摘 要

配气机构是柴油机的重要组成部分之一。它的作用是按照内燃机每个气缸的工作次序和配气相位完成进气和排气过程，并在压缩行程和做功行程时保证气缸的密闭性。我们对配气机构有以下要求：内燃机应具有良好的换气性能，有较高的冲量系数，并且可靠性好、动力性好、经济耐用。近二十年来，市场要求发动机变得更加高效，且转速更快，人们对配气机构性能指标的要求也越来越高，在更高效和高速的条件下，配气机构可以更加可靠地运行。

本文主要是先设计三种常见的配气凸轮的轮廓曲线，再代入原有的2100T柴油机配气机构并进行动力学分析，比较每个凸轮型线的模拟结果以获得最佳解决方案。首先，利用CATIA将2100T的原始配气机构的3D模型建立出来，再利用CAD将2100T柴油机的原始凸轮曲线进行数据导出，经过计算得到它的转角升程表，利用CATIA在添加零件材料后的到零件的质量、惯性矩、弹性模量、泊松比等参数，最后将这些参数导入AVL EXCITE Timing Drive软件中，以创建配气机构多质量模型。

改变凸轮型线为原始四圆弧凸轮曲线，多项式高次方方程曲线，等加速度方程曲线进行动力学特性对比，并分析不同凸轮型线对气门运动规律、气门落座力，凸轮与挺柱接触应力等参数的影响。确定最佳的一组轮廓为多项式高次方曲线，与原来的凸轮配置相比，有了很大的改进。

关键词：2100T柴油机；配气机构；动力学分析；凸轮型线优化设计

Abstact

The valve train is one of the important parts of the engine. Its role is to complete the intake and exhaust processes according to the working sequence and the valve phase of each cylinder of the internal combustion engine, and to ensure the tightness of the cylinder during the compression stroke and power stroke. The performance of the gas distribution mechanism mainly has the following requirements: the internal combustion engine should have good gas exchange performance, a high impulse coefficient, and good reliability, dynamic performance, economy, and durability. In the past two decades, the market has demanded that the engines become more efficient, and the speed is faster, and people's requirements for performance indicators of the counterfeit mechanisms are also getting higher and higher. Under more efficient and high-speed conditions, the valve trains can operate more reliably.

This paper mainly designs the three common profiles of the gas distribution cams, and substitutes them into the existing 2100T diesel engine gas distribution mechanism and performs dynamic analysis. The simulation results of each cam profile are compared to obtain the optimal solution. First, the 3D model of the 2100T original valve train was established using CATIA, and then the original cam curve of the 2100T diesel engine was exported using CAD data, and its corner lift table was calculated to use CATIA to add the part material. Parts such as mass, moment of inertia, elastic modulus, Poisson's ratio, etc., are imported into the AVL EXCITE Timing Drive software to create a multi-mass model of the valve train.

Change the cam profile to the original four-arc cam curve, polynomial higher-order square equation curve, isokinetic equation curve to compare the dynamic characteristics, and analyze the different cam profiles on the valve movement law, valve seating force, cam and tappet contact stress The influence of other parameters. Determining the best set of contours for the polynomial higher-order square curve has been greatly improved compared to the original cam configuration.

