配气凸轮轴型线逆向优化设计

关键词 配气机构 ；凸轮型线 ； 向设计 ； 逆 动力学计算
中 图分 类号 ： ４ ２ ＴＫ ２ 文献标志码 ： Ａ
逆 向工 程 （ ｖ ｒｅＥ ｇｎ ｅｉｇ ＲＥ 是先 利用 一定 Ｒｅ ｅｓ ｎ ｉｅｒ ， ） ｎ
立 运动 学和动 力学 计算 模 型如 图 ３ 配 气 机构 的主要 设 ，
最 大 跃 度 ， ／ ｍｍ ・ｒｄ ） 。 （ ｋ ａ。 工作 段 半 包 角 ／ 。 （） 凸轮 最 大 升 程 ／ ｍｍ
（ ）优化 后 凸轮特性 曲线 ２
图 １ 所示 。 １
・
图 １ ５５ ０ｒｒｉ 气 凸轮 轴 接 触 应 力 曲线 ３ ０ ／ ｎ排 ａ
优化后 凸轮运动 特 性 曲线 与测 量 值 的对 比如 图 １ Ｏ
并 与缓 冲段 高度 、 状 、 形 末端速 度 配合考 虑 。
此发 动机 配气机 构 为带液 压挺 柱 的系 统 ， 还要 求 机 构 中加速 度 的急剧 变 化 （ ） 能 过 大 ， 则会 导致 液 ， 不 否 压元 件 运 动 构件 的 不适 应 ， 凸 轮 型线 如 必须保 证最 大跃 度 Ｊ ｋ １０ ０ｒｍ／ａ 。 ＜ ０ ａ ｔｄ 。 过 大 ， 致 导
图 ６ 测 绘 第 ３凸轮 运 动 学 曲线
０ ２ ０ ４ｍｍ， 液 压 挺 柱 时 一 般 在 ０ ０ ．～ ． 有 ． ２ｍｍ 左 右 。
增 刊
配 气 凸轮 轴 型 线 逆 向优 化 设 计
无 液压元 件 时 ， 冲段末 端最 大速 度一般 小 于 ３ ０ｍｍ／ 缓 ０
加速 度 曲线 的连续性 ， 配气 机构 运动 学参 数 均在许 可 范
凸轮升程／ ｍｍ
图 ｌ 优 化 后 凸轮 升 程 误 差 曲线 ｌ
． 值 对 凸轮型 线进 行优化 设计 ， 升段 与下 降段 的设计 参 ２ ４ 配 气机构 动力 学仿 真校核 上 发 动 机 额 定 转 速 ５ ５ ０ ｒｍｉ 、 速 ５８ ０ ｒｍｉ ０ ／ ｎ 超 ０ ／ ｎ 数 如表 ２所 示 ， 化后 凸轮 特性 参数 如 表 ３所 示 。表 ２ 优
Ｉ Ｉ 翠 ⅡＩ Ｉ＼
表 ２ 凸轮 优 化 设 计 参 数
分 段 长 度 ／ 。 末 点 加 速 度 曲线 类 型 幅 值 阶 数 （）
斜 线
多 项式 １ ２ ２
叭 ０ 叭 ∞
０
ｏ
７０ ０
６０ ０ ５０ ０
４０ ０ ３０ ０ ２０ ０
斜 线 多 项式 一０ ８ ２ ．
进 排 ２ 中 ， 速度值 本身 无量 纲 ， 算满 足其 它约 束 条件 后 （ 加 计 设 下 ， 、 气优 化 前 与优化 后 动力 学计 算 对 比如 图 １ ～ 图１ ９所示 ， 动力 学计算 主要 结果 如表 ４ 示 。 所 计 、 积、 面 和连续 性等 ） 将进 行 自动调 整 。 ，
根据 测量 数据 可 判 断 凸 轮 为对 称 凸轮 。 为 了尽 可
能 消除加 工 、 测量 等 因 素产 生 的 偏差 ， 测 量 的 ５组 数 将
据 平均 ， 并将 凸 轮 的 上 升段 与下 降段 平 均 ， 到 如 图 ９ 得 所 示 的凸轮 特性 曲线 。
图 ９ 凸轮 升 程 平 均 后 运 动 学 曲线
可用任 意 函数 自由搭 配 ， 活性 好 ， 凸轮 型 线 优 化 设 灵 是 计时 的首选 方法 。 缓 冲段 主要是 用 于 消 除气 门 间 隙和 配 气 机 构 弹性 变形 ， 冲段 的设 计 一 般考 虑 缓 冲段 高度 、 冲 段 长度 缓 缓
和缓 冲段 末端 最 大 速 度 等参 数 。一 般 车 用 缓 冲 段 高度
～
图 １ ５５０ｒｍｉ 气 门升 程 曲线 ４ ０ ／ ｎ进
图 １ 优 化 后 与 测 绘 凸轮 Ｏ 运 动 学 特 性 对 比 曲线
从 优化结 果 可 以看 出 ， 凸轮优 化后 升程 与 凸轮测 量 误 差控 制在 ０ ０ ． ３ｍｍ 以 内 ， 并保 证 了 凸轮 速 度 曲线 和
