发动机摇臂建模及仿真运动本科毕业论文.doc

发动机摇臂建模及仿真运动摘要 在配气机构中，摇臂是一个对发动机整体性能影响较大的重要零件。由于摇臂的工作条件恶劣，综合性能要求复杂，因而其在设计过程中必须注意其在力学性能和装配过程中的精度要求，本文就某种发动机的配气机构的零部件摇臂进行三维建模及其整个小组所设计的配气机构和活塞连杆机构进行装配仿真运动。配气机构控制发动机进排气过程，直接影响这发动机的性能，随着发动机的性能要求的不断提高，对此，其中个零部件的要求就相对与较高。论文对顶置四气门发动机进行测量及其利用PRO/E进行建模及仿真运动分析，通过计算和试验的方法确定发动机摇臂动力学模型的主要参数，在利用PRO/E软件的仿真功能建立了建立了顶置配气机构发动机：凸轮轴摇臂气门系统活塞活塞连杆曲轴缸体之间的仿真运动。对其进行了仿真和评价，得出所设计的发动机摇臂是否符合装配精度和个方面的力学要求。通过对正个装配过程的静态特性和仿真运动的动态特性进行试验和校验，验证了发动机：凸轮轴摇臂气门系统活塞活塞连杆曲轴缸体仿真过程中三维刚柔耦合动力模型及分析方法的正确性。表明刚柔耦合动力分析方法能更加准确地分析摇臂在配气机构中的动力学特性，同时，通过柔性体的模态综合建立方法，能准确的计算出刚性体的动态应力变化曲线，为预测零部件的疲劳性能和结构参数优化提供理论依据。关键词：发动机 配气机构 刚柔耦合 动力学 实验英文翻译：第一章 绪论 随着经济的高速发展和社会的不断进步，作为人类最主要的交通运载工具的汽车正向着科技化，高速化，节能化，低成本，长寿命，多功能，低环境污染，易装配，易维修等方向发展。发动机是汽车的心脏，而气门摇臂是发动机配气机构智能光重要的零件之一。由于气门摇臂的性能对发动机的整体性能发挥着重要的影响，因此，在其设计理论，方法，制造中的应用对汽车工业的发展具有积极的作用。1.1 发动机摇臂的工作条件及性能要求气门摇臂的功能是将配气凸轮型线所设计的运动规律准确的传递给气门，从而有效的控制发动机的进气和排气过程。为了提高其动力特性，现代高速发动机一般都采用了同步齿形带或者链传动的顶置凸轮轴（OHC）式配气机构（如图1-1所示）。这种结构形式的配气机构是未来发展的主流，因而也是本文所研究和设计的重点，在OHC式配气机构中，摇臂的综合使用性能要求可归纳为以下四个方面：（1） 耐磨性要求研究表明，发动机中功率损耗得罪主要原因是凸轮副中的摩擦损失，在额定工况下，它占全部的损失的58%，在发动机启动时。或者在怠速状态中，如果不计汽缸内燃气压力阻抗，这时在发动机凸轮上功率损失增加到92.5%,，为了保证发动机的配气精度，控制发动机配气机构的震动和噪声，摇臂轴孔及其凸轮接触的圆弧工作面部位一般要求具有良好的耐磨性，特别是圆弧工作面部位。否则，摇臂与凸轮之间的严重磨损将会加大气门间隙，减小了气门升程，引起了不良的后果：配气机构的运动规律将严重偏离驱动凸轮所规定的数值，气门升程曲线发生畸变；使发动机配气机构的工作平稳性和震动状况恶化，噪声增大，配气机构所成所的惯性力急剧增加；破坏了配气相位，使气门开启的“时间断面“值减小，造成排气不彻底，进气不充分；使换气损失增大，发动机功率下降；使充气效率和有效功率随转速的变化不符合发动机动力性的要求；减小了气门重叠角的开角，使必要的燃烧室扫气作用明显减弱。（2） 低惯量要求在OHC配气机构中由于运动件数量减少，摇臂的转动惯量换算后一般会占到整个机构等效质量的1/3左右，成为运动时惯性载荷的重要来源，另外，由于配气机构中留有气门间隙，导致了发动机工作时配气机构各零件之间产生冲击和噪声，尤其在发动机尚未热启动之前，此间隙是最大的。冲击和噪声最为严重。而摇臂的转动惯量越大，冲击载荷也越大。所以摇臂的转动惯量与配气机构的动特性关系密切，是限制发动机转速和巩俐提高的因素之一。（3） 刚度要求摇臂是一个双臂杠杆，两臂承受较大的弯曲应力，设计时应该保证有一定的抗弯强度。在OHC配气机构中，摇臂及其支撑的柔度常常占气门驱动机构柔度的一半以上，可以说摇臂的刚度决定了整个机构的刚度。如果摇臂的刚度不足，会严重影响整个机构的动力性。（4） 疲劳寿命要求摇臂工作时承受较高频率的规律性非稳定弯曲变应力的作用，其基体的破坏一般为弯曲疲劳破坏。