顶置凸轮式汽油机配气机构设计研究开题报告.docx

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顶置凸轮式汽油机配气机构设计研究开题报告

开题报告

1．结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

引言

近年来，随着我国经济的不断发展，汽车作为交通工具越来越重。

汽车行业的竞争也越来越激烈。

发动机作为汽车的心脏，影响整车的动力性、经济性、环保性，因此成为各大厂商研究的重点。

配气机构作为内燃机三大机构之一，对发动机动力性、燃料经济性和有害气体排放有很大影响[1]，并直接影响发动机整机的可靠性和噪声，然而近年来随着发动机低排放、高速化的发展趋势，对其性能指标要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠的工作，因此对配气机构设计的要求也越来越高，一方面希望气门加速度较大，以使气门迅速地开、关，从而达到最好的换气效果以提高动力性和经济性；另一方面，希望载荷保持相对较小，以减小加速度，从而减小振动和噪声，并延长使用寿命。

这样的矛盾要求给配气机构的设计带来困难，因此需要精心设计气门的升程曲线以达到最佳设计[2]，所以，配气机构是当今内燃机研究的主要方向之一。

1.配气机构的结构及其作用

配气机构一般由气门、气门导管、气门弹簧、凸轮、挺柱、推杆、气门摇臂等构成[3]。

气门是燃烧室的组成部分，又是气体进、出燃烧室的通道，在工作中要承受极大的交变和冲击载荷及高温、高速燃气的冲刷与腐蚀作用，工况极为苛刻。

气门设计的合理与否不仅与发动机的技术指标有关，还与整机的可靠性和气门使用寿命密切相关[4]。

气门驱动机构各机构件间一般只能传递压力，不能传递拉力，所以气门机构必须用回位弹簧维持机构各零件间的正常接触，这种回位弹簧一般布置在气门上，称为气门弹簧[5]。

它的作用是：

在气门关闭时，依靠弹力使气门与气门座保持闭合密封；在气门启闭过程中，使气门及其驱动机构不脱离凸轮的控制并随之运动。

气门弹簧在工作时承受周期性交变载荷，还必须克服机构在高速运转时可能产生的振动所引起的附加载荷[6]。

凸轮轴承受周期性的冲击载荷。

凸轮与挺柱之间的接触应力很大，相对滑动速度也很大，因此，凸轮工作表面的磨损比较严重。

针对这种情况，凸轮轴轴颈和凸轮工作表面除了应该有较高的尺寸精度、较小的表面粗糙度和足够的刚度外，还应有较高的耐磨性和良好的润滑。

摇臂主要是将推杆和凸轮传来的运动和作用力，改变方向传给气门使其开启。

2.研究现状

配气机构的任务是根据内燃机工况的需要适时适度的开闭进排气门，对气缸进行换气[7]。

近来，国内外对配气机构的研究都相当重视。

随着现代发动机技术的迅猛发展以及噪声标准的提高，如今对配气机构的要求不断提高，这使发动机配气机构的设计和研发工作，在追求性能先进，结构可靠、耐用、环保方面取得了很大进步。

现在，国内外对配气机构的研究已经设计配气机构的各个方面，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。

国外对配气机构的振动噪声模型、摩擦及配气相位可变气门正时等研究有一些报道，我国也在治理研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱动力润滑、非对称凸轮线及凸轮型线拟合等问题。

3.1气门弹簧设计的现状及趋势

目前国内外气门弹簧优化设计的方法主要有基于蚁群算法的内燃机气门弹簧的优化设计，基于模糊方法的可靠性多目标的气门弹簧的设计方法，基于蒙特卡罗法的气门弹簧稳健设计方法，基于多目标的内燃机气门弹簧的优化设计方法等。

蚁群算法ACA（antcolonyalgorithm）是一种新型的仿生模拟进化算法[8],是随机搜索算法的一种。

其思想起源于离散的网络路径问题,主要特点是：

较强的普遍性、分布式计算、易于与其它算法相结合。

基于蚁群算法的气门弹簧优化设计以一维为例,引伸到几维空间的函数求解，以质量最轻、高度最小以及防共振为优化设计目标[9]。

基于模糊方法的气门弹簧设计主要以可靠性为约束条件，以气门弹簧质量最轻、刚度误差最小为优化设计目标，用线性加权组合法对多目标优化设计模型进行求解，采用模糊学方法对加权系数进行模糊评判，求出最优加权系数。

