1、摘 要配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分，配氣凸輪是決定配氣機(jī)構(gòu)工作性能的關(guān)鍵零件，如何設(shè)計(jì)和加工出具有合理型線的凸輪是整個(gè)配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的問(wèn)題。文章首先對(duì)凸輪進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方程凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)搖臂比計(jì)算氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后通過(guò)變搖臂比對(duì)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行反求，借鑒高次方程的凸輪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，得出一種凸輪設(shè)計(jì)的新方法，對(duì)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將新設(shè)計(jì)凸輪型線與原始凸輪型線進(jìn)行對(duì)比，分析出新設(shè)計(jì)比原設(shè)計(jì)上在升程、速度和加速度方面所得到的提高，據(jù)此得出新設(shè)計(jì)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)乃至整車所發(fā)揮的作用。關(guān)鍵詞：凸輪；高次方程

2、；變搖臂比；優(yōu)化設(shè)計(jì)ABSTRACTIt is the importance of the internal combustion engine to constitute part to go together with to annoy organization, go together with to annoy a cam is to decide to go together with the key spare parts of annoying the organization work function, how design and process to submit the

3、 cam of having the reasonable type line is the most important problem in the whole design that go together with to annoy system.The article carries on a cent to the cam first segment design, then make use of the biggest speed and the biggest acceleration position exercises according to Gao power dis

4、tance cam the regulation design carry on a cam type through a Matlab software line of excellent turn a design, according to shaking an arm ratio to compute air valve sport regulation, then pass and change and shake arm compare exercise to the cam the regulation carry on anti- beg, draw lessons from

5、Gao power distance of cam design experience, get a kind of cam design of new method, to air valve sport the regulation carry on excellent turn a design, will lately design a cam type the line and original cam type line carry on contrast and analyze lately design ratio original design up gain in the

6、aspects of rising distance, speed and acceleration of exaltation, on these grounds get a new design to go together with to annoy organization is to the whole car develop of function.Key words: cam; high index number equality; proportion of changing; optimization design PAGE II 1緒論近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民生活水平迅

7、速提高，我們對(duì)生活質(zhì)量也提出了越來(lái)越高的要求。但我們周圍的生活環(huán)境卻越來(lái)越惡化全球氣溫變暖，酸雨不斷致使植物死亡等，都在一步一步的威脅著我們?nèi)祟惖纳?。?jù)統(tǒng)計(jì)，90以上的污染來(lái)自內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放。所以要改善我們的生活環(huán)境，其首要的任務(wù)就是降低、限制內(nèi)燃機(jī)的廢氣排放。低污染、低油耗、大功率、大扭矩的內(nèi)燃機(jī)也就是我們的追求目標(biāo)。配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分，配氣機(jī)構(gòu)的好壞對(duì)內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)有著很重要的影響。一般配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)具有良好的換氣性能，進(jìn)氣充分，排氣徹底，即具有較大的時(shí)面值。與此同時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力性，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。振動(dòng)和噪聲較小，不出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損等現(xiàn)象。這就要求配氣機(jī)構(gòu)的從動(dòng)

8、件具有良好的運(yùn)動(dòng)加速度變化規(guī)律，以及不太大的正、負(fù)加速度值。而整個(gè)內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)是由配氣凸輪驅(qū)動(dòng)的，所以配氣機(jī)構(gòu)的這些性能指標(biāo)在很大程度上取決于配氣凸輪的結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高以后，凸輪型線設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能和動(dòng)力性能的影響更大13。在凸輪型線設(shè)計(jì)中，采用最優(yōu)化技術(shù)以來(lái)，經(jīng)歷了靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)階段。本文將從優(yōu)化配氣凸輪型線設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)15。1.1配氣凸輪結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)配氣凸輪是決定配氣機(jī)構(gòu)工作性能的關(guān)鍵零件，如何設(shè)計(jì)和加工出具有合理型線的凸輪軸是整個(gè)配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為重要的問(wèn)題。對(duì)內(nèi)燃機(jī)氣門(mén)通過(guò)能力的要求，實(shí)際上就是對(duì)由凸輪外

9、形所決定的氣門(mén)升程規(guī)律的要求，氣門(mén)開(kāi)啟迅速就能增大時(shí)面值，但這將導(dǎo)致氣門(mén)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的加速度和慣性負(fù)荷增大，沖擊、振動(dòng)加劇、機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性變差。因此，對(duì)氣門(mén)通過(guò)能力的要求與機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性的要求間存在一定矛盾，應(yīng)該觀察所設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速、性能要求、配氣機(jī)構(gòu)剛度大小等，主要在凸輪外形設(shè)計(jì)中兼顧解決發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪外形的設(shè)計(jì)也就是對(duì)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)。從動(dòng)件升程規(guī)律的微小差異會(huì)引起加速度規(guī)律的很大變動(dòng)，在確定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律最為重要，通常用其基本工作段運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)命名，一般有下面幾種：1.1.1等加速凸輪等加速凸輪的特點(diǎn)是其加速度分布采取分段為常數(shù)的形式，其中又可分為兩

10、類，一類可稱為“正負(fù)零型”，指其相應(yīng)的挺柱加速度曲線為正負(fù)零：另一類可稱“正零負(fù)型”，指其加速度曲線為正一零一負(fù)。當(dāng)不考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形時(shí)，對(duì)最大正負(fù)加速度值做一定限制且在最大升程、初速度相同的各種凸輪中，這種型式的凸輪所能達(dá)到的時(shí)面值最大。等加速型凸輪常常適用于平穩(wěn)性易保證，而充氣性能較差的中低速柴油機(jī)中。但就實(shí)際情況而言，配氣機(jī)構(gòu)并非完全剛性，等加速凸輪加速度曲線的間斷性必然會(huì)影響機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)性，在高速內(nèi)燃機(jī)中一般不采用等加速型凸輪9。1.1.2組合多項(xiàng)式型組合多項(xiàng)式型凸輪的基本段為一分段函數(shù)，它由幾個(gè)不同的表達(dá)式拼接而成。通過(guò)調(diào)整各段所占角度及函數(shù)方程，獲得不同斜率的加速度曲線。組合

