摘 要

配气机构是发动机中的一大重要机构，配气机构设计的好坏将直接影响到发动机的功率，燃油经济性，动力性，可靠性等重要性能，而在配气机构的设计中，凸轮型线的设计是重中之重，凸轮型线的设计会直接影响气门的运动规律，如何获得较大的充气和换气效率是凸轮型线的重要设计方向，但是提高充气效率往往会造成动力性能的下降。因此，如何平衡这两点就变成了凸轮型线设计的关键点。

本文在对国内外的研究现状进行了参考和分析的基础上，设计出了一条兼顾两者的凸轮型线优化方法。基本思路是先用最优化方法配合计算机辅助软件，设计出具有最高丰满系数的凸轮型线，之后将设计的凸轮型线带入专业分析软件进行动力学验证，从而保证动力学的基础上也能获得较大的充气和换气能力。

围绕着这条设计方案，本文以YT3105柴油机的配气凸轮为研究对象，进行了凸轮型线的优化设计。凸轮工作段选择高次多项式凸轮型线，项数取五项，缓冲段选择等加速-等速型线，以获得较好的缓冲效果。配气机构则采用了凸轮轴顶置式。

根据所选择的凸轮型线，构筑了以丰满系数为优化目标的优化模型，选择复合形法作为优化方法，将建立的目标函数和约束条件以及复合形法的源程序带入MATLAB软件，从而得到满足约束的丰满系数最高的凸轮工作段型线。

根据选择的配气机构类型，在AVL中建立单阀系模型，输入各项基本参数，根据优化得到的五项式高次方多项式凸轮型线，得出可以带入EXCITE Timing Drive中的七项式型线，并设计出缓冲段的数据，得到完整的凸轮以及配气机构的设计，对所设计的凸轮型线以及气门和弹簧等参数进行运动学和动力学的分析。

将得到的结果与原先的数据，以及国内外其他作者的优化结果进行比较后，得出凸轮型线的丰满系数比之前略有下降，但满足设计要求，动力学性能得到了大幅度的优化，与国内外其他学者的设计达到了同一水平，证明了优化后的凸轮型线是满足优化目标的。基本上达到了换气能力和动力学性能之间的平衡。

关键词：配气凸轮型线；复合形法；动力学；运动学

Abstract

The valve train is an important mechanism in the engine. The design of the valve train will directly affect the engine's power, fuel economy, power, reliability and other important performance. In the design of the valve train, the cam The design of the profile line is the most important. The design of the cam profile will directly affect the movement law of the valve. How to obtain a large inflation and ventilation efficiency is an important design direction of the cam profile, but increasing the inflation efficiency will often cause power. The performance is declining. Therefore, how to balance these two points becomes the key point of cam profile design.

Based on the reference and analysis of the research status at home and abroad, this paper designs a cam profile optimization method that takes both into consideration. The basic idea is to use the optimization method and computer aided software to design the cam profile with the highest fullness factor, and then bring the designed cam profile into the professional analysis software for dynamic verification, so as to ensure the dynamics can also be Get greater inflation and ventilation.

Around this design, this paper takes the valve cam of YT3105 diesel engine as the research object, and optimizes the cam profile. The cam working section selects the high-order polynomial cam profile, the number of items is taken as five items, and the acceleration-constant speed line is selected for the buffer section to obtain a better buffering effect. The valve train is equipped with a camshaft overhead.

According to the selected cam profile, an optimization model with the fullness factor as the optimization target is constructed. The complex method is selected as the optimization method, and the established objective function and constraint conditions and the source program of the complex method are brought into the MATLAB software. The cam working segment profile with the highest fullness factor of the constraint.

According to the selected type of valve train, a single valve system model is established in AVL, and various basic parameters are input. According to the optimized penthouse high-order polynomial cam profile, seven items that can be brought into EXCITE Timing Drive are obtained. The type of line and the data of the buffer section are designed to obtain the complete cam and the design of the valve train. The kinematics and dynamics of the designed cam profile and the parameters of the valve and spring are analyzed.

Comparing the obtained results with the original data and the optimization results of other authors at home and abroad, it is concluded that the fullness coefficient of the cam profile is

slightly lower than before, but the design requirements are met, and the dynamic performance is greatly optimized. It has reached the same level as other scholars at home and abroad, and proves that the optimized cam profile meets the optimization goal. The balance between ventilation capacity and kinetic performance is basically achieved.