由此可见，摇臂虽然只是发动机配气机构中的一个小零件，但是它是发动机的动特性，震动，噪声，燃油消耗和排放水平等一系列经济技术指标均有直接的关系。1.2 凸轮与摇臂的接触应力凸轮与摇臂之间的作用力由于接触点的移动和摇臂的摆动，使接触点的位置和作用力的方向不断变化，摇臂两端的受力之比不断变化，同时凸轮对摇臂的正压力与摇臂的摆动方向有一个夹角，角度的大小也不断的变化，在气门开启过程中，摇臂绕轴做圆周运动，摇臂圆弧上任何一点线速度方向使圆周运动的切线方向。凸轮作用于摇臂的正压力使从接触点沿摇臂圆弧半径指向圆心。正压力（作用力的法向分量）与摇臂摆动方向的夹角（定义为压力角），从图12可以看出，摇臂的运动方向始终与La垂直，接触点至摇臂圆弧中心的连线与La的夹角为J，两角度间的差值使压力角，=（/2）-J（后面标注）。压力角是影响凸轮机构受力状态的一个重要参数，在其他条件相同的情况下，压力角越大，凸轮机构中的相互作用力也越大。在接触点处，当凸轮的法向推动力与摇臂的摆动方向垂直时，摇臂的运动会锁死，不能向上摆动。一般来说，凸轮轮廓线上不同接触点的压力角不相同。在凸轮机构设计中，为了提高机构的效率，改善受力状况，压力角的值，应该尽可能的小，从而保证凸轮机构能够长期可靠的工作。在凸轮工作段的上升阶段，由凸轮驱动摇臂运动。在接触点上，凸轮对摇臂的正压力为，在摇臂运动方向上分量为，主要是抵消气门弹簧力与摇臂和气门等运动间惯性力的作用，。当凸轮与摇臂的接触点转过凸轮顶点后，驱动摇臂的不是凸轮，而是气门弹簧。为了使气门的负荷不至于过低，落座过快，仍然需要对凸轮型线加以限制。当凸轮与平底挺杆相切时，根据已知凸轮的轮廓，曲线凸轮轮廓在接触点处的曲率半径可由公式：求得，曲率半径随凸轮转角的变化曲线如图13所示：上式中： 在这里是凸轮相对于平底挺杆的角度，因为在顶置凸轮轴式的气门机构中凸轮直接与摇臂的圆弧相切，气门升程计算，由转换过来的凸轮转角不是等间隙的，需要拉格朗日法插值求出等间隙的凸轮曲率半径。凸轮曲率半径与摇臂圆弧半径的综合曲率半径为： 凸轮与摇臂之间的接触是轴向平行的圆柱体与变曲率柱体之间母线的接触。凸轮是铸铁材料，摇臂是锻钢，材料的泊松比分别为：，杨氏弹性模量分别为：。凸轮与摇臂但综合弹性模量为： 凸轮与摇臂之间接触区的赫兹应力为： 式中： 接触线单位长度的法向载荷的绝对值，由动力学分析得出，考利了配气系统的震动。综上所述理论求解，由凸轮与摇臂按计算公式可以得到不同转速凸轮与摇臂的局部接触应力如图1-4所示： 1.3 摇臂设计技术的发展当前摇臂的设计方法已由传统设计阶段过度为现代设计阶段。应用现代设计技术辅助设计人员对摇臂的主要结构和制造工艺方案进行创新；对待改进的气门摇臂的结构参数与性能参数进行反求；应用CAD,CAE,CAM,PRM,PRO/E,UG,CAX等技术对新摇臂进行结构优化设计和样件的快速试制。这些技术的采用缩短了产品的研发周期，降低了成本。目前，参数化设计已经成为PRO/E中最热门的应用技术之一，这是因为它更符合和贴近PRO/E概念设计以及并行设计思想。本本将引入参数化设计思想，对摇臂的结构在PRO/E中进行参数化处理。由于摇臂件的形状比较定型，用一组参数约束其形状尺寸，实行参数驱动，便可以利用以前的模型方便的从构新的模型，并可以在遵循原设计意图的情况下修改模型，进行系列产品设计，大大提高了设计效率。1. 参数化模块技术模块是指一个产品利用PRO/E设计的参数化技术，将其结构按照其内在的规律亦以固定化，标准化，并将模块的参数化尺寸进行全关联，用主要参数对其他参数进行驱动。在参数驱动机制下，利用参数化方法构建模板，在模板适应性更为广泛的同时，又有利于在特殊情况下设计人员对设计内容的更改，以便满足不同的结构设计要求。2. 基于PRO/E的参数化设计参数化设计的思想经过几十年的发展，一些先进的CAD/CAE/CAM的集成软件，如：PRO/E,UG等已发展成熟，逐渐被工业界各行所接受。目前，国内许多大型产品生产企业已经采用了PRO/E进行产品结构设计。根据PRO/E所具有的优点，其发展趋势已经逐渐取代了AutoCAD原有的地位。PRO/E的参数化设计对于传统的产品结构设计工作来说，有相当大的帮助。