11、多項(xiàng)式型凸輪時(shí)面值大，而且能夠方便地控制加速度變化率及確保正、負(fù)加速段間的圓滑過(guò)渡，可以較好地協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣性能及配氣機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)性的要求7。由于凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律由若干函數(shù)組成，在各段間聯(lián)結(jié)點(diǎn)處不易保證升程規(guī)律三階以上導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性，可能會(huì)影響配氣機(jī)構(gòu)工作的平穩(wěn)性，組合多項(xiàng)式型凸輪主要應(yīng)用在要求氣門(mén)時(shí)面值大和較好動(dòng)力性能的情形。1.1.3高次方凸輪高次方凸輪是目前整體式的函數(shù)凸輪型線中應(yīng)用較為廣泛的一種。它的基本段挺柱升程函數(shù)是高次多項(xiàng)式，項(xiàng)數(shù)和冪次的選取有一定的任意性。一般情況下，冪指數(shù)越大，升程曲線就越豐滿，且最大負(fù)加速度越小，而使凸輪外形最小曲率半徑增大，有利于減小該處接觸應(yīng)力、降低磨損

12、。但是其負(fù)加速度初段形狀不理想，往往會(huì)提高對(duì)彈簧的要求，而且還使最大正加速度值增大，正加速度段寬度減小，導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)加劇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般先針對(duì)若干組幕指數(shù)，計(jì)算出反映凸輪特性的各相關(guān)參數(shù)，確定性能較好的一組作為計(jì)算方案。高次多項(xiàng)式型凸輪主要應(yīng)用在對(duì)動(dòng)力性能要求較高的現(xiàn)代高速車用發(fā)動(dòng)機(jī)上22。1.1.4多項(xiàng)動(dòng)力凸輪以上三種型線的凸輪都是把配氣機(jī)構(gòu)視為完全剛性的。但配氣機(jī)構(gòu)總是存在彈性變形。無(wú)論挺柱升程怎樣設(shè)計(jì)，它與氣門(mén)升程之間總是有差別的，因此，基于這一差別的考慮，對(duì)挺柱升程曲線預(yù)先做一定的修正，這樣使用動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法算出的氣門(mén)升程曲線才比較理想。多項(xiàng)動(dòng)力凸輪基本工作段的氣門(mén)升程曲線是高

13、次多項(xiàng)式來(lái)設(shè)計(jì)的，因此能夠進(jìn)行這種動(dòng)力學(xué)修正的型線有很多種，應(yīng)用最為廣泛的是多項(xiàng)動(dòng)力凸輪，這種凸輪具有良好的高速適應(yīng)性。目前多項(xiàng)動(dòng)力凸輪主要應(yīng)用在高速汽油機(jī)中。1.2配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算模型對(duì)于現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)，傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算不足以準(zhǔn)確地描述各傳動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須考慮彈性變形。因此在進(jìn)行配氣凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須引入動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型。下面介紹一下單質(zhì)量模型、多自由度模型、有限元模型等。1.2.1單質(zhì)盆模型單質(zhì)量模型就是單自由度質(zhì)量彈簧振動(dòng)模型，簡(jiǎn)稱單質(zhì)量模型。單質(zhì)量模型把氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)用一個(gè)集中質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)來(lái)描述（集中質(zhì)量包含有氣門(mén)質(zhì)量以及其它傳動(dòng)零件換算到氣門(mén)處的質(zhì)量），集中質(zhì)量一端通過(guò)剛

14、度為C的氣門(mén)彈簧與氣缸蓋聯(lián)結(jié)，而另一端聯(lián)結(jié)一假想的剛度為C的“彈簧”，此彈簧的上端由“當(dāng)量凸輪”直接控制。用單質(zhì)量模型可以對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)上述情況作出基本上達(dá)到工作精度要求的綜合分析，并且計(jì)算量小，在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案初選階段單自由度模型是經(jīng)常使用的，但是更詳細(xì)的情況，諸如傳動(dòng)鏈的飛脫，彈簧的頗顫振是否會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的應(yīng)力等等，就無(wú)法由單自由度模型的分析得到。1.2.2二質(zhì)量模型二質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型將配氣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩個(gè)集中當(dāng)量質(zhì)量M1和M2，其中，M1質(zhì)量成分包括挺柱的質(zhì)量，推桿的質(zhì)量。M2為氣門(mén)側(cè)部件的質(zhì)量。其中搖臂軸凸輪一側(cè)的質(zhì)量、剛度和阻尼都應(yīng)換算為相應(yīng)的當(dāng)量質(zhì)量、當(dāng)量剛度和當(dāng)量阻尼。此兩質(zhì)

15、量由一根代表氣門(mén)系統(tǒng)剛度的彈簧相連，而氣門(mén)彈簧使兩質(zhì)量與上述彈簧保持接觸。該模型主要是分析挺柱剛度值、阻尼值的變化規(guī)律以及搖臂以前的傳動(dòng)鏈的剛度值和阻尼值的變化規(guī)律對(duì)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。1.2.3多自由度模型多自由度振動(dòng)模型，簡(jiǎn)稱多質(zhì)量模型，與單質(zhì)量模型相比，能夠更精細(xì)地研究傳動(dòng)零部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在多自由度模型中，我們把挺柱推桿搖臂氣門(mén)的傳動(dòng)鏈用四個(gè)集中質(zhì)量來(lái)代替。把外彈簧用N1個(gè)集中質(zhì)量來(lái)代替，內(nèi)彈簧用N2個(gè)集中質(zhì)量來(lái)代替其中最后一個(gè)質(zhì)量且代表彈簧下座。此種計(jì)算稱之為“4+Ni+N2”自由度模型。該模型考慮了高階振動(dòng)的影響，細(xì)致描述了各驅(qū)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律23。多自由度系統(tǒng)計(jì)算便于對(duì)機(jī)構(gòu)各

16、零件，尤其是彈簧的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。由于計(jì)算耗時(shí)太多，一般只在氣門(mén)彈簧振動(dòng)十分嚴(yán)重的重點(diǎn)工況下才進(jìn)行多自由度系統(tǒng)計(jì)算。1.2.4有限元模型近些年來(lái)隨著有限元技術(shù)的成熟和發(fā)展，采用有限元模型對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析?？梢缘玫秸麄€(gè)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。配氣機(jī)構(gòu)有限元模型可以進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算，可以計(jì)算出配氣機(jī)構(gòu)各零件的位移、速度和加速度、零件的接觸應(yīng)力和變形。我們?cè)谘芯繗忾y振動(dòng)情況的下，描述氣閥振動(dòng)對(duì)工作可靠性和使用壽命的影響等方面往往使用有限元模型計(jì)算方法。1.3配氣凸輪型線設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外自20世紀(jì)60年代起就有許多學(xué)者開(kāi)始對(duì)凸輪型線設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，然而相比而言，國(guó)內(nèi)則起步比較遲，大約從