Key words:valve cam profile;composite method; dynamics; kinematics

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容和目标 2

1.4 技术方案 3

第2章 理论基础 4

2.1配气机构的设计 4

2.1.1 配气机构的类型 4

2.1.2 配气机构的零件 5

2.1.3 配气机构的评价 6

2.1.4 配气机构的动力学分析 6

2.2 凸轮型线的设计 8

2.2.1 工作段的设计 8

2.2.2 缓冲段的设计 9

2.2.3 凸轮型线的评价 10

2.4 复合形法的原理 11

第3章 凸轮型线的优化设计 12

3.1 凸轮型线的数学建模 12

3.1.1 工作段的数学模型 12

3.1.2 缓冲段的数学模型 13

3.2 凸轮型线的优化设计 13

3.2.1 目标函数的建立 13

3.2.2 约束条件的建立 14

3.2.3 优化设计的实现 14

3.3 本章小结 15

第4章 配气机构的动力学分析 16

4.1 配气机构模型的建立 16

4.2 凸轮型线的运动学分析 17

4.3 配气机构的动力学分析 19

4.4 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 主要工作及总结 21

5.2 对未来的展望 21

参考文献 22

致谢 24

绪论

研究背景、目的和意义

柴油机作为车用内燃机已经有很长的发展历史，自1976年大众在高尔夫轿车上采用柴油机以来，由于其功率大，经济性好，在尤其是大型车辆上得到了广泛的使用。近几年来，随着环境问题的恶化，排放法规日益严格，柴油机的改进成为了研究的热门。作为两大内燃机机构之一的配气机构，其性能对于柴油机的经济性，动力性，可靠性和耐久性都有着重要的影响。由于凸轮型线的设计较为灵活，对于发动机的动力，噪声，排放等都有较大的影响，凸轮型线优化设计成为了配气机构设计的一大重点。为了解决增大气门加速度以达到更好的充气效率和减小载荷以获得较小的振动和噪声之间的矛盾，凸轮型线的优化尤为重要。

国内外研究现状

在汽车工业的发展历程中，配气机构也得到了长足的发展，从最初的经验设计到理论分析，引入各种算法和软件程序，模型越来越复杂，从静态分析到动态分析，从刚性系统到弹性系统，分析逐步深入，也越来越接近真实的情况。

近几年来，国内研究取得了大量的进展。江苏大学的闫军朝将挺柱对配气机构的影响简化为一个二质量模型，简明地描述出了配气机构的动力过程，并比起单质量模型更符合试验。利用BOOST等专业软件分析，最终得出了优化过的配气相位^[1]。程德彪等人对气门进行了有限元网格的划分，计算得到了进气门与排气门的刚度，并用专业的分析软件AVL EXCITE Timing Drive建立了配气机构的单阀系计算模型，对配气机构的气门受力和气门升程等动力学因素进行了分析，验证了配气机构设计的合理性^[2]。沈阳理工的王素梅通过比较两种优化方法，得到了各种转速下的配气相位最优解，并用优化后的配气相位对凸轮型线进行设计^[3]。武汉理工大学的李志厚在GT-SUITE中模拟了顶置凸轮试验平台，对气门升程，凸轮型线丰满系数，凸轮与从动件的接触应力，弹簧受力进行了全面的校核，验证了设计满足试验要求^[4]。华中科技大学的方程硕士把有限元分析和实体建模的方法引入了配气机构的设计中，在ANSYS Workbench中对配气机构的主要零件进行了实体建模，并组成了多柔体动力学系统，对凸轮机构的瞬态动力学进行了分析，评估了凸轮的摩擦损耗和寿命^[5]。

在凸轮型线的优化方面，各大高校和研究机构的学者们也进行了充分的探讨。聊城大学的穆以东和屈鹏用GT-POWER构建出了凸轮轮廓的数学仿真模型，计算出了气门正时对功率的影响并返还给优化算法，以得出凸轮轮廓的数据^[6]。攀枝花学院的张敬东教授和湖南科技学院的罗哲以及吉林大学的张治国都应用了MATLAB的编程以及优化功能对凸轮型线进行了优化设计。张教授构建了以丰满系数为目标的五项式高次凸轮型线，通过使用MATLAB优化工具箱得到了具有较大丰满系数的凸轮型线^[7]。罗哲硕士则采用了N次谐波逼近的方法，得到凸轮的升程曲线。拟合后的型线加速度速度曲线平顺光滑，验证了结果的可靠性^[8]。张治国硕士更是在这基础上将型线带入了TYCON的配气机构模型，通过动力学计算验证了型线的可靠性^[9]。陕西的丁佳硕士综合使用了GT和AVL软件通过系统动力学分析更准确地得出了优化后的凸轮型线对发动机性能的影响，优化后的型线无飞脱，具有更好的气门座落力和速度加速度性能^[10]。北京理工大学的侯庆东教授借助B样条法构建凸轮型线，B样条曲线采用顶点控制形成曲线，具有较高的灵活性，可以更好地实现计算机编程，最终在不改变动力学性能的基础上优化了充气性能^[11]。盐城的陈安柱设计了四种凸轮型线的方案，并在EXCITE中通过运动学和动力学计算分析了它们之间的优劣，最终确定了凸轮型线^[12]。

