最初为刚性设计，但没有绝对刚性的零部件，在机械应力以及热应力作用下总会存在变形，所以逐步发展为弹性设计。高速汽油机由于转速较快，每分钟转速可达5000转以上，为保证充气效率，都采用顶置式气门装置。这种装置都适合用凸轮轴的三种安装形式，但是，如果采用下置式或者中置式的凸轮轴，由于气门与凸轮轴的距离较远，需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，这样的结构势必造成气门传动件较多，结构复杂，发动机体积也不可避免的变得很大，而且在高速运转下还容易产生噪声，运转平稳性
11、较差。所以，现代轿车发动机一般都采用顶置式凸轮轴，以期待能改变这种现象。将凸轮轴配置顶置靠近气门，不仅缩短了凸轮轴与气门之间的距离，而且省略了挺杆和挺柱，从而简化了传动机构，使得发动机的结构变得紧凑。更重要的是，这种凸轮轴顶置的安装方式可以减少整个系统往复运动的质量。在国内的，不少小型汽油机已采用了凸轮轴顶置的配气机构。顶置凸轮轴配气机构的系统刚度虽然大，但实际上仍是弹性系统，可看作一个“弹簧质量系统”秦培军. 一种新型可变气门正时机构的研究D. 同济大学, 2006.。当气门机构运转工作的时候，机构会产生弹性变形，再加上热应力的影响会使气门运动产生很大程度的变化，与理论分析脱离，使传动链脱节
12、，将出现一系列不利于发动机运转的现象，诸如气门的开闭不正常，振动和噪声增大、零件易损坏等现象，从而限制了转速的提高李香梅, 张文平, 黄刚. 柴油机配气机构动力学计算模拟C/ 全国振动工程及应用学术会议. 2006.。随着发动机的转速增加，机构运动件的振动也将增大。所以在发动机高速运转时，情况将更严重，甚至出现传动链脱节“飞脱现象”，及过高的落座速度“反跳现象”，甚至破坏配气机构的正常工作。因此，配气机构的运动学以及动力学分析工作显得尤为重要，并且值得设计工作者对其进行不断的优化设计，以提高发动机综合性能。1.2课题国内外研究状况1.2.1国外研究现状处在21世纪的今天，计算机能力已然十分强大
13、，尤其是在计算分析领域。越来越多设计过程中运用CAE仿真技术，仿真结果相比理论分析计算结果也能更加有效的预测配气机构的性能。Seon-Yang Hwang等人发现气门的冲击噪声主要是脉冲噪声，他们分别对两种不同挺柱的配气机构进行噪声分析，得出结论：既要保证发动机性能又同时达到降低噪声的目的，可以通过优化缓冲阶段的凸轮型线来实现。Nitin P.Gokhale运用三维CFD分析气门座温度与润滑液流速的关系，气门座温度升高，润滑液流速降低，两者成负相关。与此同时还对配气机构的磨损做了深入研究，发现磨损主要集中在摇臂头气门小端的磨损，凸轮-挺柱摩擦磨损和气门-气门座冲击磨损，这三者占整个磨损的60%
14、70%。A.K.Jamkhande在凸轮型线设计研究中采用了B-样条曲线，设计的凸轮型线不仅更加平滑而且有更低的越度，加速度曲线上不光顺的地方明显减少，在凸轮尖端具有更小负加速度。R SPrabakar和S PMangalaramanan将气门弹簧视为弹性体分析，运用ADAMS发现气门反跳一般不出现在低速发动机上，并且对于高速汽油机，也只集中出现在极速转速附近；并且发现双气门式弹簧的刚度是一个变化的值，随着转速的提高，刚度是会有所减小的，刚度的波动与变化的摇臂比和线圈的不确定运动有关。Yeongching Lin等在分析单个气门模型时，用动力学分析软件得到配气机构零件的载荷激励，在有限元模型中
15、去评估每个零件的许用应力和最大应力，大大的节约了配气机构的开发时间与成本。这一流程不仅为丰田汽车技术中心设计配气结构提供了指南，也为同类型分析建立了一个基本方法模型，但实则也是计算机软件技术进步带来的设计上的便捷。1.2.2国内研究现状由于我国近代科学技术起步较晚，导师我国对发动机配气机构的研究也相对晚了许多，樊久铭等人针对装有液压调节器的CA488汽油配气机构，提出了“4+N”多质量动力模型。刘忠民等研发了可用于配气机构的动力学特性和耐久性研究，可以控制配气机构温度和润滑条件的综合试验系统。李兴兰利用ADAMS软件构建气门机构的动态模型，获得振动和噪声分析与预测的主要部件之间的相互作用，提供准确的数据和边界条件。曹志芬将气门机构的刚性以简单的机械方式进行测量，使配气机构弹性系统模型的动力学分析有了最基本的刚度参数。基于CAD / CAE综合开发技术，朱文波等探讨发动机气门机构数值研究的思路和过程，为气门机构设计，动力学分析和优化提供参考，经验设计以定量形式出现，产品开发效率高。王晓辉等人采用反向优化设计方法重新设计凸轮轮廓，首先用测量设备测量实际轮廓，然后使用三维软件来适应凸轮轮廓，进行拟合，然后进
