柴油机配气机构运动仿真研究12

杭州电子科技大学

毕业设计（论文）开题报告题目柴油机配气机构运动仿真研究

学院机械工程学院

专业车辆工程

姓名徐漳

班级车辆一班（08010511）

学号08015128

指导教师刘婷婷

一、内燃机配气机构技术现状及选题的依据和意义

（一）课题研发背景

配气机构作为内燃机的重要组成部分，其性能好坏对内燃机的性能指标有着很重要的影响。配气机构的作用是按照内燃机的工作循环与工作顺序的要求，控制新鲜气体及时地进入气缸，同时排除燃烧后的废气。一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值。随着汽车及发动机技术的发展，对配气机构也提出了更高的要求，其相关新技术也得到了发展。

1 内燃机配气机构的研究现状

随着内燃机高功率、高速化发展，人们对其性能指标的要求更高，这给配气机构的设计以及制造工艺增加了难度。目前广泛采用的是气门－凸轮式配气机构，它具有保证气缸密封性的优点。配气机构系统研究内容归纳起来主要有两个方面，一方面是零部件的设计，包括凸轮型线，气门摇臂机构的设计，气门弹簧及气门等零部件的设计，其中又以凸轮型线的设计尤为关键，这是因为凸轮作为整个机构的原动件，它直接控制整个机构的运动。另一方面是机构的动力学问题，而对于机构动力性能的研究，又主要集中在气门的运动规律上。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。国内也在致力于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问题，主要表现在以下几个方面[1,2]：

（1）设计了许多性能优良的凸轮型线；

（2）配气机构由刚性设计发展为弹性设计；

（3）由孤立研究凸轮设计发展到配气机构系统设计。

内燃机配气凸轮的研究已经涉及到配气机构性能的各个方面，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。在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方面上，国内外都有很大的发展。

2 配气凸轮优化设计方法

配气凸轮是影响配气机构工作状况的关键零件，如何设计和加工出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构设计中最关键的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实际上是对由凸轮外形所决定的气门位移规律的要求，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。因此，对气门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应视所设计发动机的特点，如发动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决。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。

当今内燃机配气机构的发展趋向是在排量不变的前提下，提高内燃机性能指标。不论是多气门配气机构还是在此基础上演化而来的可变气门运动配气机构，其基本出发点都是，在更大范围内使内燃机动力指标、经济指标和生态指标等达到最优，这是传统配气机构无法完成的。

（二）选题的依据和意义

1）柴油机所采用的上置凸轮轴式配气机构，建立配气机构动力学模型，并进行不同转速条件下的气门动态特性仿真分析，对计算结果进行初步对比后认为多刚体动力学模型能更真实地模拟机构的运动特性，而且不要编制复杂的程序，不必建立复杂的方程，只要基于虚拟样机技术建立数字化装配模型，施加约束，运用Mat-lab软件就可以比较准确地进行运动与动力学特性的仿真分析，能够满足该复杂系统产品设计分析的需要.

2）通过仿真分析获得的机构运动学参数与力学参数，不仅提供了机构各部件的，而且为进一步基于多体动力学的结构强度分析与系统优化奠定了基础.

二、拟解决的主要问题、研究的基本内容：

1. 基于大型商用软件pro/E开发柴油机配气机构的虚拟样机设计建模原型模块；

2. 对柴油机配气机构进行运动学和动力学分析，计算并确定模型号柴油机配气机构

的结构及性能参数；

3. 建立配气机构模型，进行配气机构运动仿真研究。

本毕业设计主要设计思想及内容为：进行发动机虚拟样机设计建模仿真环境的开发研究，采用面向对象的方法对柴油机配气机构进行分析，基于pro/E开发柴油机配气机构的虚拟样机设计建模原型模块，建立配气机构模型，进行配气机构运动仿真研究。

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、研究工作进度：

序号时间内容

1 2011/11/11 布置任务，确定题目，审题

2 2012/2/1-2012/2/28 查阅相关文献资料并撰写开题报告

3 2012/3/9-2012/3/15 开题报告答辩

4 2012/3/17-2012/3/24 了解配气机构的结构，建立汽车发动机配气机

构的实体模型

5 2012/3/25-2012/3/5 完成外文翻译

6 2012/4/6-2012/4/20 绘制CAD技能训练图

7 2012/4/21 上交外文资料翻译，接受中期检查

8 2012/4/22-2012/5/5 对配气机构进行运动学和动力学分析

9 2012/5/6-2012-51-/15 以仿真结果作为依据，对发动机气门机构给以优化，

并着手写毕业论文

10 2012/5/16-2012/5/28 整理有关资料，完成并上交毕业论文，准备答

辩

五、主要参考文献：

[1]吴兆汉，汪长民，林桐藩等.内燃机设计.北京理工大学出版社，1990.

[2]陈家瑞，马天飞.《汽车构造》上册.第五版.北京：人民交通出版社，2005.

[3] 柴油机设计手册编写委员会.柴油机设计手册下册.中国农业机械出版社，1984.

[4] 张亮，郭仕剑，王宝顺等.MATLAB7.X系统建模与仿真.北京：人民邮电出版社，2006.

[5]王正林，王胜开，陈国顺等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真.第二版.

北京：电子工业出版社,2008.

[6]马钢.内燃机配气机构技术现状及发展.见：太原科技，2008：86-87.

[7]《12150L柴油机》编写组.12150柴油机.国防工业出版社，1976.

[8]付光琦,康秀玲, 郭凌崧.高速柴油机顶置式配气凸轮机构的动力学计算.

见：内燃机学报，2000:113-116.

[9]赵冬青, 苏铁熊, 赵振锋.顶置凸轮轴配气机构动力学和运动学计算.

见：车用发动机 2003:1-3.

[10]刘海生，彭岩，基于Matlab的发动机凸轮配气机构的动力学建模与仿真.

见：机械设计与制造，2008:88-89.

[11]刘云, 肖恩忠.高速柴油机配气凸轮优化设计综述.

见: 拖拉机与农用运输车,2006:6-7.