汽车及发动机优化设计(2013实例部分)

5）质量要轻。
1）各个设计要求在传统的设计中 如何实现？ 2）设计要求与功用的关系如何？
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四、结构参数
圆柱形螺旋压缩弹簧的参数主要包括：钢丝直径d、弹簧外径
D2、弹簧中径D、工作圈数n、死圈数n2、弹簧的最大变形量λ和旋 绕比c。其中：n2 一般取决于气门弹簧在发动机上的安装情况，它 是预先确定的，即为常数；λ取决于弹簧的工作载荷、弹簧的布置 及配气机构的设计，在设计弹簧之前可以根据发动机的要求选定一
4) 后轮的加速度小于许用值
在现在的优化中是否还是 前、后轮上的相关约束条 件？ 20/322
九、优化设计过程 车轮的动挠度小于许用值
f xq f
各种不同类型的汽车其动 挠度的许用值不同？
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九、优化设计过程
优化模型
①设计变量
k x1 X x1 c x2
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二、主要功用
1、传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切力和力矩； 2、缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的车载系统的振动， 保证汽车的行驶平顺性； 3、保证车轮在路面不平和载荷变化时有理想的运动特性； 4、保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。
汽车在不平路面上行驶，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。为了 迅速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减振 器，并使之具有合理的阻尼。利用减振器的阻尼作用。使汽车的振动振幅连续减 小，直至振动停止。
运动过程中的外界条 件。 能否定量的说明这些 边界条件？
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七、失效形式或存在的不足
1）质心的加速度造成的舒适性问题； 2）动挠度过大造成的元件的寿命等问题； 3）车轮的加速度造成的操纵稳定性问题等。
现有的一些设计缺陷 以及不足等。 是否存在一些改进的 方案和方式？
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八、改进措施
对悬架系统进行的优 化设计是进行结构参 数的优化还是性能参 数的优化？ 7/322
一、基本描述 悬架是现代汽本上的重要总成之一。它是车架（承载式车身） 与车桥（车轮）之间的一切传力连接。它把悬架(或车身)与车轴
(或车轮)弹性地连接起来。悬架由弹性元件、导向装量、减振器、
缓冲块和横向稳定器等组成。
注意与其它相关 课程的关系
1)车身的振动频率要求
进行设计的一些基本 性能参数。 是否就是影响其性能 的一些性能参数？
2)弹性元件的性能
3)减振装置的特性 4)车身振动加速度的要求 5) ……
这些参数在悬架的运 动过程中会发生变化 吗？
对车身振动频率的要 求是什么？
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六、边界条件
1）轮胎与路面接触，有来自路面的冲击载荷。 2）上部与车身（车架）相连接，承受车身的重量等。 3）路面的等级是变化的，即各种可能的路面。 4）车速在一定的范围之内。
上 海 别 克 君 威 （ Regal ） 2.5GL 的 2.5LV6 发 动 机 ， 最 大 功 率 为
112Kw/5600rpm，但当发动机转速达到4200rpm时就会自动切断燃油供应， 在车速超过170Km/h时，供油量也会被限制，因此，0～100Km/h加速时
间13.04秒，最高车速173Km/h并不能代表它的真正实力。
Project 02: 汽车整体式转向系统的优化设计
学习要求： 通过对汽车转向系统的优化设计，掌握相类似的汽车
杆件系统的优化设计方法。特别是约束条件的建立以及与汽车零部 件工作状态或过程的关系。
对转向系统进行的优 化设计是进行结构参 数的优化还是性能参 数的优化？
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Project 10: 发动机气门弹簧的优化设计
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七、失效形式或存在的不足
怠速不稳与气门
1)当进气门头—颈部上的积碳落入进气门座的接触面上时，会造成气缸 压力不足而难于发动。 2)当进气门杆也附着有积碳时，有时会使气门杆与导管间发卡，造成气 门不能及时关闭，导致活塞撞出进气门，发动机有异响，进气门和活塞
都可能损坏。
这些现象与气门弹簧 的关系?
