摩托車發(fā)動機VVT機構搖臂設計與有限元分析-畢業(yè)設計

1、畢業(yè)設計（論文） 題 目 摩托車發(fā)動機VVT機構搖臂設計與有限元分析 院 （系） 機械與動力工程學院 專業(yè)班級 學生姓名 學號 指導教師 職稱 高 工 評閱教師 職稱 講 師 201_年 月 日 注 意 事 項 1.設計（論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.

2、附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它學生畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明 本人以信譽聲明

3、：所呈交的畢業(yè)設計（論文）是在導師的指導下進行的設計（研究）工作及取得的成果，設計（論文）中引用他（她）人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨立完成，不包含他人成果及為獲得重慶科技學院或其它教育機構的學位或證書而使用其材料。與我一同工作的同志對本設計（研究）所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 畢業(yè)設計（論文）作者（簽字）： 年 月 日 摘要 摘 要可變配氣技術（VVT）屬于當前發(fā)動機新技術發(fā)展方向之一。本文針對某單頂置凸輪軸型的125ml汽油發(fā)動機，進行可變配氣機構設計。在國內(nèi)外VVT 技術的基礎上,設計了一種適合中、小排量摩托車發(fā)動機單頂置凸

4、輪軸VVT 機構。該機構主要由雙進氣凸輪、雙進氣搖臂及其正時切換機構組成,低速凸輪在發(fā)動機低速、低負荷工況時驅(qū)動低速搖臂控制進氣門,高速凸輪在發(fā)動機高速、高負荷工況時驅(qū)動高速搖臂控制進氣門。主要完成VVT機構的搖臂設計，包括進氣低速搖臂設計、進氣高速搖臂設計與排氣搖臂的設計；同時對該可變配氣機構的進氣低速搖臂、進氣高速搖臂進行有限元分析，著重分析搖臂在高低速工況及其切換時所受的沖擊力以及對搖臂和整個可變配氣正時機構的影響。最后根據(jù)分析結(jié)果提出搖臂改進措施，重新優(yōu)化設計。關鍵詞：可變配氣機構 進氣低速搖臂 進氣高速搖臂 有限元分析 優(yōu)化設計 I ABSTRACT ABSTRACTNow Vari

5、able Valve Timing(VVT) is becoming the development direction of new engine technology. Variable value mechanism is designed according to the 125ml gasoline engine with single overhead cam shaft. On the basis of VVT technology at home and abroad, one VVT mechanism has been designed with single overhe

6、ad camshaft that meets the engines of small and medial displacement. The mechanism mainly includes double inlet cams, double arms, and timing switching mechanism. When it is at low load and low engine speed, low speed cam drives low-speed rocker to control the intake valve. When it is at high load a

7、nd high engine speed, high speed cam drives high-speed rocker to control the intake valve. This work includes VVT mechanism rocker design which contains intake rocker design of low speed and high speed and exhaust rocker design, the rocker force at low speed and high speed by finite element analysis

8、, the influence between the rocker and the switching mechanism. Finally, optimization design is finished according to analysis result.Keywords: Variable Valve; Low intake rocker; High-speed intake rocker; Finite Element Analysis; Optimized design II 目錄目錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.1 VVT技術發(fā)展11.1.1 VVT技術11.

9、1.2 國內(nèi)外VVT發(fā)動機的研究現(xiàn)狀11.2 可變配氣正時發(fā)動機（VVT）的基本技術和原理21.2.1可變配氣正時發(fā)動機（VVT）基本技術和原理21.3 VVT技術對發(fā)動機性能的影響41.4 可變配氣正時發(fā)動機(VVT)改進措施41.4.1 無凸輪軸可變配氣正時機構41.4.2 變換凸輪型線的可變配氣正時機構61.4.3 改變凸輪軸相角的可變配氣正時機構61.4.4 改變凸輪與氣門之間聯(lián)結(jié)的可變配氣正時機構71.4.5 電控液壓挺柱式可變配氣正時機構91.4.6 其它可行機構92 有限元分析理論102.1 有限元動力分析簡介102.1.1 有限單元法的特點102.2 平面結(jié)構問題的有限元分析1

10、02.2.1 簡單三角形單元的位移模式103 VVT零件設計123.1摩托車發(fā)動機VVT機構搖臂的設計123.1.1 搖臂的工作原理123.1.2 搖臂的結(jié)構123.1.3 搖臂比123.1.4 搖臂潤滑123.1.5 搖臂材料的選用123.1.6 搖臂與凸輪軸間接觸應力的計算124 摩托車發(fā)動機VVT機構有限元分析16 4.1 有限元分析模型164.2 未切換時低速搖臂受力最大時分析結(jié)果164.3 切換時高低速搖臂接觸受力分析結(jié)果175 結(jié)論19參考文獻20致 謝21附 錄22 緒論 1 緒 論1.1 VVT技術發(fā)展 1.1.1 VVT技術可變的配氣相位（VVT）技術改變了傳統(tǒng)發(fā)動機中配氣相

