頂置凸輪式汽油機配氣機構(gòu)設(shè)計研究開題報告

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開 題 報 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫 2000 字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述引言近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車作為交通工具越來越重。汽車行業(yè)的競爭也越來越激烈。發(fā)動機作為汽車的心臟，影響整車的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性，因此成為各大廠商研究的重點。配氣機構(gòu)作為內(nèi)燃機三大機構(gòu)之一，對發(fā)動機動力性、燃料經(jīng)濟性和有害氣體排放有很大影響 [1]，并直接影響發(fā)動機整機的可靠性和噪聲，然而近年來隨著發(fā)動機低排放、高速化的發(fā)展趨勢，對其性能指標要求越來越高，要求其在高速運行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠的工作，因此對配氣機構(gòu)設(shè)計的要求也越來越高，一方面希望氣門加速度較大，以使氣門迅速地開、關(guān)，從而達到最好的換氣效果以提高動力性和經(jīng)濟性；另一方面，希望載荷保持相對較小，以減小加速度，從而減小振動和噪聲，并延長使用壽命。這樣的矛盾要求給配氣機構(gòu)的設(shè)計帶來困難，因此需要精心設(shè)計氣門的升程曲線以達到最佳設(shè)計 [2]，所以，配氣機構(gòu)是當今內(nèi)燃機研究的主要方向之一。1.配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其作用配氣機構(gòu)一般由氣門、氣門導管、氣門彈簧、凸輪、挺柱、推桿、氣門搖臂等構(gòu)成 [3]。氣門是燃燒室的組成部分，又是氣體進、出燃燒室的通道，在工作中要承受極大的交變和沖擊載荷及高溫、高速燃氣的沖刷與腐蝕作用，工況極為苛刻。氣門設(shè)計的合理與否不僅與發(fā)動機的技術(shù)指標有關(guān)，還與整機的可靠性和氣門使用壽命密切相關(guān)[4]。氣門驅(qū)動機構(gòu)各機構(gòu)件間一般只能傳遞壓力，不能傳遞拉力，所以氣門機構(gòu)必須用回位彈簧維持機構(gòu)各零件間的正常接觸，這種回位彈簧一般布置在氣門上，稱為氣門彈簧 [5]。它的作用是：在氣門關(guān)閉時，依靠彈力使氣門與氣門座保持閉合密封；在氣門啟閉過程中，使氣門及其驅(qū)動機構(gòu)不脫離凸輪的控制并隨之運動。氣門彈簧在工作時承受周期性交變載荷，還必須克服機構(gòu)在高速運轉(zhuǎn)時可能產(chǎn)生的振動所引起的附加載荷 [6]。凸輪軸承受周期性的沖擊載荷。凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力很大，相對滑動速度也很大，因此，凸輪工作表面的磨損比較嚴重。針對這種情況，凸輪軸軸頸和凸輪工作表面除了應(yīng)該有較高的尺寸精度、較小的表面粗糙度和足夠的剛度外，還應(yīng)有較高的耐磨性和良好的潤滑。搖臂主要是將推桿和凸輪傳來的運動和作用力，改變方向傳給氣門使其開啟。2.研究現(xiàn)狀配氣機構(gòu)的任務(wù)是根據(jù)內(nèi)燃機工況的需要適時適度的開閉進排氣門，對氣缸進行換氣 [7]。近來，國內(nèi)外對配氣機構(gòu)的研究都相當重視。隨著現(xiàn)代發(fā)動機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及噪聲標準的提高，如今對配氣機構(gòu)的要求不斷提高，這使發(fā)動機配氣機構(gòu)的設(shè)計和研發(fā)工作，在追求性能先進，結(jié)構(gòu)可靠、耐用、環(huán)保方面取得了很大進步?，F(xiàn)在，國內(nèi)外對配氣機構(gòu)的研究已經(jīng)設(shè)計配氣機構(gòu)的各個方面，包括型線、挺柱的運動規(guī)律、氣門振動模型、挺柱與凸輪的接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力等。國外對配氣機構(gòu)的振動噪聲模型、摩擦及配氣相位可變氣門正時等研究有一些報道，我國也在治理研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱動力潤滑、非對稱凸輪線及凸輪型線擬合等問題。3.1 氣門彈簧設(shè)計的現(xiàn)狀及趨勢目前國內(nèi)外氣門彈簧優(yōu)化設(shè)計的方法主要有基于蟻群算法的內(nèi)燃機氣門彈簧的優(yōu)化設(shè)計，基于模糊方法的可靠性多目標的氣門彈簧的設(shè)計方法，基于蒙特卡羅法的氣門彈簧穩(wěn)健設(shè)計方法，基于多目標的內(nèi)燃機氣門彈簧的優(yōu)化設(shè)計方法等。