Key words：2100T diesel engine；valve train；dynamic analysis；cam profile design

目录

摘要 i

Abstact ii

第 1 章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2配气机构动力学分析国内外研究现状 1

1.3配气机构新技术 2

1.4主要研究内容 2

第 2 章 配气机构分析的理论基础 4

2.1配气机构动力学模型 4

2.2配气凸轮优化设计方法和评价指标 5

2.3本章小结 6

第 3 章 配气机构凸轮型线的设计 7

3.1凸轮型线缓冲段的设计 7

3.2凸轮型线工作段设计 7

3.3本章小结 11

第 4 章 配气机构动力学分析 13

4.1 AVL EXCITE Timing Drive软件介绍 13

4.2单阀系配气机构分析 13

4.3整体配气机构分析 17

4.4本章小结 26

第 5 章 总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

参考文献 28

附录 30

致谢 35

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义

中国是一个农业大国，本文所研究的2100T发动机是一款拖拉机的发动机，在现代化的进程中起着非常重要的作用。在我国农业机械化的进程中有着极为重要的作用。而配气机构是发动机必不可少的一部分，它设计的好坏与否直接关系到柴油机的经济性、动力性、可靠性、稳定性以及排放性能。近二十年来，市场要求发动机变得更加高效，且转速更快，人们对配气机构性能指标的要求也越来越高，在更高效和高速的条件下，配气机构可以更加可靠地运行。配气凸轮轮廓曲线是配气机构的核心部分，配气凸轮轮廓曲线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。在汽车发动机气门机构和凸轮的设计中应该考虑几个因素，它们可以简单地分为流体动力学和机械动力学。其中气门最大升程最要是流体动力学计算得到，而凸轮的轮廓曲线主要是通过整个配气机构的动力学分析而进行优化的。

1.2配气机构动力学分析国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

对于柴油机气门机构的研究，国内外学者做了大量的工作。 在20世纪50年代和60年代，国外率先使用模拟技术和多质量模型以及刚柔体模型来模拟发动机配气机构的分析。在21世纪，在设计新的配气机构时，仿真技术有效的预测了配气机构动态特性的正确性。H. S. Jeon等人通过使用两步优化技术可以改善凸轮轮廓。优化的凸轮可以增加气门升程面积，同时降低凸轮加速度和峰值推杆力^[1]。T Tomoda等人引入的可变气门正时和升程系统可以灵活地改变管理各种发动机工况下发动机燃烧的发动机参数 。可变气门正时和升程的影响，以提高柴油机的热效率，同时保持低排放水平^[2]。Justin Flett等人研究了柴油内燃机气门机构故障的FDD。利用发动机循环平均和带通滤波提高信噪比后，提出了一种新的特征生成方法^[3]。Muhammad Umar等人开发了基于摩擦和润滑分析的详细数学模型来预测直动和滚子从动气门机构的凸轮/从动件接口处的闪蒸温度。在考察中考虑了闪蒸温度摩擦力，特别是在直动式气门机构的情况下，可以提高发动机气门机构的性能^[4]。Dong-Joon Chun等人研究了OHC型气门机构刚度对气门机构特性的影响，并根据凸轮轴支架的刚度变化研究了气门升程，速度和加速度变化^[5]。

1.2.2国内研究现状

我国对发动机配气机构研究的相对较晚，但也有大批研究人员和工程师对其进行了深入的研究。孙利魏等人等人根据凸轮运动学分析对凸轮型线采用了分段函数法进行设计，可以使凸轮在各工作段满足约束条件，同时尽最大可能提高凸轮的进气性能^[6]。在配气机构的设计阶段或凸轮型线的改进方面，李恒宾采用虚拟技术模拟气门机构的动力学来检查设计结果，可以提高效率，节约成本^[7]。程德彬等人等人通过专业分析软件AVL EXCITE Timing Drive 软件构建某高速柴油机配气机构运动学和动力学模型^[8]。杨周等人提出了解决气门机构共振失效问题的实用方法^[9]。任翠翠等人结合阿特金森发动机的特点对进排气凸轮型线重新设计解决了原机凸轮型线跃度值过大的问题^[10]。刘学良等人为应用电磁驱动配气机构的单缸汽油机设计了电控系统，通过自身参数灵活地调节进气量，使发动机运行 在目标转速^[11]。贺大松等人通过将摇臂调整螺钉改进设计为液压挺杆，自动调节和控制气门间隙为零间隙，避免摇臂和气门之间产生机械碰撞和敲击，减小了噪声，取得了良好效果^[12]。张力等人利用气门分段函数加速度法设计的双凸轮配气机构通过了外特性和强化耐久实验，并在国内第一次取得了产业化^[13]。彭菊生等人研制了一种有良好配气性能的柔性机构，为柔性液压挺柱全可变配气机构，它在发动机各个工况有良好配气性能^[14]。曹佳骏等人采用CAE、简单计算及材料加工工艺分析，进行某型柴油机配气系统中挺柱材质和推杆外形的改进，解决了某型柴油机挺柱，推杆和球头异常磨损、弯曲的质量问题^[15]。根据动圈式电磁驱动配气机构的结构特点和工作原理，范新宇等人提出了一种基于动圈泵吸效应的电磁驱动配气机构温升抑制方案，并根据对流传热理论以及气隙通道的流场仿真论证了方案的可行性^[16]。