该方法有效而实用，对求解多目标优化设计问题具有实用意义[10][11]。

蒙特卡罗是一种计算机模拟方法,又称随机模拟法或统计实验法[12][13]，是一种根据统计抽样理论近似求解数学问题或物理问题的方法。

基于蒙特卡罗的弹簧优化设计以气门弹簧质量最小以及防共振性能最好为目标，以钢丝直径、弹簧直径、弹簧圈数为设计变量，以弹簧指数、弹簧强度、弹簧稳定性、弹簧尺寸等为约束条件，建立了某内燃机气门弹簧数学模型，并应用遗传算法得到了全局优化结果。

应用蒙特卡罗方法，将设计变量处理为具有正态分布特征的随机变量，对设计结果进行稳健性分析。

综合运用机械优化理论的优化设计方法，通过分析内燃机气门弹簧优化设计的设计变量、目标函数和约束条件，建立起以内燃机气门弹簧的质量、高度及防共振性能为目标函数的多目标优化设计数学模型,采用多目标优化设计理论对气门弹簧进行设计可以降低了生产成本，提高产品竞争力，而且可以减轻内燃机的轴承负荷和振动等。

3.2凸轮型线的优化

内燃机配气凸轮机构是由配气凸轮驱动的，所以配气机构的这些性能指标在很大程度上取决于配气凸轮的结构。

尤其是当发动机转速提高以后，凸轮型线设计的好坏对发动机的充气性能和动力性能的影响更大[14]。

最近，海马轿车有限公司的王艳芳、王少辉[15]等汽车工程师做了相应的实验，他们选择了三种不同型线的进气凸轮轴和同种型线的排气凸轮轴在同台发动机上进行匹配，进行了仿真分析，建立了配气相位模型，得出仿真结果，并将三种不同型线进气凸轮轴先后安装到同一台发动机上进行性能试验验证通过GT-Power仿真分析及台架试验结果，发现不同的凸轮型线发动机的功率值和扭矩值等性能参数的影响很大，充分说明了凸轮型线使影响发动机配气机构的主要因素，因此，选择适当凸轮型线的进气凸轮轴，对于提高发动机的动力性有重要意义。

目前，对配气凸轮的研究已经涉及配气机构性能的各个方面[16]，包括型线、挺柱的运动规律、气门振动模型、挺柱与凸轮的接触应力、摩擦应力等。

国外对配气机构的振动模型、摩擦及配气相位和可变气门正时等的研究有一些报道，我国也在致力研究更精确的气门振动模型、凸轮挺柱副的动力润滑、非对称凸轮型线以及凸轮型线的拟合等间题。

上海交通大学内燃机研究所马逢峻、周振华[17]等教授，将某大型柴油机配气机构的几何凸轮改进为函数凸轮,他们通过ADAMS软件对配气机构建模并进行动力学仿真。

并通过改进前后的配气机构的各参数，得出的结论是：

采用函数凸轮可以增大丰满系数,减小气门最大加速度,有能力在保证气门不飞脱的前提下,进一步提高柴油机转速,从而提高输出功率。

在凸轮型线设计中,采用最优化技术以来,经历了静态优化设计、动态优化设计和系统优化设计三个阶段[18]。

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静态充气性能、凸轮廊面最小曲率半径指标来判别其好坏。

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，主要由气门的动态加速度峰值、动态充气性能指标来评价其优劣。

系统优化设计就是从配气凸轮型线与配气机构动态参数（刚度与质量）统一考虑在内进行凸轮型线的优化设计配气凸轮型线凸轮转速和配气机构参数之间有一个最优化匹配。

潍坊学院刘云、肖恩忠[19]教授对三种优化技术方法进行了详细的比较，分别提出了静态优化设计、动态优化设计和系统优化设计的优缺点，他认为：

（1）用静态优化设计法设计的圆弧凸轮,虽然加速度曲线不连续,配气机构惯性力有突变,但有较大的时间-断面值。

对转速不高的发动机来说,它所引起的振动和噪音较小,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,振动和噪音趋于严重，静态优化法就不太适用了。

（2）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、n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,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,但仅局限于凸轮型线的优化。

并未考虑配气机构的弹性振动,故没有从根本上解决配气系统的振动等问题。

（3）统动力学优化设计是将配气凸轮型线与配气机构动态参数（刚度和质量）统一考虑在内,进行凸轮型线的优化设计。

配气凸轮型线、凸轮转速和配气机构参数之间有一个最优化匹配关系,其中凸轮型线正加速度的宽度对配气机构的振动强度影响很大。

因为激励的能量主要从正加速度传给整个配气机构,所以凸轮正加速度的形状和宽度对凸轮激励特性具有决定性意义，但一般系统动力学方法是将配气机构简化为单质量或多质量模型,得出系统运动质量的微分方程,但一般不能得出解的表达式,无法对解的形态和特性进行分析。

