凸轮优化设计Word文档下载推荐.doc

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但就实际情况而言，配气机构并非完全刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内燃机中一般不采用等加速型凸轮[9]。

1.1.2组合多项式型

组合多项式型凸轮的基本段为一分段函数，它由几个不同的表达式拼接而成。

通过调整各段所占角度及函数方程，获得不同斜率的加速度曲线。

组合多项式型凸轮时面值大，而且能够方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的圆滑过渡，可以较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求[7]。

由于凸轮从动件运动规律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律三阶以上导数的连续性，可能会影响配气机构工作的平稳性，组合多项式型凸轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性能的情形。

1.1.3高次方凸轮

高次方凸轮是目前整体式的函数凸轮型线中应用较为广泛的一种。

它的基本段挺柱升程函数是高次多项式，项数和幂次的选取有一定的任意性。

一般情况下，幂指数越大，升程曲线就越丰满，且最大负加速度越小，而使凸轮外形最小曲率半径增大，有利于减小该处接触应力、降低磨损。

但是其负加速度初段形状不理想，往往会提高对弹簧的要求，而且还使最大正加速度值增大，正加速度段宽度减小，导致配气机构振动加剧。

在设计过程中，一般先针对若干组幕指数，计算出反映凸轮特性的各相关参数，确定性能较好的一组作为计算方案。

高次多项式型凸轮主要应用在对动力性能要求较高的现代高速车用发动机上[22]。

1.1.4多项动力凸轮

以上三种型线的凸轮都是把配气机构视为完全刚性的。

但配气机构总是存在弹性变形。

无论挺柱升程怎样设计，它与气门升程之间总是有差别的，因此，基于这一差别的考虑，对挺柱升程曲线预先做一定的修正，这样使用动力学计算方法算出的气门升程曲线才比较理想。

多项动力凸轮基本工作段的气门升程曲线是高次多项式来设计的，因此能够进行这种动力学修正的型线有很多种，应用最为广泛的是多项动力凸轮，这种凸轮具有良好的高速适应性。

目前多项动力凸轮主要应用在高速汽油机中。

1.2配气凸轮优化设计方法

内燃机配气凸轮优化设计的优劣直接影响到其动力性、经济性、可靠性、振动、噪声与排放特性的好坏。

配气凸轮的丰满系数越大，则进气量越多，内燃机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越低，凸轮形线的圆滑性越好，内燃机的振动与噪声越小；

凸轮与挺柱间的接触应力越小；

润滑特性越好，内燃机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小。

配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数。

凸轮型线的设计己从静态设计、动态设计发展到系统动力学优化设计，系统动力学设计考虑配气机构的弹性变形，可更精确地描述配气机构的运动和受力情况，并统一考虑机构动态参数与凸轮型线，从而实现凸轮型线优化设计。

1.2.1静态优化设计

在静态优化设计中，将配气机构看成绝对刚体。

不考虑它在运动时的弹性变形。

用此方法设计凸轮型线主要用三项指标来判别其好坏。

1）静态充气性能。

通常用挺柱升程丰满系数和时面值来表示，希望此值越大越好。

2）静态加油度峰值。

即挺柱最大正加速度amax和最大负加速度amin，也就是说amax和amin的绝对值越小，高速动态性能越好。

3）凸轮廊面最小曲率半径，或者凸轮与挺柱表面的接触应力。

设计凸轮时，应避免其最小曲率半径过小，这样会导致接触应力很大，并会使凸轮过早磨损。

一般认为最小曲率半径应大于2mm。

用静态优化设计法设计的圆弧凸轮，虽然加速度曲钱不连续，配气机构惯性力有突变，但有较大时面值。

对转速不高的发动机来说，它所引起的振动和噪声较小，故在较低转速的发动机上还有一定的使用价值。

但随着发动机转速的提高，振动和噪声趋向严重。

为解决此问题，人们又用此法设计了函数凸轮，如复合正弦凸轮及复合摆线凸轮等。

这类凸轮型线变化形式较多，但其加速度曲线都是连续的。

当内燃机转速进一步提高时。

配气机构的弹性变形引起气门强烈振动，严重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了发动机的振动、噪声和各零件间的磨损，还会使充气性能有所下降，为了解决这些问题，人们就提出了动态设计的方法[14]。

1.2.2动态优化设计

在动态优化设计中，考虑弹性变形。

把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线。

1）气门的动态加速度峰值。

也就是根据单质量振动模型或多质点振动模型计算出的最大正加速度波蜂值和第一个负加速度波谷值的大小，以及落座后的气门动态响应。

2）动态充气性能。

即考虑进排气管压力波动，多缸机各缸的抢气现象，配气相位对充气性能的影响。

随着内燃机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，一是当转速提高。

吸气过程缩短，进排气管压力波的动态效应增大；

另一方面气门发生飞脱和反跳，破坏了正常的静态充气性能。

3）挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。

但在实际上这些指标受到一些限制，如在动态充气性能计算中必须考虑到进排气管中的压力波动情况、配气相位的影响，这就需要求解一元不等熵流动的特征线方程组，而精确求解该方程组比较困难。

另外动态充气性能主要受到进排气管和气道的结构尺寸的影响，所以往往把它和凸轮型线分开计算。

凸轮脚面与挺柱表面的动力润滑一般只用道森半经验公式进行计算，所以有时也不考虑，实际上所谓的动态优化设计只比静态优化设计多考虑了动态加速度峰值，一般将配气机构简化成单质点振动模型。