1）复合形法（直接法）
2）外点惩罚函数法（间接法）
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九、优化设计过程
复合形法（直接法）
通过复合形 的 不断向最优 方 案移动而得 到 最优解。
坏点
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十、优化设计实例
优化结果
X x1 x2
X0 330N/mm 1457N/m/s
X* 310N/mm 1325N/m/s
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二、主要功用
1）克服在气门关闭过程中气门及转动件的惯性力；
2）防止各转动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时
落座并紧紧贴合； 3）防止气门在发动机振动时产生跳动，破坏其密封性。
各个部分的作用？
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三、设计要求
1）气门弹簧应具有足够的刚度； 2）应具有足够的强度； 3）避免在工作时发生共振现象； 4）安装预紧力；
1）各个设计要求在传统的设计中如 何实现？ 2）设计要求与功用的关系如何？
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四、结构参数
1)前、后悬挂点的距离 2)左、右悬挂点的距离 3)悬挂质量
进行设计的一些基本 结构参数。 是否就是影响其性能 的一些结构参数？
4)非悬质量
5)……
这些基本的结构参数 由什么决定？
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五、性能参数
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目录
Project 01: 汽车悬架系统的优化设计
Project 02: 汽车整体式转向系统的优化设计
Project 03: 汽车车架结构的优化设计
Project 04: 汽车传动轴的优化设计 Project 05: 汽车传动系参数的优化设计 Project 06: 汽车车轮的优化设计 Project 07: 离合器的优化设计
各个部分的作用？
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悬架的工作过程
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三、设计要求
1)保证汽车有良好的行驶平顺性。 2)具有合适的衰减振动能力。
3)保证汽车具有良好的操纵稳定性。
4)汽车制动或加速时要保证车身稳定。 5)有良好的隔声能力。 6)结构紧凑、占用空间尺寸要小。 7)可靠地传递车身与车轮之间的各种力和力矩。在满足零部件质量要小的同时保 证有足够的强度和寿命。
f ( X ) max i (t ) min (i 1,2,, p) x
目标函数与系统运动 微分方程的关系？
不同的路面以及不同的范 围分别体现在哪里？
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九、优化设计过程
3、约束条件
必须注意各约束条件的物 理意义以及最终形成的数 学符号和表达方法。
1) 前轮的动挠度小于许用值 2) 后轮的动挠度小于许用值 3) 前轮的加速度小于许用值
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目录
Project 08: 连杆螺栓的优化设计 Project 09: 内燃机连杆的优化设计 Project 10: 发动机气门弹簧的优化设计 Project 11: 发动机配气凸轮型线的优化设计 Project 12: 发动机飞轮的优化设计 Project 13: 发动机悬置参数的优化设计 Project 14: 发动机活塞加工的优化设计 Project 15: 发动机进气管的优化设计
气门落缸：气缸一般是由于气门杆折断、气门弹簧折断、气门弹簧座开裂、气门 锁夹脱落等原因引起。当缸盖部位发出“当当”敲击声、“嚓嚓”磨擦声（气门 弹簧折断），或伴有其它不正常的响声，柴油机工作不稳定时，往往是气门落缸 的前兆，不可掉以轻心。
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七、失效形式或存在的不足
气门弹簧断裂
气门弹簧断了 1岁捷达出租发动机彻底报废
汽车及发动机优化设计 （实例部分）
Optimal Design for Automobile & Engine
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目录
Project 01: 汽车悬架系统的优化设计
Project 02: 汽车整体式转向系统的优化设计
Project 03: 汽车车架结构的优化设计
Project 04: 汽车传动轴的优化设计 Project 05: 汽车传动系参数的优化设计 Project 06: 汽车车轮的优化设计 Project 07: 离合器的优化设计
合适的值；D2、C均由d和D决定，D=D2-d，C=D／d。
进行设计的一些基本 结构参数。 是否就是影响其性能 的一些结构参数？