PRO/E中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸，而且具有实质上的物理意义。我们可以应用体积，面表积，重心等参数或者密度，厚度等用户自定义参数加入设计构思中来表达设计思想。这项参数式设计的功能不但改变了设计的概念，并且将设计的便捷性推进了一大步。PRO/E的实体造型是3D，而3D实体模型除了可以将用户的思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数及用户自定义参数可以计算出产品的体积，面积，重心，转动惯量等，可以在产品投产之前进行比较深入的强度，应力等性能的分析，及时的发现问题。而在PRO/E之前，我们只能对所设计的产品结构作一些初步的强度分析，待产品生产出来以后在进行强度实验，如果发现问题，在进行补救，这样往往消耗很多财力及精力。PRO/E采用单一数据库，其所有的对象，都只存在于数据库中一次，并且这单一的数据库是唯一的，完整的。这样保证了在PRO/E中进行的任何设计都是关联的，这也是并行工程中最关键的基础，工程师可以依靠这一功能完全抛弃传统的工作方法，实现零件设计，模具设计，装配设计，加工设计等同时进行的理念。PRO/E可以随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标注工程图尺寸。不论在3D还是2D图形上作尺寸修正，其相关2D图形或者3D实体模型均自动修改，同时装配，制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性。避免反复修改的耗时性，还可以达到设计修改工作的一致性，避免人为改图的疏漏。因为是参数化的设计，用户可以应用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得模型可自动计算出应有的外形，减少尺寸逐一修改的繁琐费时，并减少错误发生。PRO/E的参数化工作原理图如图1-5所示： 图1-5 PRO/E的参数化工作原理在 Pro /E 中，提供了Porgram模块进行参数化设计。使用Program设计零件或装配件时，与通常计算机程序设计不同，绝大部分程序是由Pro/Program系统产生的，使用者并不要从头到尾地编写整个程序，只需要对程序进行部分编辑即可。针对摇臂这类参数比较多、形状复杂、结构变化不大的产品，使用Pro/Program进行二次开发可实现以下功能：（1） 实现交互式设计，自定义参数输入对话窗口;（2） 建立特征中尺寸间的相互约束关系，实现尺寸驱动;（3）可以在Pro/Program利用1F语句实现条件控制，从而用不同的输人参数值生成不同属性的特征。Pro /E 在 建模中采用其特有的参数管理机制，每一个尺寸都被赋予了一个参数名;软件也提供给用户自主定义参数的方法，即由设计者给某些尺寸命名。Pro/E支持的参数类型有：Nu mb er 一 整数 ;Stirn g 一 字 符串，使 用户能够输入参数或模型名称;YE S N O 一 布尔型变量。参数间可以定义关系(Relation)。在Pro/PROGRAM程序中可以输入模型的各种有效关系。所谓有效关系是指参数关系完整，无冲突，关系表达的语法正确。建立摇臂模型后，Pro/Program设计列表将自动列出模型的所有元素，并按照创建的先后顺序命名为D1, D2, D3.等内部标识尺寸。对于较复杂的模型，按顺序排列的尺寸往往达数百个甚至更多，因此无法知道每个内部标识尺寸所对应的零件尺寸，这就需要找出两种对应关系:内部标识尺寸与外部模型上各个数值之间的对应关系;内部标识尺寸与将要命名的外部参数之间的关系。这两种关系综合起来即可体现出外部参数与零件上被约束尺寸之间的关系在对这些参数命名时，参数名称应力求简单易懂，必要时可在职Pro/Program程序中加入简单英文注释。1.4 摇臂的研究现状铝合金基体陶瓷镶块摇臂是近年来国内外正在研制开发的第四代小惯量、耐磨损高性能摇臂。日本在发动机陶瓷零部件，特别是陶瓷挺柱和摇臂的研究方面一直处于世界领先水平，80年代初，日本MMC公司通过大量严格的试验，对氧化铝、氧化锆和氮化硅等几种陶瓷材料用做摇臂镶块时的强度、耐磨性和制造工艺性等进行了对比。 