发布时间 : 星期六 文章《发动机配气机构动力学分析及优化》硕士学位论文更新完毕开始阅读
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这些非金属层尽管非常薄，但还能减小气门和气门座工作面间金属的直接接触，从而使摩擦运动不产生严重的磨损作用，此时气门和气门座处于一种边界润滑状态。在此润滑状态中，显然还存在金属与金属的直接接触，但却使这对摩擦副的工作状态大为改善，磨损减小，气门在气门座的工作寿命延长。在少数情况下，如增压发动机的进气门工作面上，因进气压力大于缸盖罩内的压力，不能从气门导管中吸入润滑油，此时如不采取其它措施，进气门工作面就基本处于干摩擦状态，气门和气门座就会迅速磨损，很快失效。所以从润滑角度来看，应尽可能在气门和气门座工作面上形成一层非金属层或油膜。[2~5]
通过对配气机构的动态模拟可以知道各零件的真实运动情况和载荷变化规律；通过对气门副破坏方式的分析与研究，找出其规律，以便对气门副材料的选取、表面加工，以及对配气机构的优化和配气间隙的调整提供更为有效的理论依据和实践经验。这样既研究了配气机构整体性又研究了配气机构的薄弱环节，由此可见，该课题具有显著的工程意义。
1.2 课题在国内外的发展动态
1.2.1 配气机构动力学计算
最先在进行气门运动规律的计算时，是将配气机构的一长串传动链当作完全刚性来进行的，因而就只需进行气门运动学计算，在本质上只是一个纯几何问题。但是随着发动机转速的提高和负荷的增加，传动链的变形影响则越来越明显，这就需要建立新的计算模型和计算方法，配气机构动力学计算便由此而产生了[6~7]。
随着数理方法与计算机技术的发展以及用户对发动机性能要求的提高，国外从五十年代便开始了这方面的研究：Olmstead、Hrones等人在对高速内燃机的研究过程中提出了从动件系统的弹性形变对凸轮机构的动力学影响问题[8]，Hrones首先在微分分析仪上用弹簧－质量力学模型模拟了凸轮－从动件系统的力学问题，Mitch等人首次对内燃机配气机构进行动力学的研究并记录了抛物线、简谐运动、摆线运动三种基本规律的从动件振动特性。随后，Turxish、Thoren、Engemann、Stoddart等人进行了一系列的研究，特别是Stoddart提出的“多项动力凸轮设计”方法对高速内燃机配气机构的研究起
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了推动作用。
研究过程中为了能用数学方程式描述机构的运动，需要把实际结构简化为动力学模型。最早建立的动力学模型是单质量模型，是由W．M．Dudley等人对运行的内燃机配气机构作气门试验时提出的，并在“多项式动力凸轮设计”中被采用[9]。由于它结构简单，易于计算，且大量实践表明：根据该种模型，采用实测值参数进行模拟计算的结果与试验结果相当吻合，所以这种模型得到广泛的应用。
通过单质量模型的动力学计算，可以在考虑弹性变形的情况下计算出气门的运动规律，这比刚性假设下的运动学计算前进了一大步。但是，单质量模型毕竟是一种大大简化了的模型，与实际情况仍有较大的出入，而且只能从总体上反映气门运动的大致规律。人们要进一步了解配气机构各零件的真实运动情况，气门弹簧的颤振和高次振型时配气机构的异常振动，从而明确机构中的薄弱环节，单质量模型则无能为力。因而随后出现了多质量动力学模型。根据使用者目的的不同，有三质量、四质量、五质量，以至更多质量的模型。多质量动力学模型的建立、参数的确定、方程的求解等虽然较困难,但它可以分析传动链中的各零件的真实运动规律以及对整个机构的影响，并能计算出气门内、外弹簧圈的大致振动情况，使模拟值更接近实际情况，故近年来多质量模型的应用远比单质量模型的应用广泛。
近年来，美国的福特公司、日本的雅马哈公司、丰田公司等都曾经在这方面进行过大量深入而细致的工作，为我们进行这方面的研究提供了丰富的可借鉴的资料。我国从八十年代初就开始进行配气机构单质量模型动态分析，目前已比较成功，但多质量动力学模拟却还不很成熟，对模型的处理还欠完善，模拟结果不太令人满意。
最近，为了进一步提高配气机构动力学模拟精度，有人采用变刚度、变摇臂比进行多质量模型的模拟计算[10~16]。当然其模拟精度又有一定程度的提高，多质量动力学模型也得到了进一步的发展和完善。
