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基于matlab的凸轮优化设计.pdf
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摘 要
配气机构是内燃机的重要组成部分,配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零
件,如何设计和加工出具有合理型线的凸轮是整个配气系统设计中最为重要的问题。
文章首先对凸轮进行分段设计,然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方
程凸轮运动规律设计通过 Matlab 软件进行凸轮型线的优化设计,根据摇臂比计算气
门运动规律,然后通过变摇臂比对凸轮运动规律进行反求,借鉴高次方程的凸轮设计
经验,得出一种凸轮设计的新方法,对气门运动规律进行优化设计,将新设计凸轮型
线与原始凸轮型线进行对比,分析出新设计比原设计上在升程、速度和加速度方面所
得到的提高,据此得出新设计对配气机构乃至整车所发挥的作用。
关键词:凸轮;高次方程;变摇臂比;优化设计
ABSTRACT
It is the importance of the internal combustion engine to constitute part to go together
with to annoy organization, go together with to annoy a cam is to decide to go together
with the key spare parts of annoying the organization work function, how design and
process to submit the cam of having the reasonable type line is the most important problem
in the whole design that go together with to annoy system.
The article carries on a cent to the cam first segment design, then make use of the
biggest speed and the biggest acceleration position exercises according to Gao power
distance cam the regulation design carry on a cam type through a Matlab software line of
excellent turn a design, according to shaking an arm ratio to compute air valve sport
regulation, then pass and change and shake arm compare exercise to the cam the regulation
carry on anti- beg, draw lessons from Gao power distance of cam design experience, get a
kind of cam design of new method, to air valve sport the regulation carry on excellent turn
a design, will lately design a cam type the line and original cam type line carry on contrast
and analyze lately design ratio original design up gain in the aspects of rising distance,
speed and acceleration of exaltation, on these grounds get a new design to go together with
to annoy organization is to the whole car develop of function.
Key words: cam; high index number equality; proportion of changing; optimization design
目 录
1 绪论 .................................................................. 1
1.1 配气凸轮结构形式及特点 ...................................................................................... 1
1.1.1 等加速凸轮 .................................................................................................... 1
1.1.2 组合多项式型 ................................................................................................ 2
1.1.3 高次方凸轮 .................................................................................................... 2
1.1.4 多项动力凸轮 ................................................................................................ 2
1.2 配气机构动力特性计算模型 .................................................................................. 3
1.2.1 单质盆模型 .................................................................................................... 3
1.2.2 二质量模型 .................................................................................................... 3
1.2.3 多自由度模型 ................................................................................................ 3
1.2.4 有限元模型 .................................................................................................... 3
1.3 配气凸轮型线设计国内外研究现状 ...................................................................... 4
1.4 配气凸轮优化设计方法 .......................................................................................... 5
1.4.1 静态优化设计 ................................................................................................ 6
1.4.2 动态优化设计 ................................................................................................ 6
1.5 凸轮优化设计总结 .................................................................................................. 7
1.6 课题研究主要内容 .................................................................................................. 8
2 基于高次方程凸轮型线设计 ............................................................................................ 9
2.1 普通高次多项式凸轮型线的设计 .......................................................................... 9
2.1.1 缓冲曲线的设计 .......................................................................................... 10
2.1.2 工作段运动曲线设计 .................................................................................. 12
2.2 高次多项式凸轮的新型设计方法 ........................................................................ 14
2.3 汽油发动机凸轮型线的改进设计 ........................................................................ 15
2.3.1 汽油机配气凸轮型线设计的原则 .............................................................. 15
2.3.2 发动机进气凸轮的改进设计 ...................................................................... 16
2.3.3 改进凸轮型线设计的 MATLAB 实现........................................................ 17
2.4 本章小结 ................................................................................................................ 19
3 基于高次方程的气门理想运动规律计算 ...................................................................... 20
3.1 气门设计理论基础 ................................................................................................ 20
3.2 气门运动规律要素 ................................................................................................ 20
3.2.1 气门有准确的配气相位 .............................................................................. 20
I
3.2.2 良好的充气性能 .......................................................................................... 20
3.2.3 工作平稳 ...................................................................................................... 20
3.3 气门运动规律的设计 ............................................................................................ 21
3.4 本章小结 ................................................................................................................ 21
4 利用变摇臂比反求凸轮型线 .......................................................................................... 22
4.1 计算变摇臂比 ........................................................................................................ 22
4.1.1 摇臂的运动学分析 ...................................................................................... 22
4.1.2 摇臂比的计算 .............................................................................................. 23
4.2 确定凸轮的升程函数 ............................................................................................ 24
4.3 分析原设计与变摇臂比设计 ................................................................................ 24
4.4 本章小结 ................................................................................................................ 26
5 总结与展望 ...................................................................................................................... 28
5.1 总结 ........................................................................................................................ 28
5.2 展望 ........................................................................................................................ 28
参考文献 ............................................................................................................................. 30
致 谢 ............................................................................................................................. 32
II
天津职业技术师范大学 2011 届毕业生毕业设计
1 绪论
近年来我国经济快速发展,人民生活水平迅速提高,我们对生活质量也提出了越
来越高的要求。但我们周围的生活环境却越来越恶化——全球气温变暖,酸雨不断致
使植物死亡等,都在一步一步的威胁着我们人类的生存。据统计,90%以上的污染来
自内燃机的废气排放。所以要改善我们的生活环境,其首要的任务就是降低、限制内
燃机的废气排放。低污染、低油耗、大功率、大扭矩的内燃机也就是我们的追求目标。
配气机构是内燃机的重要组成部分,配气机构的好坏对内燃机的性能指标有着很重要
的影响。一般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。与此同时,配气机构还应具有良好的动力性,工作时运动平稳。振动和噪声
较小,不出现严重的磨损等现象。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,以及不太大的正、负加速度值。而整个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,凸轮型线设计的优劣对发动机的充气性能和动力性能的影响
更大
[13]
。
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。本文将从优化配气凸轮型线设计的角度进行配气机构的优
化设计
[15]
。
1.1 配气凸轮结构形式及特点
配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件,如何设计和加工出具有合理型线
的凸轮轴是整个配气系统设计中最为重要的问题。对内燃机气门通过能力的要求,实
际上就是对由凸轮外形所决定的气门升程规律的要求,气门开启迅速就能增大时面
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,
应该观察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发动机配气凸轮外形的设计也就是对凸轮从动件运
动规律的设计。从动件升程规律的微小差异会引起加速度规律的很大变动,在确定从
动件运动规律时,加速度运动规律最为重要,通常用其基本工作段运动规律来命名,
一般有下面几种:
1.1.1 等加速凸轮
等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式,其中又可分为两类,
1
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