17、1973年起某些科研院所才開(kāi)始全面研究凸輪型線設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算等課題。此間復(fù)旦大學(xué)在型線設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)，凸輪靠模計(jì)算等多領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，而吉林工業(yè)大學(xué)則在多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)研究方面有所建樹(shù)。天津內(nèi)燃機(jī)研究所和天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院對(duì)配氣機(jī)構(gòu)建立了單質(zhì)量配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，編制了動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序，并利用所編制的程序?qū)δ骋黄蜋C(jī)的配氣系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算，分析了計(jì)算結(jié)果。山東大學(xué)在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)高次多項(xiàng)式配氣凸輪時(shí)，將最大速度點(diǎn)和最大加速度點(diǎn)確定在理想的位置上，這樣有效的控制了加速度曲線的基本形狀和主要特征。濰柴動(dòng)力股份有限公司和山東大學(xué)合作應(yīng)用Boost和Tycon軟件對(duì)WD618.42汽油機(jī)配氣凸輪型線的改進(jìn)

18、設(shè)計(jì)，優(yōu)化了配氣相位和最大凸輪升程、輪廓線函數(shù)，提高了充氣效率并降低了進(jìn)排氣凸輪最大接觸應(yīng)力昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用巧門(mén)。對(duì)臥式2115汽油機(jī)配氣凸輪型線的優(yōu)化及動(dòng)力學(xué)分析，減輕了氣門(mén)落座的反跳現(xiàn)象。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的配氣凸輪的專門(mén)研究，研究?jī)?nèi)容也己經(jīng)從最初的單純的凸輪經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，拓展到包括整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的綜合研究。凸輪型線的設(shè)計(jì)已從靜態(tài)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)展到動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。配氣凸輪傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是把配氣機(jī)構(gòu)看成絕對(duì)剛體，不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形，這種設(shè)計(jì)稱為靜態(tài)設(shè)計(jì)，也就是運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。然而事實(shí)上凸輪本身是有彈性變形的，從氣門(mén)到凸輪的中間環(huán)節(jié)也都是可變形的。所以在設(shè)計(jì)

19、配氣凸輪型線時(shí)必須考慮到配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形。這種設(shè)計(jì)稱為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，也就是動(dòng)力學(xué)分析。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形，可更精確地描述配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并統(tǒng)一考慮配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與凸輪型線，從而實(shí)現(xiàn)凸輪型線的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)凸輪曲線工作段上要有下面幾種設(shè)計(jì)方法，多項(xiàng)動(dòng)力凸輪，高次多項(xiàng)式型，組合多項(xiàng)式型，等加速等減速型，正弦拋物線型，其中以多項(xiàng)動(dòng)力凸輪應(yīng)用最為廣泛，其特點(diǎn)是氣門(mén)升程曲線取某種高次多項(xiàng)式，這種凸輪具有良好的高速適應(yīng)性。在內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，不管是凸輪軸下置還是凸輪軸頂置式配氣機(jī)構(gòu)都有多種動(dòng)力學(xué)模型，主要有單質(zhì)量模型、二質(zhì)量模型、多質(zhì)量摸型、有限元模型，其中吉林大學(xué)在

20、多質(zhì)量模型上有所建樹(shù)。通常，內(nèi)燃機(jī)的凸輪型線為對(duì)稱型。這種凸輪型線的設(shè)計(jì)、制造方便，且在發(fā)動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律保持不變。但隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的提高和增壓技術(shù)的不斷發(fā)展，為了獲得良好的匹配性能，常采用非對(duì)稱凸輪型線。如法國(guó)采用MPC增壓系統(tǒng)的PA6型柴油機(jī)，其進(jìn)排）氣凸輪的上升段角度、弧頂段角度和下降段角度分別為60(60), 23 (3530）和51 (90)。上海交通大學(xué)顧宏中教授開(kāi)發(fā)的超高增壓二次進(jìn)氣技術(shù)，也采用非對(duì)稱凸輪型線。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在汽車企業(yè)研發(fā)過(guò)程中應(yīng)用十分廣泛，如計(jì)算流體力學(xué)(Cmapubdiowl Fluid Dyoamss,簡(jiǎn)稱CF

21、D)軟件FIRE, FLUENT, WAVE, FLOWMASTLR等：發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件GTPower, BOOST等；發(fā)動(dòng)機(jī)與整車匹配軟件CRUISE, GT-Drive等；有限元分析軟件ANSYS：機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS等。對(duì)于配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件主要有AVL-Tycon和GT-Vtrain。本次凸輪型線的設(shè)計(jì)就是基于AVL-Tycon軟件，此軟件應(yīng)用了二質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型，提供了三種凸輪型線的設(shè)計(jì)方法。該軟件使設(shè)計(jì)速度與計(jì)算精度有很大程度的提高。但是，現(xiàn)在凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)僅從配氣機(jī)構(gòu)本身去優(yōu)化配氣系統(tǒng)，只在動(dòng)力學(xué)特性滿足的情況下，考慮到豐滿系數(shù)而不能從整個(gè)換氣過(guò)程的流動(dòng)損失入手，

22、用充氣效串等整機(jī)性能參數(shù)去直觀地評(píng)價(jià)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣性能的好壞。近年來(lái)國(guó)際和國(guó)內(nèi)己開(kāi)始運(yùn)用內(nèi)招機(jī)循環(huán)工作過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬程序與單純的配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序相結(jié)合，即將包含了系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算的配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)程序納入內(nèi)燃機(jī)整機(jī)循環(huán)工作過(guò)程模擬軟件中，形成機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)優(yōu)化的全面模擬軟件包。顯然，這些軟件一經(jīng)成熟必將成為內(nèi)燃機(jī)配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)乃至整機(jī)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的極為有效和實(shí)用的工具。整機(jī)工作過(guò)程的全模擬顯然在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)、多種性能的預(yù)側(cè)、故障的診斷、設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化、壽命與可靠性的預(yù)測(cè)方面顯示出巨大的優(yōu)越性。同時(shí)，也將大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)研究的次數(shù)，并且節(jié)省人力、物力和綜合成本，從而大

23、大提高設(shè)計(jì)效率和整機(jī)性能水平。因此，隨著配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的研究深入進(jìn)行，不久的將來(lái)，這兩者的結(jié)合必將促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)在諸多方面取得決定性的成功和發(fā)展。1.4配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、振動(dòng)、噪聲與排放特性的好壞。配氣凸輪的豐滿系數(shù)越大，則進(jìn)氣量越多，內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能越好，排氣煙度與熱負(fù)荷越低，凸輪形線的圓滑性越好，內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)與噪聲越??；凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力越??；潤(rùn)滑特性越好，內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的沖擊載荷及摩擦磨損越小10。配氣凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在確保配氣機(jī)構(gòu)能可靠工作的前提下尋求最佳的凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)。凸輪型線