随着有限元技术的日趋成熟，自八十年代以来，国外便逐渐采用有限元方法来研究配气机构[17~20]，它除具有单质量、多质量动力学模型的功能外，还能很好地模拟气门弹簧的真实运动情况。采用有限元法对配气机构进行动力学分析，可以得出机构振型、自振频率和气门弹簧的振动，以及整个配气机构的动力学特性。
科学的迅猛发展，促使了各种交叉学科的产生。分析力学、连续介质力学、多刚体动力学和结构力学等多学科交叉发展的结果产生了柔性多体系统
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动力学。它把多刚体动力学扩展到包含弹性体的多体系统，能够同时考虑弹性体的整体惯性运动、弹性变形运动及它们之间的相互耦合。用多体系统动力学研究配气机构的动态响应可以弥补以往各种模型的不足。多体模型可以用数学表达式精确地模拟配气机构中的连接副，从而能更好的研究机构的脱开和碰撞问题，而且多体模型可以真实地模拟回转件的运动状况，使摇臂回转问题的研究也变得容易和精确。多体模型还能解决有限元模型无法解决的机构中的脱离和碰撞问题，使模拟计算更趋于完善。[21~26]
这两种方法不仅复杂，而且还不够成熟。故在应用方面还有待进一步研究和推广。所以发展和完善配气机构多质量模拟计算方法仍然是近期的研究重点，在本次设计过程中，仍旧使用多质量模型进行计算。通过参考文献资料，建立适合所分析机型的多质量模型。针对磨损过程的主要影响因素，参考已提出的分析模型[27~30]，提出了落座冲击力的概念，用来分析配气机构运动过程中的动力学状态，并进而判定其对磨损工况的影响，从而提出改进配气机构的有效措施。
1.3 本课题的主要研究内容
本文将完成如下几方面的工作：
1.为顶置凸轮轴、顶置气门配气机构建立了一种新型多质量动力学模型，即“4+N”个集中质量模型。该模型把气门分为三部分，尤其是从气门肩部开始，从而使计算出的气门落座冲击力更接近真实值。
2.对多质量动力学模型初始条件和边界条件的处理是最棘手的问题，传统方法处理多质量动力学模型的初始条件带有不少人为干涉，且显得很繁琐，因此提出一种既简单又合理的方法就很有必要；对气门落座冲击力采用“赫芝”法计算，有利于提高计算精度。同时，从各构件间相互作用力角度来考虑气门的飞脱和反跳，使气门飞脱与反跳的判断更为合理。
3. 配气机构动力学模型的准确与否，需用实验来验证，本文对CA488发动机配气机构进行了模拟计算值和实测值对比，并探索出气门落座冲击力随凸轮转速与气门间隙变化的规律。
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第2章 配气机构动力学模拟
传统的配气机构动力学计算往往将各传动部件简化为完全刚性来进行处理。而机构在实际运动过程中，运动从凸轮开始，经过一长串传动链才传到气门，由于传动链具有一定的质量和弹性，加上高速时导致的气门系统振动，就使气门的运动，远远偏离凸轮所规定的理想运动规律。
因而，从考虑机构的弹性变形与振动着手，计算和了解气门的真实运动以及载荷变化情况，就成为配气机构动力学的研究任务。对配气机构进行动力学计算是进行配气机构研究与开发的重要部分[6]。要用数学方法来描述配气机构各构件的运动，首先需要把实际构件简化成动力学模型，再从动力学模型中抽取出数学模型。
目前进行配气机构动力学计算的方法主要有：单质量模型，多质量模型，有限元法等。
2.1 单质量模拟系统
图2-1 单质量系统模拟简图 Fig. 2-1 Simulative sketch of quality system
配气机构的单质量模型[7]如图2-1所示，它把气门的运动用一个集中质量M的运动来代替（其中M包含有气门质量及其他传动零件换算到气门端的当量质量），M的一端通过刚度为K2的气门弹簧与气缸盖连接，另一端联结一机构系统刚度为K1的当量弹簧，此弹簧的另一端则由当量凸轮直接控制。由图可知，气门的运动微分方程式为:
d2yM2?F1?F2?Fb1?Fb2 （2-1） dt式中 F1——机构压缩力(N) F1?K1(x?y??)
F2——气门弹簧力(N) F2?K2y?F0 Fb1——内阻尼力(N) Fb1?C1(dydx?) dtdt
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