用振动模型的动态加速度正负峰值来判断凸轮型线的好坏。

用动态优化设计方法设计的凸轮有多项动力凸轮、正弦抛物线凸轮、rL次谐波凸轮等。

多项动力凸轮只从弹性变形的角度出发设计凸轮外形，并未考虑配气机构的弹性振动，它仍然没有从根本上解决配气机构的振动等问题。

谐波凸轮从振动理论出发，先计算配气机构的自振频率，然后按照给定条件设计谐波凸轮，这种凸轮型线在理论上引起配气机构的振动最小，被认为具有较好的工作平稳性，但设计时调整工作量大，特别难以控制负加速段的波动，且这种凸轮在缓冲段和工作段连接处附近有波动，很难作出合理设计，因此限制了它的应用。

动态优化设计虽然考虑了配气机构的弹性变形和振动问题，但同限于凸轮型线的优化。

而优化的目标常会使气门升程下的面积达到最大，即把凸轮的充气性能放在首位。

这样的考虑显然不能达到系统优化的目的．现在已出现针对系统优化的模型。

将凸轮型线与配气系统的动态行为统一考虑，这种模型较为全面地顾及对配气系统的各种要求，达到较好的效果[15]。

二.基于高次方程凸轮型线设计

2.1普通高次多项式凸轮型线的设计

整个凸轮轮廓由基圆、挺柱上升段和挺柱下降段组成，其中上升段和下降段又都各分为缓冲段和工作段两部分。

上升工作段和下降工作段在桃尖最大升程处相接。

上升缓冲段和下降缓冲段各处在对应工作段与基圆之间。

在缓冲段上，挺住升程很小，速度也很小，每一段所占凸轮轴转角度数叫做段长[24]。

配气凸轮所对应的挺柱升程曲线在上升段和下降段各有一缓冲段，上升级冲段和下降缓冲段的设计可以是相同（对称）的，也可以不相同。

例如在有些凸轮设计中，将上升缓冲段包角取得较短，而下降缓冲段的包角取得较长，其目的是使气门开启较快而关闭时落座又不致过大，但一般所见到的多数设计，其上升、下降缓冲段还是取成相同的。

此外，缓冲段的设计还应考虑与基本段有连续光滑的连接。

设置缓冲段的目的是控制住气门的初速度和落座速度，由于气门间隙在发动机运转过程中会因一些零件的热膨胀和磨损而发生变化，如果没有缓冲段，则在气门间隙较大时，气门会受到较大的初始速度冲击和落座过度冲击，加剧机构的振动、嗓声以及气门和气门座锥面的冲击摩擦。

安排缓冲段，并使缓冲段升程大于折算到挺柱端的气门间隙最大可能值，则气门间隙消除时刻和气门落座时刻挺柱总在缓冲段上，气门的初速度和落座速度得以控制。

多数汽车发动机的进气凸轮不同于排气凸轮，而且一般表现为排气凸轮的工作段总长大于进气凸轮，最大升程、缓冲段与工作段衔接处的挺柱升程、挺柱速度也稍大于进气凸轮。

凸轮型线的形状将直接形响发动机的性能、配气机构各部件的冲击负荷以及发动机的噪声，因此在凸轮型线计算中应遵循如下原则：

1）在凸轮包角和气门最大升程不变的情况下，气门开启期的时面值应尽可能大，以利于提高气门充气效率。

2）控制气门开闭的加速度，减小配气机构各运动件的惯性力。

3）应控制气门在工作段中的最大负加速度，以避免气门弹簧的设计困难。

4）凸轮型线各区段接点处的加速度应尽量连续。

以减小或避免机构中的冲击

和振动。

2.1.1缓冲曲线的设计

设计组冲段曲线应保证缓冲段曲线与基圆和工作段的光滑连接，即在接点处相切且在该点附近挺柱速度足够小。

以减小配气机构的冲击，因此对气门落座速度应进行限制，但落座速度也不能过小，否则不利于气门撞碎气门座上的杂质；

此外，在缓冲段接近终点时，升程变化过于平缓，当配气机构间隙略有变化时造成气门启闭时刻有较大变化一般气门开启或关闭时的挺住速度0.0127～0.0524mm/凸轮转角（deg）之间，缓冲曲线所占凸轮转角为15°

～40°

，选定应与缓冲段终点处的挺柱升程及缓冲段的函数表达式综合考虑。

一般的凸轮设计是分别用两个函数式表达从动件在基本工作段与缓冲段上的运动规律的，缓冲段函数的形式有多种，一般采用余弦型或等加速-等速型缓冲段。

余弦缓冲段是常用的一种缓冲段，其挺柱升程曲线形式为

，当（2-1）

式中P0—缓冲段全升程；

α0—缓冲段包角；

。

这段缓冲段的速度，加速度曲线为

（2-2）

此处ω为凸轮旋转角速度。

余弦缓冲段只含有两个可以任意调节的参数P0和q；

因此在缓冲段设计的三个基本参数：

缓冲段包角α0，缓冲段末端（α=α0时）的升程h0及速度v0r中，只要事先给出两个，而第三个则由这两个来自然决定。

一般说来，我们总是给出缓冲段全升程h0和包角α0，这时，就决定了。

而缓冲段末端的挺住速度也随之确定为

（2-3）

如果这样算出的v0r，不符合要求，那就只好调整P0和q而重新计算。

余弦缓冲段的计算较简单，其加速度曲线在缓冲段末端为0，因此易于与一般函数凸轮的基本段相接而保持二阶导数的连续性，但其三阶导数在缓冲段末端取负值。

故一般不能与基本段保持连续相接。

等加速—等速型缓冲段的等速段保证气门机构间隙变化时，气门仍以不变的速度升起和落座，而且这种缓冲段在等速段的升程变化率较大，使实际气门间隙