11、位固定不變的狀態(tài)，在發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況范圍內(nèi)提供最佳的配氣正時，解決了高低速，重負載和輕負載的動力性和經(jīng)濟性之間的矛盾，同時在一定程度上改進尾氣排放。最佳的配氣相位應使發(fā)動機在很短的換氣時間內(nèi)充入最多的新鮮空氣(可燃混合氣)，并使排氣阻力最小，廢氣殘留量最少。發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化，氣流速度和進排氣門晚關早期和絕對時間的改變，因此，最佳的氣門正時應該改變。普通發(fā)動機氣門打開和關閉進氣閥和排氣閥驅(qū)動凸輪，早期開角，滯后角是固定的，它可以在最佳的時間在一個特定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速很低或很高，其氣相處于不理想的狀態(tài)。例如：在低轉(zhuǎn)速時，由于閥重疊比理想值，使新鮮混合部分尾氣造成的燃料消耗量的增加和污染排放；

12、高轉(zhuǎn)速時，氣門疊開角比理想值小，進氣量不足，限制了發(fā)動機所能達到的最大功率值。到目前為止，出現(xiàn)了各種各樣的配氣相位可變氣門裝置，使發(fā)動機的動力性，經(jīng)濟和排氣污染有所改善。 1.1.2 國內(nèi)外VVT發(fā)動機的研究現(xiàn)狀（1）國外無凸輪軸VVT機構的研究現(xiàn)狀此類機構沒有凸輪軸,直接對氣門進行控制,其優(yōu)點是在各種工況下能對氣門正時的所有因素進行控制而獲取最佳氣門正時；此外，可以關閉閥截面柱，可變?nèi)萘俊Ｖ苯酉蜷y的控制，是理想的狀態(tài)，但這種控制機構控制需要消耗較高的能量，如何減少這種機制的能量消耗是一個必須解決的問題。德國 FEV 電磁控制全可變氣門機構和美國福特公司與德國奔馳公司的無凸輪電控液壓可變配氣相

13、位機構是該類型的典型機構。FEV電磁控制全可變氣門機構已有產(chǎn)品出現(xiàn)。無凸輪電液可變氣門正時機構預計將在未來兩到三年內(nèi)將被應用到汽車公司奔馳。雖然ECV福特在替補席上研究階段。（2）變換凸輪型線VVT機構轉(zhuǎn)型研究現(xiàn)狀此類機構可提供兩種以上凸輪型線,在不同轉(zhuǎn)速和負荷下,采用不同的凸輪型線驅(qū)動氣門。三菱，菲亞特，Elrod和可變凸輪相位機構尼爾森三維凸輪機構屬于此類機構。（3）改變凸輪軸的角VVT機構研究現(xiàn)狀此類機構利用凸輪軸調(diào)相原理, 凸輪型線是固定的,而凸輪軸相對曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。配氣相位中影響發(fā)動機性能較大的是進氣門關閉角和進排氣重疊角 , 而多氣門雙頂置凸輪軸發(fā)動機上,單獨控制進、排氣凸輪

14、軸,可以實現(xiàn)控制這兩個因素,改善發(fā)動機性能。雖然這種機制可以在不改變氣門升程和時間，但其機制原理簡單，保持原有的發(fā)動機氣門系統(tǒng)不變的情況下，只有一個額外的機制，改變凸輪軸相位，小改變原機，使用方便,應用較廣泛。屬于這種原理的機構很多,主要是液壓式的。（4）改變凸輪和閥之間的連接VVT機構的研究現(xiàn)狀這種機制主要是通過改變凸輪與挺桿閥之間的耦合機制，如，搖臂和推桿結(jié)構，實現(xiàn)凸輪廓線的變化間接作用。機械式的機制，也有液壓式，可以實現(xiàn)可變氣門正時技術，功能比較好;不足之處是該機構最從動件，氣門沖擊，一些結(jié)構很復雜。由于VVT發(fā)動機可以確保穩(wěn)定的燃燒，減少燃料消耗，提高烴和氮氧化物的排放量，同時擴大容積