MMC公司的这些研究成果说明，氮化硅是最优异、最适合用做摇臂镶块的陶瓷材料。在合理选择镶块材料的基础上，MMC公司于1984年开发出了用于LPG燃料发动机上的铝合金压铸包容氮化硅陶瓷镶块结构的摇臂。随后，该公司在装有EGR系统的柴油发动机上也使用了这种新型摇臂。在这种新型氮化硅陶瓷镶块摇臂开发成功后，MMC公司将其与本公司70年代研制的粉末冶金镶块摇臂从各个方面进行了全面的性能比较。从试验数据看，氮化硅陶瓷镶块的采用不仅大幅度提高了摇臂与凸轮的耐磨损性能增强了它们对润滑油的适应能力，而且使发动机在低转速边界润滑条件下的扭矩损失减小，使配气机构的动力特性得到了明显的改善。1.5 课题的提出和研究内容1.5. 1 课题的提出汽车工业是一个国家国民经济的重要组成部分，汽车发动机核心零部件的持续技术创新是维持汽车工业稳定发展的必要条件.20世纪70年代以来，日本等发达国家以市场需求作牵引，研制开发了多种结构形式的高性能气门摇臂，其中有些已经投入了大批量生产，提高了其发动机的性能指标，推动了汽车工业的发展。我国从“八五”以来也在该领域进行了大量的研究工作，研制出了一些小惯量、耐磨损摇臂样品。但是由于其研究工作不是按照产品创新的一般过程深入展开进行的，而只限于对国外先进产品的简单仿造，所研制的摇臂未能在降低成本、提高制造工艺性和质量可靠性等方面有效结合国内材料工业和制造业水平的实际情况而取得突破性进展，不能满足批量化生产的要求，因而目前还都停留在试验研究的水平上。工艺上有较大创新:在提高摇臂使用性能和可靠性的同时，提高其可制造性，降低制造成本，提高生产效率和成品率。只有这样，才能得到汽车发动机生产厂家和用户的共同认可，才能具有广泛的应用市场。我国生产的发动机采用了OHC形式的配气机构，其装配的气门摇臂属于第一代锻钢镀硬铬摇臂。这种摇臂耐磨性差、转动惯量大，是影响发动机性能和寿命的关键零件。本此设计的工作任务侧重于研究基于CAD的摇臂设计，讨论了基于PRO/E的摇臂结构优化设计以及精确装配和仿真运动的研究。1.4.2 本文研究内容（1）综述气门摇臂的工作条件及性能要求，回顾摇臂设计的发展阶段，介绍摇臂的设计与制造的国内外现状，分析Pro/E软件在摇臂的参数化设计中的应用，阐述课题的研究内容和意义。（2）分析陶瓷摇臂的设计原则，对摇臂的结构参数进行了归类，并指出了各个参数的意义，并对结构参数进行了优化设计。（3）叙述参数化设计的原理，研究陶瓷摇臂的参数化设计流程，并给出运用Pro/E软件进行了摇臂参数化设计过程。第二章 基于特征的摇臂设计参数研究通过分析摇臂的传统设计/制造流程，研究了基于特征的摇臂设计参数，深入分析了各个参数对摇臂性能及配气机构的影响，为后续的参数化设计提供依据。2.1 发动机摇臂的设计技术2.1.1 发动机摇臂的设计原则目前的气门摇臂新产品开发一般是对现有摇臂的改进和创新，其设计特点是在己有设计的基础上进行改进设计，故应充分考虑原配气机构和摇臂的性能特点与要求，分析存在的许多约束条件。因此，首先需要遵循反求工程的基本原理，对原配气机构和摇臂的主要性能进行全面的试验测定、反计算和深入分析，掌握其设计准则、设计规范和原始设计的技术性能数据;然后才能在充分吸收原设计合理因素的基础上，对其不足之处进行改进，设计出合理的新摇臂结构。反求过程的快速性和反求结果的准确性要靠先进的反求技术来保证。由以上分析，基于PEO/E摇臂的设计建模是对锻钢摇臂的反设计，是在继承的基础上进行改进，同时要适应新的材料和制造工艺的要求，其设计过程应遵循以下原则：(1) 保证足够的弯曲疲劳强度;摇臂工作时承受较大的脉动弯曲应力，且交变载荷频率较高，因此要求摇臂具有较高的疲劳寿命。铝合金的延伸率一般比调质的锻钢小14倍以上，所以铝合金摇臂与锻钢摇臂相比，容易产生疲劳寿命不足。要想保证摇臂的铝合金基体具有足够的疲劳寿命，除了改善铝合金材料的性能和提高制造工艺水平外，主要是设计时应优化结构，缓解应力集中、减小应力幅值。(2) 保持与原锻钢(测量)摇臂刚度等效;在下置凸轮轴发动机中，摇臂及其支座的柔度常常占气门驱动机构总柔度的一半左右;在OHC配气机构中，由于省去了挺柱和推杆，这个比例加大，所以摇臂的刚度决定了整个配气机构的刚度，为了不破坏原配气机构的运动规律，摇臂的设计应该采用与原测量摇臂的刚度相等的原则。