24、的設(shè)計(jì)己從靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)展到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形，可更精確地描述配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并統(tǒng)一考慮機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與凸輪型線，從而實(shí)現(xiàn)凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.4.1靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將配氣機(jī)構(gòu)看成絕對(duì)剛體。不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形。用此方法設(shè)計(jì)凸輪型線主要用三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)判別其好壞。1）靜態(tài)充氣性能。通常用挺柱升程豐滿系數(shù)和時(shí)面值來(lái)表示，希望此值越大越好。2）靜態(tài)加油度峰值。即挺柱最大正加速度amax和最大負(fù)加速度amin，也就是說(shuō)amax和amin的絕對(duì)值越小，高速動(dòng)態(tài)性能越好。3）凸輪廊面最小曲率半徑，或者凸輪與挺柱表面的接觸應(yīng)力。設(shè)計(jì)凸輪時(shí)

25、，應(yīng)避免其最小曲率半徑過(guò)小，這樣會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力很大，并會(huì)使凸輪過(guò)早磨損。一般認(rèn)為最小曲率半徑應(yīng)大于2mm。用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的圓弧凸輪，雖然加速度曲錢(qián)不連續(xù)，配氣機(jī)構(gòu)慣性力有突變，但有較大時(shí)面值。對(duì)轉(zhuǎn)速不高的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，它所引起的振動(dòng)和噪聲較小，故在較低轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)上還有一定的使用價(jià)值。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，振動(dòng)和噪聲趨向嚴(yán)重。為解決此問(wèn)題，人們又用此法設(shè)計(jì)了函數(shù)凸輪，如復(fù)合正弦凸輪及復(fù)合擺線凸輪等。這類凸輪型線變化形式較多，但其加速度曲線都是連續(xù)的。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí)。配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形引起氣門(mén)強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞氣門(mén)的正常工作，產(chǎn)生飛脫和反跳，這不僅加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲和各

26、零件間的磨損，還會(huì)使充氣性能有所下降，為了解決這些問(wèn)題，人們就提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的方法14。1.4.2動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，考慮彈性變形。把配氣機(jī)構(gòu)看成彈性系統(tǒng)，主要由下列指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)凸輪型線。1）氣門(mén)的動(dòng)態(tài)加速度峰值。也就是根據(jù)單質(zhì)量振動(dòng)模型或多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型計(jì)算出的最大正加速度波蜂值和第一個(gè)負(fù)加速度波谷值的大小，以及落座后的氣門(mén)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2）動(dòng)態(tài)充氣性能。即考慮進(jìn)排氣管壓力波動(dòng)，多缸機(jī)各缸的搶氣現(xiàn)象，配氣相位對(duì)充氣性能的影響。隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)充氣性能的差別越來(lái)越大，這主要是由兩部分因素引起的，一是當(dāng)轉(zhuǎn)速提高。吸氣過(guò)程縮短，進(jìn)排氣管壓力波的動(dòng)態(tài)效應(yīng)增大；另一方面氣門(mén)發(fā)生飛脫和

27、反跳，破壞了正常的靜態(tài)充氣性能。3）挺柱與凸輪表面的動(dòng)力潤(rùn)滑磨損情況以及氣門(mén)頭部的磨損情況。但在實(shí)際上這些指標(biāo)受到一些限制，如在動(dòng)態(tài)充氣性能計(jì)算中必須考慮到進(jìn)排氣管中的壓力波動(dòng)情況、配氣相位的影響，這就需要求解一元不等熵流動(dòng)的特征線方程組，而精確求解該方程組比較困難。另外動(dòng)態(tài)充氣性能主要受到進(jìn)排氣管和氣道的結(jié)構(gòu)尺寸的影響，所以往往把它和凸輪型線分開(kāi)計(jì)算。凸輪腳面與挺柱表面的動(dòng)力潤(rùn)滑一般只用道森半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，所以有時(shí)也不考慮，實(shí)際上所謂的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)只比靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)多考慮了動(dòng)態(tài)加速度峰值，一般將配氣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型。用振動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)加速度正負(fù)峰值來(lái)判斷凸輪型線的好壞。用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

28、方法設(shè)計(jì)的凸輪有多項(xiàng)動(dòng)力凸輪、正弦拋物線凸輪、rL次諧波凸輪等。多項(xiàng)動(dòng)力凸輪只從彈性變形的角度出發(fā)設(shè)計(jì)凸輪外形，并未考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性振動(dòng)，它仍然沒(méi)有從根本上解決配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)等問(wèn)題。諧波凸輪從振動(dòng)理論出發(fā)，先計(jì)算配氣機(jī)構(gòu)的自振頻率，然后按照給定條件設(shè)計(jì)諧波凸輪，這種凸輪型線在理論上引起配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)最小，被認(rèn)為具有較好的工作平穩(wěn)性，但設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整工作量大，特別難以控制負(fù)加速段的波動(dòng)，且這種凸輪在緩沖段和工作段連接處附近有波動(dòng)，很難作出合理設(shè)計(jì)，因此限制了它的應(yīng)用。動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然考慮了配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形和振動(dòng)問(wèn)題，但同限于凸輪型線的優(yōu)化。而優(yōu)化的目標(biāo)常會(huì)使氣門(mén)升程下的面積達(dá)到最大，即把凸輪的充

29、氣性能放在首位。這樣的考慮顯然不能達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的目的現(xiàn)在已出現(xiàn)針對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的模型。將凸輪型線與配氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為統(tǒng)一考慮，這種模型較為全面地顧及對(duì)配氣系統(tǒng)的各種要求，達(dá)到較好的效果15。1.5凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)總結(jié)在配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充氣性能和動(dòng)力性能是一對(duì)矛盾，以往設(shè)計(jì)凸輪往往片面追求比較大的時(shí)面值，現(xiàn)在則要求協(xié)調(diào)充氣性能和平穩(wěn)性兩方面的要求。在優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中出現(xiàn)了同時(shí)兼顧上述兩方面的雙目標(biāo)函數(shù)的模型，還要考慮涉及更多目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。配氣機(jī)構(gòu)各參數(shù)之間的匹配關(guān)系揭示了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，這對(duì)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)很有實(shí)際意義。凸輪型線種類很多，但是己有的一些優(yōu)化程序，常限于在某一型線范圍內(nèi)選取參數(shù)的