蟻群算法 ACA(ant colony algorithm)是一種新型的仿生模擬進化算法 [8],是隨機搜索算法的一種。其思想起源于離散的網(wǎng)絡(luò)路徑問題,主要特點是：較強的普遍性、分布式計算、易于與其它算法相結(jié)合?；谙伻核惴ǖ臍忾T彈簧優(yōu)化設(shè)計以一維為例,引伸到幾維空間的函數(shù)求解，以質(zhì)量最輕、高度最小以及防共振為優(yōu)化設(shè)計目標 [9]?；谀：椒ǖ臍忾T彈簧設(shè)計主要以可靠性為約束條件，以氣門彈簧質(zhì)量最輕、剛度誤差最小為優(yōu)化設(shè)計目標，用線性加權(quán)組合法對多目標優(yōu)化設(shè)計模型進行求解，采用模糊學方法對加權(quán)系數(shù)進行模糊評判，求出最優(yōu)加權(quán)系數(shù)。該方法有效而實用，對求解多目標優(yōu)化設(shè)計問題具有實用意義 [10] [11]。蒙特卡羅是一種計算機模擬方法,又稱隨機模擬法或統(tǒng)計實驗法 [12][13]，是一種根據(jù)統(tǒng)計抽樣理論近似求解數(shù)學問題或物理問題的方法?；诿商乜_的彈簧優(yōu)化設(shè)計以氣門彈簧質(zhì)量最小以及防共振性能最好為目標，以鋼絲直徑、彈簧直徑、彈簧圈數(shù)為設(shè)計變量，以彈簧指數(shù)、彈簧強度、彈簧穩(wěn)定性、彈簧尺寸等為約束條件，建立了某內(nèi)燃機氣門彈簧數(shù)學模型，并應(yīng)用遺傳算法得到了全局優(yōu)化結(jié)果。應(yīng)用蒙特卡羅方法，將設(shè)計變量處理為具有正態(tài)分布特征的隨機變量，對設(shè)計結(jié)果進行穩(wěn)健性分析。綜合運用機械優(yōu)化理論的優(yōu)化設(shè)計方法，通過分析內(nèi)燃機氣門彈簧優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件，建立起以內(nèi)燃機氣門彈簧的質(zhì)量、高度及防共振性能為目標函數(shù)的多目標優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型, 采用多目標優(yōu)化設(shè)計理論對氣門彈簧進行設(shè)計可以降低了生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力，而且可以減輕內(nèi)燃機的軸承負荷和振動等。3.2 凸輪型線的優(yōu)化內(nèi)燃機配氣凸輪機構(gòu)是由配氣凸輪驅(qū)動的，所以配氣機構(gòu)的這些性能指標在很大程度上取決于配氣凸輪的結(jié)構(gòu)。尤其是當發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高以后，凸輪型線設(shè)計的好壞對發(fā)動機的充氣性能和動力性能的影響更大 [14]。最近，海馬轎車有限公司的王艷芳、王少輝 [15]等汽車工程師做了相應(yīng)的實驗，他們選擇了三種不同型線的進氣凸輪軸和同種型線的排氣凸輪軸在同臺發(fā)動機上進行匹配，進行了仿真分析，建立了配氣相位模型，得出仿真結(jié)果，并將三種不同型線進氣凸輪軸先后安裝到同一臺發(fā)動機上進行性能試驗驗證通過 GT-Power 仿真分析及臺架試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同的凸輪型線發(fā)動機的功率值和扭矩值等性能參數(shù)的影響很大，充分說明了凸輪型線使影響發(fā)動機配氣機構(gòu)的主要因素，因此，選擇適當凸輪型線的進氣凸輪軸，對于提高發(fā)動機的動力性有重要意義。目前，對配氣凸輪的研究已經(jīng)涉及配氣機構(gòu)性能的各個方面 [16]，包括型線、挺柱的運動規(guī)律、氣門振動模型、挺柱與凸輪的接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力等。國外對配氣機構(gòu)的振動模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時等的研究有一些報道，我國也在致力研究更精確的氣門振動模型、凸輪挺柱副的動力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等間題。上海交通大學內(nèi)燃機研究所馬逢峻、周振華 [17]等教授，將某大型柴油機配氣機構(gòu)的幾何凸輪改進為函數(shù)凸輪,他們通過 ADAMS 軟件對配氣機構(gòu)建模并進行動力學仿真。