（3）弥补原锻钢摇臂扭转变形较大的缺陷；发动机在设计时为了使结构布局紧凑，减小体积，其气门中心所处平面与凸轮中心平面存在3mm的偏移量。因此摇臂上的气门螺钉孔中心与圆弧工作面中心也相应地偏移3mm。这种摇臂在工作过程中承受弯曲联合的脉动载荷作用。为了减小摇臂工作圆弧面部位的扭曲变形，提高磨损寿命，摇臂的机体结构设计时除了要增大载荷作用方向的抗弯截面模量，还要适当增大圆弧工作面周围的抗扭截面模量。同时，要尽可能使所设计的摇臂的弯曲中心与载荷作用中心重合。（4） 不改变原摇臂中与装配和气门机构运动有关的行位尺寸参数及其制造公差；如摇臂轴孔的尺寸和公差，圆弧工作面的尺寸和公差，气门间隙调节螺钉孔的尺寸和公差，轴孔端面的尺寸和公差以及它们之间的相对位置尺寸和公差。这些尺寸和公差关系到发动机的装配和气门的正确运动规律，在建模时候应该严格保留和遵循。（5） 尽量减小转动惯量设计时，在保证强度和抗弯，抗扭刚度的前提下，通过有限元计算优化结构，合理布局材料，使摇臂各部位应力尽量均匀，特别要减少与摇臂回转中心距离较大，受力较小部位的冗余材料用量。2.2 基于特征的摇臂结构参数分类按照现代设计理论的观点，产品的质量、性能、成本和可制造性等都是由设计决定的，因此设计阶段至关重要。摇臂的设计采用面向制造的设计的方法，在设计中引入基于特征的设计方法，能够使加工信息在设计中体现出来。特征技术是实现CAD/LAPP/CAM系统集成的关键技术，当前流行的三维软件都采用了特征技术。本文基于特征技术思想，对摇臂的结构参数进行了分类。2.2.1 特征的定义与分类许多学者和研究机构对特征技术进行了研究，分别从不同的应用角度对特征进行了定义和分类。如CAM-1对工件形状的定义是:在工件的表面、棱边或转角上形成的特定几何轮廓，用来修饰工件外貌或者有助于取得工件的给定功能:Henderson将特征看成是由基本的切削加工操作所除去的体积;Prat和Wilson，认为特征是一个零件的表面上有意义的区域，并将特征分为通道特征(Passage)、凹特征(Depression),凸特征Protrusion)、过渡特征(Transition)、区域特征(Area)、变形特征(Deformation); Cunningham和Dixon将特征定义为:对一个或多个设计或制造活动有意义的几何形状或几何实体，与具体的制造该几何形状的方法相联系;Shah把特征定义为能够辅助设计，并能在设计、制造或其他工程任务之间传递产品信息的载体，Shah把特征分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征、有限元特征和加工特征。祝国旺提出了广义特征的概念，并将广义特征分为:管理特征、形状特征、技术特征、材料特征、精度特征。基于上述特征的定义，特征的概念性定义如下:特征是为了某种应用目的预先构想的模型，能够抽象地描述产品上感兴趣的几何形状及其工程语义。在设计领域，一般认为零部件可以用形状特征、装配特征、材料特征、精度特征等完整描述。形状特征是产品信息模型中最主要的特征，它用来描述某个具有一定工程意义的几何形状信息。它是材料特征、精度特征等的信息载体。装配特征用来表达产品中各零件间的装配关系以及在装配过程中所需要的信息。精度特征用来描述几何形状和尺寸的许可变动量或误差。材料特征用来描述零件材料的类型、性能等信息。基于特征的陶瓷摇臂的设计参数研究，就是在设计领域里确定形状特征、装配特征、精度特征、材料特征的对象。由于在摇臂的设计中是应用了PRO/E软件，为了给后续参数化设计以及模具设计带来方便，对摇臂的形状特征按照PRO/E能够识别的方式进行了分类，Pro/E的特征设计单元，如孔、开槽、做圆角、倒角等导入了实际的制造思想，均被视为零件设计的基本特征。以特征作为设计的单元可使我们方便地对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、删除、重新定义等。2.2.2 摇臂基体参数研究下置凸轮轴配气机构中气门摇臂的参数优化设计方法进行了研究，提出用22个可变参数来唯一确定一个摇臂的结构，最终将形状复杂的摇臂的设计归结为几个重要参数的选择。