30、優(yōu)化組合，若采用能在多種型線范圍內(nèi)選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，則會(huì)使凸輪型線設(shè)計(jì)得更加合理。優(yōu)化設(shè)計(jì)在數(shù)學(xué)計(jì)算上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，今后的任務(wù)主要是選擇更切合實(shí)際的優(yōu)化模型，使這種模型較全面的滿足對(duì)配氣系統(tǒng)的要求，達(dá)到較好的優(yōu)化效果。為了得到緩和的加速度，以改進(jìn)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，可采用高次多項(xiàng)式函數(shù)凸輪，雖然函數(shù)凸輪的豐滿系數(shù)往往較小，而采用最優(yōu)化誰(shuí)，并將豐滿系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，則可以得到理想的結(jié)果。1.6課題研究主要內(nèi)容基于高次方程氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行氣門(mén)型線的設(shè)計(jì)和氣門(mén)運(yùn)動(dòng)分析,通過(guò)變搖臂比反推凸輪型線，并與通過(guò)高次方程直接設(shè)計(jì)的凸輪進(jìn)行對(duì)比，從而得到一種新的凸輪設(shè)計(jì)方法。

31、基本參數(shù)包括：氣門(mén)初始高度，初始速度，最大速度點(diǎn)和最大加速度點(diǎn)。具體工作如下：（1）查找相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)利用最大速度和最大加速度位置進(jìn)行氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)。（2）根據(jù)搖臂比對(duì)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算得出理想氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。（3）根據(jù)變搖臂比對(duì)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行反求。（4）對(duì)反求的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律與高次方程設(shè)計(jì)的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。2基于高次方程凸輪型線設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)性能好壞的關(guān)鍵因素之一。因此，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和選用一條性能良好的適合發(fā)動(dòng)機(jī)工作需要的凸輪型線，對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣系數(shù)及工作性能，以至提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，都具有十分重要的意義。并且，在生產(chǎn)實(shí)踐中

32、，也常常需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原有的凸輪型線進(jìn)行特性分析，找出其存在的不足或缺陷，作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，以達(dá)到提高并完善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的目的。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線的型式有多種，各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。合理選用、設(shè)計(jì)與發(fā)動(dòng)機(jī)需要相適應(yīng)的凸輪型線，是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員要研究解決的重要課題之一。此次設(shè)計(jì)以高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的高次多項(xiàng)式凸輪型線為研究對(duì)象。2.1普通高次多項(xiàng)式凸輪型線的設(shè)計(jì)整個(gè)凸輪輪廓由基圓、挺柱上升段和挺柱下降段組成，其中上升段和下降段又都各分為緩沖段和工作段兩部分。上升工作段和下降工作段在桃尖最大升程處相接。上升緩沖段和下降緩沖段各處在對(duì)應(yīng)工作段與基圓之間。在緩沖段上，挺住升程很小，速度也很小，每一段所占凸輪軸轉(zhuǎn)

33、角度數(shù)叫做段長(zhǎng)24。配氣凸輪所對(duì)應(yīng)的挺柱升程曲線在上升段和下降段各有一緩沖段，上升級(jí)沖段和下降緩沖段的設(shè)計(jì)可以是相同（對(duì)稱）的，也可以不相同。例如在有些凸輪設(shè)計(jì)中，將上升緩沖段包角取得較短，而下降緩沖段的包角取得較長(zhǎng)，其目的是使氣門(mén)開(kāi)啟較快而關(guān)閉時(shí)落座又不致過(guò)大，但一般所見(jiàn)到的多數(shù)設(shè)計(jì)，其上升、下降緩沖段還是取成相同的。此外，緩沖段的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮與基本段有連續(xù)光滑的連接。設(shè)置緩沖段的目的是控制住氣門(mén)的初速度和落座速度，由于氣門(mén)間隙在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)因一些零件的熱膨脹和磨損而發(fā)生變化，如果沒(méi)有緩沖段，則在氣門(mén)間隙較大時(shí)，氣門(mén)會(huì)受到較大的初始速度沖擊和落座過(guò)度沖擊，加劇機(jī)構(gòu)的振動(dòng)、嗓聲以及氣門(mén)和

34、氣門(mén)座錐面的沖擊摩擦。安排緩沖段，并使緩沖段升程大于折算到挺柱端的氣門(mén)間隙最大可能值，則氣門(mén)間隙消除時(shí)刻和氣門(mén)落座時(shí)刻挺柱總在緩沖段上，氣門(mén)的初速度和落座速度得以控制。多數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣凸輪不同于排氣凸輪，而且一般表現(xiàn)為排氣凸輪的工作段總長(zhǎng)大于進(jìn)氣凸輪，最大升程、緩沖段與工作段銜接處的挺柱升程、挺柱速度也稍大于進(jìn)氣凸輪。凸輪型線的形狀將直接形響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、配氣機(jī)構(gòu)各部件的沖擊負(fù)荷以及發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，因此在凸輪型線計(jì)算中應(yīng)遵循如下原則：1）在凸輪包角和氣門(mén)最大升程不變的情況下，氣門(mén)開(kāi)啟期的時(shí)面值應(yīng)盡可能大，以利于提高氣門(mén)充氣效率。2）控制氣門(mén)開(kāi)閉的加速度，減小配氣機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)件的慣性力。3）應(yīng)控

35、制氣門(mén)在工作段中的最大負(fù)加速度，以避免氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)困難。4）凸輪型線各區(qū)段接點(diǎn)處的加速度應(yīng)盡量連續(xù)。以減小或避免機(jī)構(gòu)中的沖擊和振動(dòng)。2.1.1緩沖曲線的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)組沖段曲線應(yīng)保證緩沖段曲線與基圓和工作段的光滑連接，即在接點(diǎn)處相切且在該點(diǎn)附近挺柱速度足夠小。以減小配氣機(jī)構(gòu)的沖擊，因此對(duì)氣門(mén)落座速度應(yīng)進(jìn)行限制，但落座速度也不能過(guò)小，否則不利于氣門(mén)撞碎氣門(mén)座上的雜質(zhì)；此外，在緩沖段接近終點(diǎn)時(shí)，升程變化過(guò)于平緩，當(dāng)配氣機(jī)構(gòu)間隙略有變化時(shí)造成氣門(mén)啟閉時(shí)刻有較大變化一般氣門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)的挺住速度0.01270.0524mm/凸輪轉(zhuǎn)角(deg)之間，緩沖曲線所占凸輪轉(zhuǎn)角為1540，選定應(yīng)與緩沖段終點(diǎn)處的挺柱