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五、性能参数
1）弹簧的刚度； 2）材料特性；
进行设计的一些基本 性能参数。
是否就是影响其性能 的一些性能参数？
3）工作频率；
4）质量； 5）……
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六、边界条件
学习要求： 通过对气门弹簧的优化设计，掌握相类似的汽车零部
件的优化设计方法。特别是约束条件的建立以及与汽车零部件工作 状态或过程的关系。
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一、基本描述
发动机气门弹簧是发动机配气机构气门组的重要零件，多采用 圆柱形螺旋压缩弹簧。
配气机构新技术： 1）VTEC (Valve Timing Electronic Control) 2）VVT (Variable Valve Timing) 3）VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent) 28/322
1）预紧力； 2）变形量； 3）工作频率； 4）温度达到700-900°
运动过程中的外界条 件。 能否定量的说明这些 边界条件？
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七、失效形式或存在的不足 自由长度缩短、弹性减弱、弯曲、扭转、裂纹、折断等。气门弹簧产生上述
损伤后,将逐渐减弱气门对气门座的接触压力,降低密封性能,并可能产生导响。
悬架系统的一些基本参数可以作为设计变量进行优化。
k x1 X x1 c x2
x2
T
还是否可以考虑其它 的一些参数作为设计 变量？
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九、优化设计过程
2、目标函数
是否还有其它的目标 函数？
希望汽车能在不同的路面上以一定范围的速度行驶时的质心的 加速度值较小。
②目标函数
x2
T
f ( X ) max i (t ) min (i 1,2,, p) x
③约束条件
g1 ( X ) x q f 0
g2 ( X ) x q f 0
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九、优化设计过程
4、求解方法
从优化的数学模型看，如果仅含有不等式约束。可以利用如下 的两种方法之一进行问题的求解：
“刚打开空调，就听着发动机噼里啪啦开锅了，接着就灭火停在长安
街上。” 银建出租车公司的司机冀先生郁闷地说：“维修员说气门弹簧
断了，造成发动机整体损坏，更换费两万元。”
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七、失效形式或存在的不足 最高转速与气门
这些现象与气门弹簧 的关系?
最高转速的出现往往会伴随有气门的扇动（气门漂浮），这不仅带 来另人不适的噪声，而且对发动机有害。 现在有些汽车由于法规的原因 以及安全的考虑，发动机的最高转速被强制限定在一个较低水平，而限 制发动机的最高转速可以有效延长机器的寿命并提高其可靠性。例如：
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八、改进措施
改进方法
保证其工作可靠性的一些方 法，如：材料的选择，钢丝 直径的选择等方面。 应急修车---气门弹簧折断:
可将断弹簧取下，把断了的两段反过来装上，即可使用。如弹簧断 让该缸停止工作。
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优化设计的一般过程
1）建立优化设计的数学模型；
2）选择适当的优化方法；
3）编写计算机程序；
4）准备必要的初始数据，并上机计算；
5）对结果进行必要的分析。
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Project 01: 汽车悬架系统的优化设计 学习要求： 通过对简单悬架系统优化设计的学习，可以将悬架的 自由度向更多的方向分析。特别是约束条件的建立以及与汽车零部 件工作状态或过程的关系。
主动悬架
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九、优化设计过程
0、简化模型
经过合理的简化形成 相应的模型
x(t)
m
悬架系统的运动微分方程
c
k
q(t)
m c( x q) kx kq x
反映了输入、输出以 及系统之间的关系。
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行驶速度是否对悬架 的舒适性造成影响？
九、优化设计过程
1、设计变量
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目录
Project 08: 连杆螺栓的优化设计 Project 09: 内燃机连杆的优化设计 Project 10: 发动机气门弹簧的优化设计 Project 11: 发动机配气凸轮型线的优化设计 Project 12: 发动机飞轮的优化设计 Project 13: 发动机悬置参数的优化设计 Project 14: 发动机活塞加工的优化设计 Project 15: 发动机进气歧管的优化设计