这种思想在OHC配气机构气门摇臂的结构优化设计中可以借鉴，但是其具体方法并不适用。原因是这两种配气机构空间布置完全不同，其常见的摇臂结构形式也有较大差别。如：T3370Q发动机气门摇臂的螺钉孔中心与圆弧工作面中心要求具有3mm的偏移量，这使其可以作为一般OHC配气机构气门摇臂的典型代表，因此本文通过它来研究OHC配气机构中气门摇臂结构的参数优化反设计方法。在 OH C 配气机构中，摇臂的主要结构可由下图2-1所示的33个参数来唯一确定。由于陶瓷摇臂是锻钢摇臂的反设计，因此这些参数的选取首先应满足上述设计原则(4)和(6)的要求，其次还要能构建出拓扑关系上有意义的几何实体。在此条件范围内才能通过改变参数来优化摇臂的结构形状。图 2-1 OHC 配气机构气门摇臂的结构参数根据摇臂设计的主要要求，其安装结构参数，如 等由发动机整体结构限定;等强度等刚度设计参数在保证足够大刚度强度的前提下，要使质量和转动惯量尽可能小。通过有限元分析发现，多数参数都在某个范围内使刚度顺量比有较大值，H类参数值的增加，对提高/刚度质量比有明显影响。但随着高度的增加，摇臂的最大应力值也将增大。2.2.3 参数化设计的概念参数化技术是当前CAD技术重要的研究领域之一，它是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸的关系，参数与设计对象的控制尺寸有一定的对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动的影响，也称为参数化尺寸驱动。参数化设计以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品建模及修改系列设计、多方案比较和动态设计的基础。参数化造型记录了建模过程和其中的变量(也就是捕捉设计意图)以及用户执行的CAD/CAM/CAE功能操作，因此，参数化建模通过捕捉模型中的参数化关系记录了设计过程。这种记录过程与次序有关(是顺序化的)，同时，它利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算。参数化建模的优势在于其速度快。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以极大提高设计速度，并减少信息的存储量。其缺点是用户必须提供几何元素的全部尺寸和位置信息，然后才能定义下一个元素。2.3 摇臂的基体参数选择原则摇臂基体结构优化设计的主要任务有四个：一是满足刚度要求，二是满足疲劳强度要求，三是减小转动惯量，四是满足装配精度。强度条件虽然重要，但是比较容易满足，对大多数摇臂而言，在保证足够大的刚度的前提下优化减小转动惯量应是设计追求的目标。根据这一观点，本文经过计算的对比，将所有条件的可变参数按照其对摇臂的刚度，转动惯量比影响程度的不同又分为两类，一类称为敏感参数，包括：等8个参数，另外一类称为非敏感参数，包括9个参数。理论上，所设计的摇臂的转动惯量比原测量的小，其工作时所承受的惯性载荷也较小，在摇臂形体未确定之前其工况载荷为未知数，因此优化分析计算工程分为两步来进行。第一步先固定非敏感参数的估计值，给定其约束条件，同时给定与原摇臂等刚度的约束条件，以转动惯量最小作为优化目标，通过有限元形体优化计算，首先确定其8个敏感参数的值，然后再用所测量的摇臂取代所设计的摇臂，修改相应的参数和约束条件，以动力学计算所确定的载荷作为受力边界再次进行有限元分析，通过调整9个非敏感参数的值来减小盈利集中忽然扭曲变形，以满足摇臂的整体疲劳强度和扭转刚度的要求。第三章 配气机构与摇臂之间的工作关系发动机是一种技术密集型产品，人们对主要运动件期望很高，而象摇臂这样的零件往往未能得到足够重 视。殊不知，摇臂的结构、精度对发动机配气系统的运 动有着不可忽视的影响。本文对此进行了分析、研究。3.1 发动机配气机构动力学特性的数值研究配气机构是柴油机中的一个重要部件 ，其性能的好坏将直接影响到整机的工作性能，因此配气机构动力学模型的研究是当前柴油机研究的主要方向之一。