学性能 要求 ， 必须 通过建 立配 气机 构 的仿 真模 型来 实现 对 凸轮 型线 的优 化设计 及动力 学 校核 ， 保证 原 型线 主 在 要特征 的基 础上 ， 保证 凸轮 型线 的连续性 和加 工性 。
分段加 速 度 函数 ） Ｓ 、 ＴＡＣ（ 门 等 加 速 度 函 数 ） 气 。气 门
图 ５ 测 绘 第 ２凸 轮运 动 学 曲线
多项 动力加 速度 函数 是 一个 光 滑 的具 有充 分 适 应 性 的
简单形 式 ， 缺 乏局 部 控 制 的灵 活性 ， 门等 加 速 度 函 但 气 数常用 于采 用 滚 子从 动 件 的 大 中型 低 速 发 动机 ，Ｓ ＩＡＣ
动 力 学 仿真 模 型
２ ２ 测绘 凸轮 型线下 凸轮 轴特性 曲线 ． 逆 向测绘得 到 凸轮轴 上 ５ 凸 轮 的升程 曲线 ， 据 个 根
凸轮升程 曲线 ， 到 各 凸 轮 的速 度 曲线 和 加 速 度 曲线 ， 得
如 图 ４ 图 ８所 示 。 ～
图 ８ 测 绘 第 ５凸轮 运 动 学 曲线
配气 凸轮 轴型 线 逆 向优化 设 计
王小慧 ，彭海雄 ， 海 涛 周 （ 中国北 方发 动机研 究所 ， 山西大 同 ０ ７ ３ ） ３ ０ ６
摘 要 通 过建 立 配 气机 构运 动学 及 动 力 学 仿 真 模 型 ， 实 测 的 凸 轮 型 线 进 行 分 析 ， 保 留 了 原 凸轮 升 程 特 性 基 对 在
当量 凸轮角度／ 。 （）
当量 凸轮角度／ 。 （）
图 １ ５８ ０ｒｒｉ ７ ０ ／ ｎ排气 凸轮 接 触 应 力 ａ
图 １ ５８ ０ ｒ ｒｉ 气 门升 程 曲线 ９ ０ ／ ｎ排 ａ
表 ４ 动 力 学 计 算 主 要 参 数 结 果
从 以上计 算结果 可 知 ， 凸轮 型线优 化后 ， 、 进 排气 门 均 未发 生反跳 ， 、 进 排气 凸轮没 有发生 飞脱 ， 液压 挺柱工
＼
＿ Ｉ Ｉ ｌ ● ｌ ｌ Ｉ
Ｖ
Ｉ ｌ Ｉ Ｊ
０
１
２
３
４
５
６
液压 挺柱不 正 常的动作 、 冲击 、 损 、 油 、 磨 漏 损坏 等 ， 因此 采 用 ＩＡＣ凸轮 优化 设计 方 法 ， 据 凸轮 升 程测 绘 Ｓ 依
的测量 手段 对实 物产 品进行 测量 ， 然后 把 测量 所得 的数 计参 数 如表 １ 。 据 通过 三维 几何 建模 方 法 重 构 Ｃ ＡＤ模 型 ， 在 此 基 础 并 上 进行 改进设 计及 生产 ， 即在 充分 吸 收现 有产 品技 术 的
基 础上 ， 对现 有产 品进行 改进 和再 创造 。特别 是对 于 具 有 复杂 曲面 的零件 和产 品 ， 以通 过三 维 扫描 的方 式 自 可
７
６
删 ４
动 生成 三维 实体 ， 大 缩 短 了设 计 周 期 ， 低 了 开 发 成 大 降
本。
蠢
图 １ 测 绘 的 各 凸轮 升 程 曲线
发 动机 配气 凸轮 型 线 直接 影 响 凸轮 从 动 件 的 运 动 规 律 ， 动件 升程规 律 的微小 差异会 引 起加 速度 规 律 的 从 很 大变 动 。直接 测绘 的 凸轮 升程 曲线 不 能 够保 证 速度
图 １ ５５ ０ｒｒｉ 气 门 升 程 曲 线 ５ ０ ／ ｎ排 ａ
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铁道机车车辆——第 十七届全 国大功率柴油机学术年会论文集
第３ １卷
当量凸轮 角度／ 。 （）
当量凸轮角度／ 。 （）
图 １ ５８ ０ｒｍｉ 气 凸 轮 接 触应 力 ６ ０ ／ ｎ进
图 １ ５ ８ ０ｒ ｍｉ ８ ０ ／ ｎ进气 门 升 程 曲 线
曲线 及加 速度 曲线 的连续 ， 气 门的动 力学 特性 将 产 生 对
很 大 的影 响 ， 因此 必 须 对 测绘 凸轮 升 程进 行 优 化 设 计 ，
在保 证原 有气 门运 动规律 的前 提下 ， 证速 度及 加 速度 保