36、升程及緩沖段的函數(shù)表達(dá)式綜合考慮。一般的凸輪設(shè)計(jì)是分別用兩個(gè)函數(shù)式表達(dá)從動(dòng)件在基本工作段與緩沖段上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的，緩沖段函數(shù)的形式有多種，一般采用余弦型或等加速-等速型緩沖段。余弦緩沖段是常用的一種緩沖段，其挺柱升程曲線形式為 ，當(dāng) （2-1）式中P0緩沖段全升程；0緩沖段包角；。這段緩沖段的速度，加速度曲線為 （2-2）此處為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度。余弦緩沖段只含有兩個(gè)可以任意調(diào)節(jié)的參數(shù)P0和q ；因此在緩沖段設(shè)計(jì)的三個(gè)基本參數(shù)：緩沖段包角0 ，緩沖段末端（=0時(shí)）的升程h0及速度v0r中，只要事先給出兩個(gè)，而第三個(gè)則由這兩個(gè)來(lái)自然決定。一般說(shuō)來(lái)，我們總是給出緩沖段全升程h0和包角0 ，這時(shí)，就決定了

37、。而緩沖段末端的挺住速度也隨之確定為 （2-3）如果這樣算出的v0r，不符合要求，那就只好調(diào)整P0和q而重新計(jì)算。余弦緩沖段的計(jì)算較簡(jiǎn)單，其加速度曲線在緩沖段末端為0，因此易于與一般函數(shù)凸輪的基本段相接而保持二階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性，但其三階導(dǎo)數(shù)在緩沖段末端取負(fù)值。故一般不能與基本段保持連續(xù)相接。等加速等速型緩沖段的等速段保證氣門(mén)機(jī)構(gòu)間隙變化時(shí)，氣門(mén)仍以不變的速度升起和落座，而且這種緩沖段在等速段的升程變化率較大，使實(shí)際氣門(mén)間隙的變動(dòng)對(duì)配氣相位影響不大，而緩沖段的等加過(guò)段則可以保證凸輪從動(dòng)件從基圓過(guò)渡到緩沖段工作時(shí)，速度由零逐漸增大，無(wú)突變，工作平穩(wěn)，而且凸輪外形在實(shí)際基圓與緩沖段相銜接處圓滑無(wú)尖點(diǎn)。

38、等加速等速型緩沖段的挺柱升程曲線由兩段組成，第一段為凹的拋物線，第二段為直線。挺住升程hr0 、速度Vr0和加速度Ar0計(jì)算如下：等加速段 （2-4） （2-5） （2-6）等速段 （2-7） （2-8） （2-9）式中 挺柱升程對(duì)凸輪轉(zhuǎn)角的一階導(dǎo)數(shù)（mm/rad）； 挺柱升程對(duì)凸輪轉(zhuǎn)角的二階導(dǎo)數(shù)（mm/rad2）； 緩沖段終點(diǎn)的挺住（mm）； 比例系數(shù)，； 緩沖段張角（rad）。對(duì)于高速?gòu)?qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，以采用等加速等速型線緩沖曲線為宜。它具有如下特點(diǎn)：（1） 緩沖段終點(diǎn)的加速度為零，沖擊和噪聲較小；在氣門(mén)的開(kāi)啟或降落側(cè)，氣門(mén)間隙和配氣機(jī)構(gòu)的變化不會(huì)影響挺柱的速度和加速度，對(duì)配氣正時(shí)的影響也不大。

39、緩沖曲線終點(diǎn)時(shí)挺柱升程對(duì)凸輪轉(zhuǎn)角的二階、三階導(dǎo)數(shù)皆為零，所以它與凸輪基本輪廓線銜接的光滑性較好。2.1.2工作段運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)在整體式函數(shù)凸輪運(yùn)動(dòng)曲線中，多項(xiàng)式高次方曲線是較早受到人們注意的一種曲線。因?yàn)槎囗?xiàng)式高次方曲線高階連續(xù)，能滿足較多的邊界條件，曲線的形狀易于調(diào)整，可適應(yīng)不同的工作需要，因而應(yīng)用較廣。函數(shù)式一般可取5-7項(xiàng)。高次多項(xiàng)式凸輪型線可以表示為 （2-10）或 （2-11）式中冪指數(shù)p、q、r、s均為整偶數(shù)，且。這兩種多項(xiàng)式已經(jīng)滿足了x=0處（凸輪頂點(diǎn)）y=0而有極限值（=0）的邊界條件。五項(xiàng)式（2-14）中的五個(gè)常系數(shù)C0 ，C2 ，.，Cr可從，或，或，五個(gè)邊界條件解出。對(duì)六項(xiàng)

40、式（2-11）還要再加上一個(gè)邊界條件才能解出六個(gè)常系數(shù)。求解的結(jié)果是：對(duì)五項(xiàng)式 （2-12）對(duì)六項(xiàng)式 （2-13）高次多項(xiàng)式凸輪的挺柱工作升程圖豐滿系數(shù)b和挺柱最大負(fù)加速度為 （3-14）對(duì)于五項(xiàng)式型線，b式中的應(yīng)刪去。冪指數(shù)的選取對(duì)挺柱升程曲線的豐滿系數(shù)程度，對(duì)加速度曲線形狀（最大正負(fù)加速度值大小，正加速度段寬度）等均有直接影響。對(duì)于給定的設(shè)計(jì)要求來(lái)說(shuō)，只要改變冪指數(shù)p、q、r、s就改變了高次方凸輪的挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般指數(shù)取得越大，則升程曲線越豐滿，級(jí)大負(fù)加速度越小，使凸輪外形最小曲率半徑增大，這對(duì)減小該處接觸應(yīng)力，因而降低磨損是有利的。但是其負(fù)加速度初段形狀不好，會(huì)提高對(duì)彈簧的要求，而且還

41、使最大正加速度值急劇增大，正加速度段寬度減小，因而配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)加劇。為了使負(fù)加速度極值點(diǎn)出現(xiàn)在最大升程處，負(fù)加速度曲線終段形狀符合彈性，指數(shù)p必須為2，而指數(shù)q應(yīng)大于4，其余各冪指數(shù)關(guān)系為，而且q的影響較大，r次之，s最小。此外，為了得到反對(duì)稱于行程中間位置的加速度曲線，高次冪指數(shù)應(yīng)采用連續(xù)值：為使加速度曲線有不對(duì)稱的效果，則高次指數(shù)間的間隔可取為2或3。對(duì)于外形對(duì)稱的凸輪。它們均應(yīng)為偶數(shù)，一般可按以下公式選擇： （3-15）其中m、n為正整數(shù)，并常取n=39，m=110。對(duì)稱凸輪上升段的和對(duì)應(yīng)相等，對(duì)兩段取同樣的p，q，r，s，則兩端的升程函數(shù)就有相同的C2，Cp 常系數(shù)。這樣，上升段和下降

