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发动机配气机构系统动力学研究 申报人：周海 指导老师：刘鹏 文摘：配气机构是发动机中的一个重要组成部分，其工作性能的好坏直接关系到整机的运行状况，虽然配气机构的主要功能是进排气量但其对整机的影响不仅限于此，配气机构的也是要急需关注的问题在设计中，配气机构的动力学性能和各零部件强度都要符合相关要求。本文是以一单缸机配气机构为研究对象参数如： 1066rpm 冲程330mm 气缸直径270mm 连杆长 660mm 进气阀升程 21mm 排气阀升程 27.7mm 进气阀间隙 0.5mm 排气阀间隙 0.9mm 进气阀有效开启正时 310° 进气阀有效关闭正时 545° 排气阀有效开启正时 130° 排气阀有效关闭正时 410° 摇臂比1.5 本文工作主要集中在运用专业软件TYCON进行配气机构模型的建立和仿真，从动力学角度分析研究配气机构的特性虽然现今出现了很多配气机构的新技术，像可变配气机构，其可变的范围包括气门正时可变、气门升程可变、气门开启延续时间可变等，一些汽车公司研究的对象也各有侧重点。但在配气机构的研究上，都离不开运动学和动力学的研究，运动学仅仅考虑理想的状况，把零部件都看成刚性体，整个系统没有变形和弹性，忽略系统摩擦和阻尼能量损耗，其分析的结果仅能得到一些基本的位移、速度、加速度和力参数，一般以凸轮型线的正加速度宽度、阀系的自振频率、凸轮与从动件的接触应力、凸轮的曲率半径、弹簧裕度、丰满度、润滑系数等为运动学评价指标，而动力学模型考虑的因素更多，把物体都简化成有集中质量、刚度和相对阻尼的弹性质点，考虑了各零部件的接触和变形，动力学分析的结果可以得到很多更符合实际情况的一些信息，可以考察凸轮从动件的脱离接触、弹簧各有效圈动力特性、阀面落座反跳和冲击等情况。运动学中要输入的参数也较少，工作量小，但动力学中要考虑的因素较多，输入的参数也多，工作量大。对于低速或低载发动机的配气机构，其运动学和动力学分析的结果差异不是很大，气阀升程、速度和加速度曲线的整体趋势相差无几，两者吻合较好，但在高速或重载发动机中，由于必须考虑配气机构系统零部件的相互影响问题，其动力学和运动学分析结果有很大差异。一般情况下，先通过运动学设计出初步符合要求的凸轮型线，再进行动力学分析加以验证和修正，不断的反复调试出最优化的配气机构动力学性能。 图1 配气机构的动力学模型其中动力学模型的模拟设置以两个循环（即凸轮轴转角720°）为其计算长度，步长取为0.5°。为与运动学模型的结果作比较，将其两者分析结果叠加在一张图上显示。 （1）气阀升程的比较 图气阀升程曲线的对比 从图可知，实际气阀的最大升程为26.3355mm，与理论的设计值27.7mm出现了偏差，这说明动力学分析是对气阀升程有影响的，另外，只从气阀升程曲线看，气阀没有出现明显的反跳现象。 （2）气阀速度的比较 图3气阀速度的对比 从图可以看到动力学分析气阀速度曲线震荡，而运动学分析没有这一现象，但两者的曲线趋势比较一致。 气阀加速度的比较 图 气阀加速度的对比从图可以看到动力学分析气阀速度曲线震荡，运动学分析。（）凸轮接触应力的比较 图凸轮接触应力的对比 从图可知，在凸轮的工作段没有飞脱现象的出现。 （）气门落座力 图 气门落座力曲线从图可知，气门落座时有轻微的落座力突然增大的现象。可知气门出现了反跳。适当增大凸轮下降侧的缓冲段的长度可以避免这种现象。这里要说明的是，上述运动学和动力学分析采用的都是对称型的凸轮型线，由于配气机构的性能要求对凸轮的上升侧和下降侧是不同的，在实际中往往采用非对称型的凸轮型线，并要根据各种指标的要求和重要程度进行凸轮型线的调整和优化，这需要反复调试和对比配气机构的各项动力学指标参数（如气阀的位移，速度，加速度，）均在相应的数量级范围内，故计算的结果具有一定的参考价值。 本文的凸轮型线设计，只考虑了在设计转速下的情况，没有考虑在不同转速下配气机构动力学性能的变化，通过多工况计算，有助于了解动力学结果随转速的变化趋势，从而可以推算出该阀系的适用转速范围，并且可以对超速极限工况进行分析，总之，多工况计算必然可以提供很多的分析结果，可以为凸轮型线的设计指明需要修正的方向。 路琼琼,李智,雷晶. 内燃机配气机构技术现状及发展[J]. 机械,2009,04:1-4. 马钢. 内燃机配气机构技术现状及发展[J]. 太原科技,2008,12:86-87+89. 张彤,杨建梅,张良,张彧. 配气机构仿真分析及其可靠性研究[J]. 工程图学学报,2008,05:18-23. 成晓北,倪宏俊,王宇业,黄立,胡云,黄承福. 柴油机配气机构动力学特性的仿真与试验[J]. 车用发动机,2011,01:70-74. .....页