柴油机配气机构特别是摇臂，经常处在高温 、高速下工作 ，因此摇臂机构是发动机最容易发生故障的零部件之一。其中，摇臂与气门之间的间隙异常是最常见的一种故障，其后果将影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化。因此 ，对其间隙异常的早期发现和诊断是非常必要的。曲轴作为柴油机最大的部件 ，它的扭 转振 动特性对整机的可靠性、经济性、动力特性及噪声都有十分重要的影响。本章主要以柴油机配气机构和轴系系统为研究对象 ，研究配气机构的动力学特性采用理论分析和数值模拟的研究模式，重点对柴油机配气机构的动力学特性进行了研究。3.1 配气机构四质量模型的建立对于现代高速柴油机来说 ，传统的配气机构动力学计算往往不足以准确地描述配气机构各传动零部件的运动规律 ，因而在进行配气机构的动力学计算时 ，必须考虑到传动链的弹性变形。由于配气机构的整个传动链是由一系列几何形状和刚度、质量各不相同的零部件组成的，而且各零件部件之间在运动过程中还可以产生脱开现象，因此要精确描述它们的运动比较困难 ，一般需要建立一定的简化计算模型。大部分柴油机配气机构都采用顶置式气门机构 ，这种配气机构主要由凸轮、挺柱 、推杆、摇臂 、气门和气门弹簧组成 ，如图3-1所示 。四质量动力学模型比单质量动力学模型更能精确的反映出传动零部件的运动规律。在配气机构四质量动力学模型中，把传动链挺柱，推杆，摇臂，气门分别用四个集中质量来代替。这样就可以建立配气机构的四个质量模型。如图3-2所示；图3-1 顶置式配气机构图3-2 配气机构四质量模型该模型是按照配气机构实际的组成 (包括挺柱 、推杆 、摇臂以及气门)来建立的，挺柱、推杆、摇 臂和气门分别简化为四个集中质量 M ，M。，M。，M根据每个集中质量的受力分析，用牛顿第二定律，就可以列出配气机构四质量模型的运动微分方程。式中：M一集中质量矩阵； C一当量阻尼矩阵 K一当量刚度矩阵 一集中质量加速度矩阵； 一集中质量速度矩阵； 一集中质量位移矩阵； F一合外力向量矩阵。 具体微分方程为 ：3.1.1 配气机构四质量模型运动微分方程的求解及分析考虑到挺柱 、推杆 以及摇臂对气门运动的影响，配气机构四质量动力学计。采用四阶龙格一库塔法求其数值解，步长取05。以 6105Q柴油机为算例 ，用四质量动力学模型进行动力学计算，并且与相同配气机构单质量动力学模型进行对比，气门各参数见表 1、2。 根据以上数据 ，进行数值计算，求出了配气机构四质量动力学模型的气门运动的位移、速度和加速度的数值解。然后利用 Origin绘制了配气机构四质量动力学模型的气 门运动的位移、速度和加速度曲线。如图 33所示：图3-3 气门四质量转角加速度图通过观察和计算得出以下结论。1)在之间，凸轮处于缓 冲阶段 ，气 门的位移 、速度和加速度值都很小，工作比较平稳，振动不大。在，凸轮处于基本段 ，气门的位移 、速度和加速度值都很大 ，振动较大。 2)在时，气门开启 。从图上可以看出，在这一时刻 ，气门的位移、速度和加速度 ，尤其是加速度突然增大。这主要是由于凸轮从缓冲段过度到基本段 ，突然冲击气门造成的。在时，气门关闭，气门的位移 、速度和加速度急剧下降。这主要是由于凸轮转过最大位移后 ，突然撤去对气门的作用力造成的 。为了和配气机构单质量模型进行对比，现在仍以 6105Q柴油机配气机构为算例 ，分别采用单质量和四质量两种动力学模型进行数值计算。在取参数相同的情况下 ，对6105Q柴油机配气机构在凸轮轴转速在 1 500 rrain时进行了动力学计算 ，得出了在两种不同模型下的气门运动的位移、速度和加速度曲线 ，如图3-4所示。图3-4 气门单质量，四质量转角加速度图通过对上面3组曲线分析发现 ，用单质量和四质量模型得到的结果基本上还是一致的。这主要原因是由于气门是通过凸轮驱动的 ，在正常工作状况下，只要凸轮的外型轮廓曲线确定了，那么气门的运动规律也就大致上确定了。但由于凸轮并不直接作用在气门上 ，而是经过推杆、挺柱和摇臂等一系列的传动机构传递到气门上的，所以用单质量和四质量模型求得的气门运动规律还是有一定的区别的：1) 从图 6可以看出四质量模型比单质量模型更滞后一些 。