1．目的及意义

随着柴油机向高功率、高强化方向的发展，配气机构对其燃烧特性和动力性能的影响备受关注。为了提高柴油机充气效率，降低残余废气系数，要求配气机构能够获得较大的气门时面值和丰满系数；应保证整个机构低噪声、平稳可靠工作，要求气门具有良好的运动规律，气门落座速度较低，加速度曲线连续平滑无突变，尽可能减小凸轮与挺柱表面的接触应力。

配气凸轮是整个发动机配气机构的驱动元件，它也是影响配气机构工作状况的关键，如何设计出具有合理外形的凸轮轴是整个配气机构没计中最关键的问题。凸轮型线影响丰满系数和配气机构的动力性、可靠性，同时还影响配气机构的噪声、润滑和磨损。配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设计参数

现今对柴油机的设计，一方面希望气门加速度较大，实现气门的迅速开关动作，从而达到最好的换气效果，以提高柴油机的动力性和经济性; 另一方面，希望载荷保持相对较小，以减小气门加速度，从而减少柴油机的振动和噪声，并延长使用寿命。二者互为矛盾，给配气机构的设计带来困难。而利用虚拟技术对配气机构进行动力学仿真，可为后续的配气机构设计工作提供依据，并大大提高了设计效率，起到了事半功倍的作用。

在整体式的函数凸轮型线中，高次方凸轮是目前应用较广的一种。当高次方凸轮的项数增加到七项以上，项数的增加对特征参数的影响不大，但会大大增加设计、计算、加工的工作量。在这里采用五项式的高次方凸轮进行型线的优化设计，优化时主要分析了各常数项对凸轮型线的丰满系数、凸轮最小曲率半径、最高速度、最大正加速度和最大负加速度的绝对值等参数的影响规律，使优化后的凸轮性能达到最优。

在所查阅到到的近年中内外文献中我们可以看到许多研究人员还是对该领域做出了突出的贡献。

在国内领域：

唐海娇利用AVL TD软件对发动机凸轮型线进行优化设计采用梯形函数形式的缓冲段，以及分段函数形式的工作段的函数凸轮，能够提高发动机中低速扭矩的性能，还有效降低了整机的开发成本和周期^[1]。任翠翠及其团队为了提高发动机燃油经济性，将传统的Otto循环发动机改型成为Atkinson循环发动机对配气正时机构进行再研究设计，利用进气凸轮轴的双VVT机构，在不同负荷与转速条件下进行了双VVT的优化控制设计。最后在台架试验机上，发动机成功完成了Atkinson循环的转换，最低油耗由原机的２５０ｇ／（ｋＷ·ｈ）降低到２３２ｇ／（ｋＷ·ｈ），且低油耗区向常用发动机工况移动，验证了配气机构设计方法的正确性和有效性^[2]。张磊及其团队利用TYCON软件对凸轮型线进行了运动学仿真分析，新设计的凸轮型线后，最大允许跃度值降低，最小弹簧裕度值提升到合理范围，这将使配气机构的可靠性有所提高。发动机在中高速端功率有所增加^[3]。张全逾析了各常数项对凸轮型线的丰满系数、凸轮最小曲率半径、最高速度、最大正加速度和最大负加速度的绝对值等参数的影响规律，使优化后的凸轮性能达到最优^[4]。程德彬及其团队采用AVL EXCITE TD对某高速柴油机新设计的配气机构建立单阀系模型，评价凸轮型线和配气机构各零件的动力学表现^[5]。刘耀东及其团队建立了基于 GT-Power 的整机热力学和阀系动力学联合仿真模型，并结合 Isight 多目标遗传优化算法，对发动机凸轮型线的 13 个设计变量进行了优化设计，该设计同时满足 8 个阀系的动力学约束函数，具有 5 个优化目标^[6]。李沐恒及其团队为了解决某型号发动机的气门在高速下存在跳动问题，利用AVLEXCITE TD软件对配气机构建模，并且优化凸轮型线。优化后改善了凸轮与挺柱接触应力、最大跃度等性能^[7]。陈新利用拉格朗日第二类方程建立了齿轮凸轮组合机构的动力学数学模型^[8]。陈安柱、许志鹏利用AVL EXCITE TD优化发动机配气凸轮型线改进凸轮型线后，气门升程丰满度提高5.4%，并且气门开启和关闭更加迅速，提高了换气效率，从而提高发动机功率。原凸轮在缓冲段和工作段的连接处过渡不好，导致气门跃度在这个地方过大，改进后凸轮型线更加平滑，最大跃度值也满足评价要求，可以减少挺柱和气门的振动，从而使整体机构工作更加平稳^[9]。杨英慧析现有内燃机配气凸轮理论与技术不足的基础上，开发了 n 阶导数连续，自变量为内燃机主要结构参数及运转参数，计算简便的变型双曲函数凸轮型线方程; 并开发了优化设计评价程序与仿真制造软件。所研制的内燃机变型双曲函数配气凸轮具有高速性好、丰满系数大、振动噪声小、工作平稳等特点^[10]。

国外领域：

Rayner R M C及其团队提出一种分层（多层次）设计优化方法，可实现动态优化，结合电机/驱动系统，针对新的设计和重新设计任务，基于逆向运动学和逆向动力学分析，以及生成满足运动质量指标但具有改进动态特性的空间机构性能实验[11]。Rubens Gonccedil;alves Salsa Junior在优化凸轮型线工程中采用微分进化的优化算法，解决了多维最小化问题，在降低了气门加速度峰值后，却降低了一定的丰满系数^[12]。Santosh A Rane用GT Power和Matlab在燃油气轮机模型下优化气门控制^[13]。C. Soffritt研究了摇臂推杆过度磨损的原因^[14]。Macklini Dalla Nora研究小型混合动力车上四顶置气门换气控制^[15]。