42、段就可以統(tǒng)一用一個(gè)式子來(lái)表示，在凸輪頂點(diǎn)處自然是連續(xù)。不對(duì)稱凸輪的，。要使其上升段和下降段在凸輪頂點(diǎn)出有同樣的挺柱加速度，即，應(yīng)有。這只能通過(guò)調(diào)整上升段或下降段的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（指，）或調(diào)整一些冪指數(shù)來(lái)達(dá)到。高次方凸輪工作段型線不僅自身的挺柱加速度和加速度變化率處處連續(xù)，而且可以與等加速等速過(guò)渡段圓滑相接(交界處二者的和均為零），似乎有利于上高速。不過(guò)實(shí)際上由子高次多項(xiàng)式含有較大的高頻分量，其高速性未必優(yōu)于低次組合式凸輪型線，且設(shè)計(jì)結(jié)果往往是有較大的和較小的b，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整不夠靈活方便。2.2高次多項(xiàng)式凸輪的新型設(shè)計(jì)方法發(fā)動(dòng)機(jī)高次多項(xiàng)式配氣凸輪傳統(tǒng)的邊界條件確定設(shè)計(jì)方法是通過(guò)建立函數(shù)型線。該邊

43、界條件不僅要求工作段始點(diǎn)與緩沖點(diǎn)的升程、速度和加速度連續(xù)，而且要求工作工作段始點(diǎn)的三階以上導(dǎo)數(shù)為0（五項(xiàng)式的三階導(dǎo)數(shù)為0，六項(xiàng)式的三四階導(dǎo)數(shù)為0）。顯然這種邊界條件只能保證工作段始點(diǎn)的高階導(dǎo)數(shù)光滑連續(xù)，而對(duì)凸輪型線的加速度曲線幾乎沒(méi)有影響。因此高次多項(xiàng)式凸輪存在最大加速度高、豐滿系數(shù)低和設(shè)計(jì)調(diào)整不夠靈活方便的缺點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題，將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法做相應(yīng)的改進(jìn)，利用凸輪最大速度位置、最大加速度位置和邊界條件共同求取高次多項(xiàng)式凸輪升程函數(shù)20。凸輪的加速度曲線主要影響配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征和耐久性因此許多型線（如復(fù)合擺線、正弦拋物線和多項(xiàng)式組合凸輪等）都是直接依據(jù)加速度曲線設(shè)計(jì)凸輪的。要設(shè)計(jì)理想的高

44、次多項(xiàng)式型線也必須有效控制其加速度曲線，為此須改進(jìn)凸輪設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)高次多項(xiàng)式凸輪型線特性參數(shù)與凸輪和氣門(mén)特征參數(shù)變化關(guān)系的分析，以凸輪型線特性參數(shù)與凸輪和氣門(mén)特征參數(shù)變化的規(guī)律作為型線設(shè)計(jì)、調(diào)整的依據(jù)，考慮到增加多項(xiàng)式函數(shù)的項(xiàng)數(shù)，有利于提高凸輪升程豐滿系數(shù)，故將凸輪型線設(shè)為七項(xiàng)式函數(shù)為 （2-16）式中，為凸輪工作段半包角，為以凸輪最大升程所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為起始點(diǎn)算起的凸輪轉(zhuǎn)角。 、 、 、 、 為待定系數(shù)；p、q、r、s為待定冪指數(shù)。取正整數(shù)值，且。由于正加速度寬度和最大加速度位置決定加速度曲線的基本形狀和主要特征，因此將凸輪最大速度和最大加速度確定在理想位置X1和X2點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)凸輪型線是非

45、常重要的，故要求（2-1）首先滿足以下兩個(gè)條件：當(dāng)時(shí)，凸輪型線的速度最大，即，代入（2-16）式中可得出： （2-17）當(dāng)時(shí)，凸輪型線的加速度最大，即，同樣代入（2-16）式中可以得出： （2-18）為保證凸輪型線工作段始點(diǎn)與緩沖段終點(diǎn)升程h0 、速度V0 、和加速度連續(xù)，并假定凸輪在工作段始點(diǎn)處加速度變化率也為0，即可以求得以下邊界條件： （2-19）上述邊界條件（2-4）與（2-2）、（2-3）式共同組成了未知數(shù)是 、 、 、 、的一個(gè)六元線性方程組，具有唯一確定的解。2.3汽油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線的改進(jìn)設(shè)計(jì)在高速發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線的設(shè)計(jì)中，不僅要保證配氣機(jī)構(gòu)獲得盡可能大的時(shí)面值或豐滿系數(shù)。以提

46、高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和降低殘余廢氣系數(shù)，還應(yīng)使配氣機(jī)構(gòu)具有良好的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即較低的氣門(mén)落座速度，加速度曲線連續(xù)、無(wú)突變，正負(fù)加速度絕對(duì)值限定在允許范圍內(nèi)，同時(shí)力求小的表面接觸應(yīng)力，以保證配氣機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)、低噪、可靠地工作。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速的性能，提高充氣系數(shù)及工作可靠性，對(duì)原機(jī)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)方案設(shè)計(jì)20。2.3.1汽油機(jī)配氣凸輪型線設(shè)計(jì)的原則對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)配氣凸輪來(lái)說(shuō)，其輪廓曲線設(shè)計(jì)的主要要求如下：1) 氣門(mén)升程曲線的豐滿系數(shù)越大越好。豐滿系數(shù)越大氣體流通性能越高，進(jìn)氣和排氣效率越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能就越好。2) 氣門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的最大正、負(fù)加速度應(yīng)低于其許應(yīng)值，同時(shí)不允許產(chǎn)生突

47、變現(xiàn)象，以減輕配氣機(jī)構(gòu)中的沖擊、振動(dòng)、嗓聲和磨損，從而保證汽油機(jī)有良好的動(dòng)力性能。3) 凸輪輪廓的最小曲率半徑不能太小，應(yīng)大于其許應(yīng)值，以避免由于接觸應(yīng)力過(guò)高造成摩擦副的早期破壞，保證汽油機(jī)工作過(guò)程的可靠性。2.3.2發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凸輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)原機(jī)動(dòng)力性能的分析，新凸輪緩沖段仍燃采用與原凸輪相同的等加速等速緩沖曲線。由于汽油機(jī)進(jìn)氣門(mén)與進(jìn)氣門(mén)座之間的潤(rùn)滑條件好于排氣門(mén)與排氣門(mén)座。而進(jìn)氣門(mén)的質(zhì)量比排氣門(mén)大，所以在進(jìn)氣凸掄的設(shè)計(jì)中，主要增大了進(jìn)氣門(mén)的正加速度寬度，并降低了最大加速度值，這將會(huì)改善整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，避免出現(xiàn)氣門(mén)飛脫現(xiàn)象。凸輪型線應(yīng)首先選用高階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的高次多項(xiàng)式型線，以保證配氣機(jī)