国外对于配气机构和凸轮型线的研究起步更早，更加成熟，近几年也有不少优秀的研究成果。Kim等人将研究的重点放在了凸轮型线对排放的影响上，尤其是氮氧化物和烟气，粒子图像测量表明非对称凸轮型线可以提高气缸内漩涡比，从而改善排放的平衡^[13]。Andreatta提出了一种简化的凸轮运动模型，可以用较小的工作量实现较为准确的凸轮动力学计算，为发动机的热分析提供基础的气门升力曲线^[14]。Armentani等人用Ims虚拟实验室软件建立了一种汽车发动机配气机构的多体模型，以分析其共振振动特性。通过数值模拟与试验得到规律对比分析了载荷情况，评估了气门的弹跳和凸轮飞脱等^[15]。Vasilyev提出了改进的内燃机配气机构应力负荷估计方法。开发了用于配气机构动力学研究的通用仿真模型。它可以使设计方案结构发生变化，并有效地改变其参数，使其保持简单并指定配气机构中的负载^[16]。Shahriman通过B样条法设计出了具有较高位移因子的凸轮型线，从而提高发动机的运行性能^[17]。凸轮型线的优化依然是配气机构设计中的一个重点，在未来也会有较大的发展前景。

研究内容和目标

本文将基于给定的条件，用复合形法对YT3105柴油机的凸轮型线进行优化设计。在得到的凸轮型线基础上，设计出完整的配气机构，并进行动力学校核以得到最终的凸轮型线。

技术方案

凸轮型线的复合形法优化将在MATLAB中实现，MATLAB有较为方便的函数编写功能，并自带优化工具箱方便优化设计。配气机构的动力学分析将借助专业的汽车工业分析软件AVL EXCITE Timing Drive实现，凸轮型线优化的流程如图1.1所示：

图1.1 配气凸轮型线的一般设计流程

理论基础

2.1配气机构的设计

配气机构设计的主要目标是使气缸具有良好的换气能力，有较高的充气效率，换气时具有较小的损失，在保持发动机动力性和经济性的基础上，其本身应该能够平稳工作，并尽量降低噪声。

2.1.1 配气机构的类型

配气机构的形式在内燃机的发展过程中经历了多次变化，一般而言，配气机构是由一根或多根凸轮轴驱动气门的运动来控制进气和排气的。凸轮轴的转动受曲轴转动控制，中间通过齿轮、皮带、链条等机构传递运动。

配气机构的分类一般是通过凸轮轴或者气门在配气机构中的位置来区分的，按照气门的位置可以分为侧置气门式和顶置气门式，其中，侧置气门式因为充气效率低下，火焰需要较长的距离传播等原因已被淘汰，顶置气门式按照凸轮轴的位置又可以分为侧置凸轮轴式、中置凸轮轴式和顶置凸轮轴式，它们的结构如图2.1所示：

图2.1 配气机构的分类和结构

凸轮轴下置式配气机构中，凸轮轴位于曲轴箱内，曲轴通过齿轮直接把转动传递给凸轮，气门传动组凸轮轴通过推杆与挺柱与摇臂相连，控制气门的运动。这种布局方案下曲轴直接驱动凸轮轴，能够较为可靠地控制凸轮轴的运动，在早期的内燃机中，这种配气机构得到了广泛的使用。但因为结构较为复杂，存在大量零件，不能自由改变配气相位，在新式内燃机中逐渐被其他配气机构所取代。

凸轮轴中置式与下置式的区别在于凸轮轴位于气缸的中部，曲轴与凸轮中之间通过皮带来传递转动。凸轮轴中置式有着接近于凸轮轴下置式的优点和缺点，因此在现代发动机中使用也减少了。

凸轮轴顶置式是现代发动机中较为常用的布局形式，按照凸轮轴的数目不同有双顶置凸轮轴和单顶置凸轮轴之分，按照不同的驱动形式可分为摇臂驱动，摆臂驱动和直接驱动。由于没有使用推杆，发动机的结构得到了很大的简化，节省了空间，高速适应性更好。相比于另外两种配气机构的形式，顶置式更容易实现电控化，可以引入VVT和VVL技术，在新型发动机中得到了大量的使用。

2.1.2 配气机构的零件

配气机构的形式有很多种，结构也各不相同，但主要零件都是以下几种：

1. 凸轮轴

凸轮轴是配气机构中的直接驱动件也是设计的重点，在四冲程发动机中，曲轴转两圈，凸轮轴相应地转一圈。凸轮轴的配气相位和凸轮型线对发动机的动力性，经济性有较大的影响，在排放和降噪方面，凸轮型线也是一个设计的重点。

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