并通過改進前后的配氣機構(gòu)的各參數(shù)，得出的結(jié)論是：采用函數(shù)凸輪可以增大豐滿系數(shù),減小氣門最大加速度,有能力在保證氣門不飛脫的前提下,進一步提高柴油機轉(zhuǎn)速,從而提高輸出功率。在凸輪型線設(shè)計中,采用最優(yōu)化技術(shù)以來,經(jīng)歷了靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計三個階段 [18]。在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計中，將配氣機構(gòu)看成絕對剛體，不考慮它在運動時的彈性變形.，用此方法設(shè)計凸輪型線主要用靜態(tài)充氣性能、凸輪廊面最小曲率半徑指標來判別其好壞。在動態(tài)優(yōu)化設(shè)計中，考慮彈性變形，把配氣機構(gòu)看成彈性系統(tǒng)，主要由氣門的動態(tài)加速度峰值、動態(tài)充氣性能指標來評價其優(yōu)劣。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計就是從配氣凸輪型線與配氣機構(gòu)動態(tài)參數(shù)（剛度與質(zhì)量）統(tǒng)一考慮在內(nèi)進行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計配氣凸輪型線凸輪轉(zhuǎn)速和配氣機構(gòu)參數(shù)之間有一個最優(yōu)化匹配。濰坊學院劉云、肖恩忠 [19]教授對三種優(yōu)化技術(shù)方法進行了詳細的比較，分別提出了靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)缺點，他認為：（1）用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計法設(shè)計的圓弧凸輪,雖然加速度曲線不連續(xù),配氣機構(gòu)慣性力有突變,但有較大的時間-斷面值。對轉(zhuǎn)速不高的發(fā)動機來說,它所引起的振動和噪音較小,故在較低轉(zhuǎn)速的發(fā)動機上還有一定的使用價值。但隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高,振動和噪音趨于嚴重，靜態(tài)優(yōu)化法就不太適用了。（2）用動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計的凸輪有多項動力凸輪、正弦拋物線凸輪、n 次諧波凸輪等。多項動力凸輪只從彈性變形的角度出發(fā)設(shè)計凸輪外形,動態(tài)優(yōu)化設(shè)計雖然考慮了配氣機構(gòu)的彈性變形和振動問題,但僅局限于凸輪型線的優(yōu)化。并未考慮配氣機構(gòu)的彈性振動,故沒有從根本上解決配氣系統(tǒng)的振動等問題。（3）統(tǒng)動力學優(yōu)化設(shè)計是將配氣凸輪型線與配氣機構(gòu)動態(tài)參數(shù)(剛度和質(zhì)量)統(tǒng)一考慮在內(nèi),進行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計。配氣凸輪型線、凸輪轉(zhuǎn)速和配氣機構(gòu)參數(shù)之間有一個最優(yōu)化匹配關(guān)系,其中凸輪型線正加速度的寬度對配氣機構(gòu)的振動強度影響很大。因為激勵的能量主要從正加速度傳給整個配氣機構(gòu),所以凸輪正加速度的形狀和寬度對凸輪激勵特性具有決定性意義，但一般系統(tǒng)動力學方法是將配氣機構(gòu)簡化為單質(zhì)量或多質(zhì)量模型,得出系統(tǒng)運動質(zhì)量的微分方程,但一般不能得出解的表達式,無法對解的形態(tài)和特性進行分析。4.結(jié)論：本文綜述了內(nèi)燃機的目前的發(fā)展狀況和趨勢，論述了對配氣機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的必要性，提出了一些優(yōu)化設(shè)計的方向，闡述了當前技術(shù)的發(fā)展水平，提供了相應(yīng)的參考。 參考文獻：[1] 周龍保．內(nèi)燃機學[M]．機械工業(yè)出版社．2005，1：336～337[2] 吳楠，廖日東.柴油機系統(tǒng)配氣機構(gòu)的動力學分析[J].北京汽車，2004，（6）:18～23[3] 張力，吳俊剛等．頂置凸輪軸配氣機構(gòu)多體運動學分析與應(yīng)用[J]．汽車工程．2007，29(7)[4] 韓穎．變剛度氣門彈簧三維有限元計算分析．[5] 傅紅良,林運．氣門彈簧特性對配氣機構(gòu)的影響．柴油機設(shè)計與制造，2007，3[6] 曹陽，姜耀華，王靜．柴油機氣門彈簧的優(yōu)化設(shè)計．煤礦機械，2008，29(2)：21～23[7] 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