曲线 的连 续性 。凸轮型线 的优 化设 计 已经从 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 动学 和受 力情况 ， 统一 考虑机 构 动态 参数 与 凸轮 并
础 上 ， 凸 轮 型 线 的 测 绘 数 据 进 行 逆 向 优 化设 计 。 通过 凸 轮 型线 优 化 设 计 ， 证 配 气 机 构 的 动 力 学 特 性 ， 括 气 门 对 保 包 落 座速 度 和 凸轮 接 触 应 力 等 参 数 ， 保证 凸 轮 型线 的二 阶 连续 从 而保 证 型线 的加 工 性 。 并
围内 。
ｓ 当有 液压元 件 时 ， 冲段 末 端 最 大 速 度会 更 小 ， 据 ， 缓 根 转 速 、 冲段 长度 和高 度共 同调 试 ， 分 发 挥 其 平 稳 落 缓 充
座 的特 点 。缓 冲段 长度 一般 在 １ ～４ ａ ｅ ５ ＯＣ ｍｄｇ范 围内 ，
Βιβλιοθήκη Baidu
。
厂 — ＼、 、
型线 ， 而实现 凸轮 型线优 化设 计 。本 文通 过建 立 配气 从
机构 系统 运动 学 、 力学模 型对 某发 动 机 的配气 凸 轮轴 动 型线 进行 逆 向优化设 计 。 １ 凸轮 型线 的测量
利用 凸轮 型线专 用测量 设备 ， 向测 绘得 到 凸 轮轴 逆
上 ５个 凸轮升程 曲线 如 图 １ 所示 。
２ 配气 凸轮轴 凸轮 型线优 化
图 ２ 配 气 机 构 结 构 布 置 表 １ 配 气 机 构 基 本 参 数
２ １ 配气机 构运 动学及 动力 学仿 真模 型 的建 立 ．
本文 中配气 机构 为两 气 门 、 液压 挺 柱 的推一 挺一 带 摇结 构 型式 ， 图 ２所示 。发 动机 的 额定 转 速 为 ５５ ０ 如 ０ ｒｍｉ。应 用 ＡＶＬ Ｔｉ ｎ ｒ ｅ对发 动机配 气机 构建 ／ ｎ ／ ｍｉｇＤ ｉ ｖ
王小慧 （９ ２ ） ， １ ８一 女 黑龙江肇东人 ， 助研 员（ 收稿 日期 ：０ １ ６ ０ ２ １ —０ —３ ）
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铁 道 机 车 车 辆— — 第 十 七 届 全 国 大 功率 柴 油 机学 术年 会 论 文集
第 ３ １卷
图 ７ 测 绘 第 ４凸 轮 运 动 学 曲线
图 ３ 配 气 机构 运 动 学 、
第 ３ 卷 增 刊 １
２１ ０ １年 １ Ｏ月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｗ ＡＹ Ｌ Ｌ０Ｃ０Ｍ０ＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ ． １ Ｓ ｐ ｌ １３ ｕ ｐ ０ｃ． ｔ ２ １ ０１
文章 编 号 ：０ ８ ８ ２（０ １ Ｓ 一０ ７ —０ １ ０ —７ ４ ２ １ ） Ｏ １ ７ ４
２ ３ 凸轮 型 线优 化 ．
（ ）优 化设 计方 法 １
图 ４ 测 绘 第 １凸轮 运 动 学 曲线
实 物 测 绘 的 凸 轮 特 性 曲 线 局 部 产 生 阶 跃 ， 用 利 ＡＶＬ软件 凸轮设 计单 元在 保证 原 凸轮 升程 特 征 的前 提 下 ， 凸轮 升程进 行优化 设计 。凸轮 型线 的优 化设 计 包 对
圆 弧
正 弦 一０ ５ ．
司 １０ ０
０ ３
图 １ ５５ ０ｒｍｉ 气 凸轮 轴 接 触 应 力 曲线 ２ ０ ／ ｎ进
表 ３ 凸轮 型线 主 要 特性 参数
参 数 名 称
气 门 丰满 系数 缓 冲段 高 度 ／ ｍｍ
数 值
凸 轮 最 大 接 触应 力 ／ ａ ＭＰ
括工作 段 和缓 冲段 两个 部分 。
工作段 是配气 凸轮 型线 的关键 部 分 ， 直接 影 响到 整 机 的性 能， ＡＶＬ Ｔｉ ｎ ｒ ｅ提 供 ３种 设 计 方 法 ， ／ ｍｉｇ Ｄ ｉ ｖ Ｐ Ｙ ＮＥ（ 门多 项 动力 加 速 度 函数 ） Ｉ ＡＣ（ 门 ＯＬ ＤＹ 气 、Ｓ 气