48、構(gòu)的動(dòng)力性能。要設(shè)計(jì)理想的高次多項(xiàng)式型線也必須有效控制其加速度曲線，為此采用上述利用凸輪最大速度位置、最大加速度位置和邊界條件共同求取高次多項(xiàng)式凸輪升程函數(shù)的設(shè)計(jì)方法16。通過(guò)對(duì)高次多項(xiàng)式凸輪型線特性參數(shù)與凸輪和氣門(mén)特征參數(shù)變化關(guān)系的分析，以凸輪型線特性參數(shù)與凸輪和氣門(mén)特征參數(shù)變化的規(guī)律作為型線設(shè)計(jì)、調(diào)整的依據(jù)，在配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)限定的條件下，經(jīng)過(guò)對(duì)有限方案特征參數(shù)的比較，考慮到增加多項(xiàng)式函數(shù)的頂數(shù)，有利于提高凸輪升程豐滿系數(shù)。故將凸輪型線設(shè)為六項(xiàng)式，函數(shù) (2-20)式中，為凸輪工作段半包角。將新設(shè)計(jì)進(jìn)氣凸輪最大速度和最大加速度位置確定在位置X1=0.65，X2=0.85；其它涉及參數(shù)為：凸輪最

49、大升程ymax=5.48216。將這些設(shè)計(jì)參數(shù)代入式（2-17）、（2-18）、（2-19）可得 （2-21）對(duì)于給定的一組p、q、r、s，（2-20）為未知數(shù)是、的六元線性方程組，具有唯一確定的解。為了獲得良好的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能和較佳的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能，氣門(mén)升程曲線方程的冪指數(shù)p、q、r、s必須通過(guò)優(yōu)化組合選取，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，以豐滿系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)： （2-22）約束條件分為兩類：邊界約束和性能約束。邊界約束：指數(shù)p、q、r、s、t均取正整數(shù)，且，取、性能約束：氣門(mén)最大正加速度amax應(yīng)小于限定值：氣門(mén)最大速度Vmax應(yīng)小于限定值：凸輪最小曲率半徑Rmin應(yīng)大于限定值。分析優(yōu)化數(shù)學(xué)模

50、型，可知是一個(gè)約束非線性最小化問(wèn)題。根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，應(yīng)用MATLAB的Optimization Toolbox中的優(yōu)化函數(shù)，選擇合適的算法，設(shè)置合適的選項(xiàng)，編寫(xiě)出配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序。2.3.3改進(jìn)凸輪型線設(shè)計(jì)的MATLAB實(shí)現(xiàn)本文主要應(yīng)用MATLAB的符號(hào)計(jì)算功能求解了多元線性符號(hào)方程組，確定了多項(xiàng)式的系數(shù)，利用Optimization Toolbox 中的fmincon函數(shù)編寫(xiě)m文件，實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的求解。本程序在給定的、合理的輸入?yún)?shù)條件下，能夠計(jì)算出每組冪指數(shù)p、q、r、s、t相應(yīng)的系數(shù)、，及凸輪的最小曲率半徑、氣門(mén)最大正負(fù)加速度和豐滿系數(shù)，并通過(guò)比較，將符合約束條件的豐滿

51、系數(shù)最大的一組數(shù)找出來(lái)。并將最優(yōu)條件下的氣門(mén)凸輪的升程曲線、本程序的流程圖如圖3-1所示。開(kāi)始輸入原始數(shù)據(jù)將p、q、r、s、t依次循環(huán)計(jì)算多項(xiàng)式系數(shù)C2、Cp、Cq、Cr、CsRminRmin否amaxamax,amin0.2)=0;Y=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=ifft2(Ya);figuresubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facecolor,interp,Edgecolor,n

52、one,Facelighting,phong); 二、理想高通濾波器IA=imread(lena.bmp);f1,f2=freqspace(size(IA),meshgrid);Hd=ones(size(IA);r=sqrt(f1.2+f2.2);Hd(r0.2)=0;Y=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=real(ifft2(Ya);figuresubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facec

53、olor,interp,Edgecolor,none,Facelighting,phong); Butterworth低通濾波器IA=imread(lena.bmp);f1,f2=freqspace(size(IA),meshgrid);D=0.3;r=f1.2+f2.2;n=4;for i=1:size(IA,1) for j=1:size(IA,2) t=r(i,j)/(D*D); Hd(i,j)=1/(tn+1); endendY=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=real(ifft2(Ya);figur

54、esubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facecolor,interp,Edgecolor,none,Facelighting,phong); Butterworth高通濾波器IA=imread(lena.bmp);f1,f2=freqspace(size(IA),meshgrid);D=0.3;r=f1.2+f2.2;n=4;for i=1:size(IA,1) for j=1:size(IA,2) t=(D*D)/r(i,j); Hd(i,j)=1/(tn+1); end

55、endY=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=real(ifft2(Ya);figuresubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facecolor,interp,Edgecolor,none,Facelighting,phong); 高斯低通濾波器IA=imread(lena.bmp);IB=imread(babarra.bmp);f1,f2=freqspace(size(IA),meshgrid)

56、;D=100/size(IA,1);r=f1.2+f2.2;Hd=ones(size(IA);for i=1:size(IA,1) for j=1:size(IA,2) t=r(i,j)/(D*D); Hd(i,j)=exp(-t); endendY=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=real(ifft2(Ya);figuresubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facecolor,interp

57、,Edgecolor,none,Facelighting,phong); 高斯高通濾波器IA=imread(lena.bmp);IB=imread(babarra.bmp);f1,f2=freqspace(size(IA),meshgrid);%D=100/size(IA,1);D=0.3;r=f1.2+f2.2;for i=1:size(IA,1) for j=1:size(IA,2) t=r(i,j)/(D*D); Hd(i,j)=1-exp(-t); endendY=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=re

58、al(ifft2(Ya);figuresubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facecolor,interp,Edgecolor,none,Facelighting,phong); 梯形低通濾波器IA=imread(lena.bmp);IB=imread(babarra.bmp);f1,f2=freqspace(size(IA),meshgrid);%D=100/size(IA,1);D0=0.1;D1=0.4;r=sqrt(f1.2+f2.2);Hd=zeros(size(IA);Hd(r=D0 & r(i,j)=D1 Hd(i,j)=(D1-r(i,j)/(D1-D0); end endendY=fft2(double(IA);Y=fftshift(Y);Ya=Y.*Hd;Ya=ifftshift(Ya);Ia=real(ifft2(Ya);figuresubplot(2,2,1),imshow(uint8(IA);subplot(2,2,2),imshow(uint8(Ia);figuresurf(Hd,Facecolor,interp,Ed