这主要是由于单质量模型把配气机构的传动机构推杆、挺柱及摇臂统 一简化为一个集中质量 ，凸轮直接作用在气门上。而四质量模型，是按配气机构的实际模型建立的，把推杆、挺柱及摇臂分别简化为三个集中质量 ，凸轮直接作用在挺柱上，通过推杆及摇臂的传动传递到气门上的，因此四质量模型比单质量模型更滞后一些。2) 从图3可以看出四质量模型的计算结果气门关闭时刻没有反跳现象；而单质量模型的计算结果 ，气门有反跳现象。主要原因在于单质量模型把整个传动链集中为一个集中质量，由于质量的过分集中引起惯性过大而导致气门反跳的现象产生。3)从图4可以看出四质量模型的计算结果气门速度和加速度振荡较大 ，而单质量模型振荡较小。这主要是由于单质量模型把传动链简化为一个集中质量 ，凸轮直接冲击气门引起的速度 、加速度突变。而四质量模型，是由推杆 、挺柱和摇臂直接和间接冲击气门引起 的速度和加速度突变的，所以加速度波动较大。3.2 发动机摇臂对配气机构运动精度的影响发动机是一种技术密集型产品，人们对主要运动件期望很高，而象摇臂这样的零件往往未能得到足够重视。殊不知，摇臂的结构、精度对发动机配气系统的运动有着不可忽视的影响。3.2.1 摇臂运动的数学公式推导众所周知，发动机摇臂是一个杠杆机构，其一端作用于推杆，一端作用于气门。通常，摇臂的运动如图3-5，是用杠杆法则加以描述的，即：图3-5 摇臂运动图由于摇臂两端的运动是绕其轴心作圆弧运动，在摇臂比i1时 (一 般 i=11.5)，上述公式带来的误差是不容忽视的，显然有必要对公式进行修正。图3-6为摇臂实际运动模型。该模型气门端圆弧半径 r即摇臂与气门顶端接触处的圆弧半径；气门间隙调节螺钉与推杆接触点简化为铰链结构同样 ，推杆与挺柱的接触也简化为一铰链。根据图3-6，当推杆运动量为 h1时 ，摇臂转角为a，则气门端运动量为：图3-6 摇臂运动模型转角 a可以由图3-6模型结构导出：3.3 摇臂误差分析由式(4)可知，气门端移动量是摇臂长L1、L2，圆弧半径 r及凸轮升程 hi的函数。下面简单地对上述参数相互问的作用和对配气运动的影响进行分析。 (1) 凸轮升程 H1对H2的影响。从式(4)可知，H2是由线性部分和非线性部分组成的，在 r和 hi均不太大的情况下 ，气门端运动误差和H2和凸轮升程误差H1的关系可近似为：(2) 摇臂两端臂长L1、L2的影响。在式 (5)中，是误差的主要部分，摇臂比越大，则误差H1被放大得越多。当L1、L2偏离理论设计值时，i会相对设计值产生误差i，结果将使H2偏离设计值。以X160F柴油机为例，其 L1、L2理论设计值分别为25.5和29.5，公差取未注公差F级，用式（4）算列表 l。由表 l可知：两种极端情况下，h2的变化范围达 0.1056mm；摇臂比每改变0.01mm，气门端误差将近 0.1mm。(3) 圆弧半径 r的影响。r对 h2的影响是非线性的,其影响相对 hl和 i较小。但随着 hi的增大，它的影响增加较快。对 X160F柴油机而言，在 hl=6(最大升程)时，r每变化 lmm， 将随之改变 0.03mm。由此可见，只有在凸轮升程不太大的发动机上，r误差引起的 h2 可以忽略。(4)摇臂支点误差对其运动状态的影响。设摇臂的设计状态如图3-7实线所示。当摇臂支点偏离设计座标值 (如虚线所示情形)时，0 0， AA，。摇臂由水平向下偏转口,在其垂直面的投影位移量为，则：用X160F柴油机参数代入验算：设 e：2，Z1=255，L： 18o；9 口=0025，A =00111。这一结果表明摇臂座位置误差对摇臂状态的影响较小，但在推杆长度 L愈短的发动机上影响愈大。 (5)摇臂误差对气门运动的影响。对于对称凸轮,其升程曲线以及对应气门的升程曲线近似高斯正态分布曲线。摇臂误差会对气门升程、线速度和加速度造成误差，但不会影响其基本运动规律，从图3-8可以看出。摇臂误差对气门的开启时间是有影响的，当 j 0(或i0)时，与设定值相比，在相同的 h1下，h2将要大一些(或小一些)，这就导致摇臂排除问隙而推动气门的时间提前(或推后)。各种发动机由于摇臂结构、尺寸、精度不同，因摇臂误差而引起的气门运动速度、加速度及气门开启时间的变化，可以会有较大的差异。在校核气门运动时，对这一情况应特别注意。