4.结论：

本文综述了内燃机的目前的发展状况和趋势，论述了对配气机构优化设计的必要性，提出了一些优化设计的方向，阐述了当前技术的发展水平，提供了相应的参考。

参考文献：

[1]周龙保．内燃机学[M]．机械工业出版社．2005，1：

336～337

[2]吴楠，廖日东.柴油机系统配气机构的动力学分析[J].北京汽车，2004，（6）:

18～23

[3]张力，吴俊刚等．顶置凸轮轴配气机构多体运动学分析与应用[J]．汽车工程．2007，29（7）

[4]韩颖．变刚度气门弹簧三维有限元计算分析．

[5]傅红良,林运．气门弹簧特性对配气机构的影响．柴油机设计与制造，2007，3

[6]曹阳，姜耀华，王静．柴油机气门弹簧的优化设计．煤矿机械，2008，29

（2）：

21～23

[7]尚汉翼.内燃机配气机构凸轮机构-设计与计算.上海：

复旦大学出版社出版，1988年

[8]李少远，王景成．智能控制[M]北京：

机械工业出版社，2005．

[9]高瞩．基于蚁群算法的内燃机气门弹簧优化设计．

[10]刘唯信．机械最优化设计．北京：

清华大学出版社，1994

[11]郭惠昕，张龙庭，田光宇．基于模糊方法的气门弹簧可靠性夺目表优化设计．汽车科技，2005，5：

1～3

[12]Marseguerra,ZioE,PodofilliniI.Conditionbasedmaintenanceoptimizationbymeansofgeneticalgorithmsandmontecarlosimulation[J].ReliabilityEngineering&SystemSafety，2002，77：

151～165

[13]莫才颂，王岗．内燃机气门弹簧多目标优化设计．煤矿机械，2006，27（6）：

943～945

[14]尚汉冀.内燃机配气凸轮机构—设计与计算.上海复旦大学出版社, 1988

[15]王艳芳.王少辉.凸轮型线对发动机性能影响的研究《装备制造技术》.2015年第8期

[16]张德明.汽车发动机的配气机构.科技创新与应用.2015年第18期

[17]马逢峻.周振华等.配气机构凸轮型线改进设计.Diesel Engine.第29卷（2007）第1期

[18]张力.吴俊刚等顶置凸轮轴配气机构多体运动学分析与应.Automotive Engineering2007（第29卷）第7期

[19]刘云.肖恩忠.高速柴油机配气凸轮优化设计综述.拖拉机与农用运输车. Apr.2006.第33卷第2期

开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

2.1课题研究的主要内容

本文将对拟给定部分数据的发动机配气机构进行开发设计，开展对配气机构的结构选型，结构分析和主要影响发动机功率阻力矩的分析计算，并希望将就研究成果运用到实际发动机的设计当中，具体工作如下:

①配气机构的结构分析与设计。

分析发动机在各种工况下的配气结构外特性的变化规律，根据发动机的工作环境，设计要求，选择合适的结构型式。

②配气凸轮的设计。

对目前主要的凸轮型线进行分析研究，如高次多项式，低次多项式等经典凸轮型线，分析其特点，设计出冲击小，进气充分，排气彻底的配气凸轮型线，并运用制图软件CAD进行绘制。

③运动学分析。

根据凸轮型线，利用运动学计算出气门的位移、速度、加速度，并根据气门提前角，迟闭角和气门重叠角对配气性能的影响，确定配气机构的配气相位和气门开度等。

三、研究步骤、方法及措施：

1.查阅相关资料，编写开题报告及文献综述

2.学习三维实体建模软件

3.学习进行运动分析的计算仿真软件

4.使用Pro/E等实体建模软件建立汽车发动机配气机构的实体模型

5.利用计算仿真软件对发动机气门机构在工作状态下运动进行分析，得到应力、变形等参数

6.以仿真结果作为依据，对发动机气门机构给以优化

7.整理资料，完成毕业论文

四.毕业设计工作进度计划

序号

日期

工作内容

1

2017/2/13~2017/3/13

查阅相关文献资料，编写开题报告

2

2017/3/14~2017/3/31

熟悉配气机构各零部件结构特点及设计要求

3

2017/4/1~2017/5/14

确定凸轮与气门结构参数，进行气门运动过程的应力分析

4

2017/5/15~2017/5/31

完成毕业设计说明书的撰写及外文资料的翻译

5

2017/6/1~2017/6/7

完成图纸、论文的整理、打印

6

2017/6/8~2017/6/10

论文答辩

开题报告

指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日