15、效率，改善燃燒性能。所以在國內(nèi)也推出的研究也進行了研究，但該技術還遠遠落后于國外對這一技術的研究。海馬，力帆，長城，捷克汽車制造商已經(jīng)掌握了技術，并開始制造這種新型汽車。海馬，力帆汽車制造商最近推出了這一技術的汽車。海馬推出的新車型中發(fā)動機具有鮮明的“雙峰值”扭矩特性,在中低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速的情況下（2300rpm），可提供接近最大輸出的扭矩的90%，在此狀態(tài)下，車輛啟動時不需要踩油門加速深可以獲得足夠的權力，而且還處于初始階段，以避免不必要的燃油消耗。此外，當發(fā)動機達到時可以得到158N.M的最大輸出扭矩，使汽車具有良好的加速高速。這個引擎是完全能夠滿足日常駕駛需求，減少燃料消耗。而力帆汽車廠家

16、的1.8L發(fā)動機是其耗費兩年時間自主研發(fā)完成,具有獨立自主知識產(chǎn)權。該款發(fā)動機型號為B4L18，采用水冷型四沖程，DOHC(雙頂凸輪軸)，最大扭距172 N.m/r，最大功率為100KW，符合歐的排放標準，并采用了可變氣門正時技術，成為中國首款VVT技術發(fā)動機。在提高車用發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和降低排污方面有著突出的作用。該型號發(fā)動機在外形設計和鑄造工藝上，采用國際級先進技術平臺，結(jié)構設計更加合理。然而還有很多國內(nèi)汽車廠家至今還沒推出含有VVT技術的車型。1.2 可變配氣正時發(fā)動機（VVT）的基本技術和原理 1.2.1 可變配氣正時發(fā)動機（VVT）基本技術和原理為了滿足嚴格的排放法規(guī)和車主們油耗

17、低動力足的要求，越來越多的新技術被各大汽車廠商加快步伐開發(fā)和應用。VVT-i，VTEC，DVVT，這些汽車的“核心”總物概要說明。結(jié)構及工作原理：為了更好地理解這些技術，首先對發(fā)動機的配氣機構及相關術語進行簡單介紹： 配氣機構：它是控制氣門開閉的機構，它通常由凸輪軸、凸輪、氣門挺桿、氣門和氣門彈簧組成。 工作過程：曲軸通過鏈條或者皮帶帶動凸輪軸運轉(zhuǎn)，凸輪工作面的旋轉(zhuǎn)過程會頂壓氣門挺桿，隨后氣門頂桿就會推動氣門向氣缸內(nèi)運動，從而氣門被開打；凸輪工作面后，閥門將氣門彈簧閥關閉。 圖1-1 4缸DOHC（雙頂置凸輪軸）式發(fā)動機的氣門驅(qū)動系統(tǒng)氣門正時與升程：氣門的開閉決定了氣門正時（進排氣門開閉的時間

18、）與氣門升程（氣門打開的程度），這兩個參數(shù)是影響發(fā)動機性能和充氣效率的重要因素。在發(fā)動機運行期間，高速度和低轉(zhuǎn)速對氣門正時的要求是不同的，如圖1-2所示，低的速度應該是一個小的氣門重疊角和升降油缸，防止新鮮的空氣流量，從而在低轉(zhuǎn)速增大扭矩，提高燃油經(jīng)濟性，而高速時卻希望有大的氣門升程氣門重疊角，以便進入更多的混合氣以滿足高速時的動力性要求。 圖1-2 低速與高速時的氣門重疊角1.3 VVT技術對發(fā)動機性能的影響VVT技術可以用來減少發(fā)動機泵氣損失，加快進氣速度，改善混合氣質(zhì)量，改變殘余廢氣系數(shù)，提高進氣效率，最終改善發(fā)動機的燃燒過程，使動力性、經(jīng)濟性、排放性以及響應性能得到綜合提高。至于VVT

19、而言，VVT機構由于氣門正時是可以改變的，可控制的自由度是最大的，實現(xiàn)的技術應用最廣泛的功能，是一種理想的機制。綜合各類可變配氣相位機構的優(yōu)點，對配氣相位中影響發(fā)動機性能的各種因素予以剖析。1.4 可變配氣正時發(fā)動機(VVT)改進措施 1.4.1 無凸輪軸可變配氣正時機構該類機構沒有凸輪軸，直接對氣門進行控制，其優(yōu)點是在各種工況下能對氣門正時的所有因素進行控制，獲取最佳氣門正時；此外，可以關閉閥截面柱，可變?nèi)萘?。直接向閥的控制，是理想的狀態(tài)，但這種控制機構控制需要消耗較高的能量，如何減少這種機制的能量消耗是一個必須解決的問題。德國FEV電磁控制全可變氣門機構和美國福特公司與德國奔馳公司的無凸輪

20、電控液壓可變配氣相位機構是屬于該類型的典型機構。FEV電磁控制全可變氣門機構已有產(chǎn)品出現(xiàn)。奔馳公司的無凸輪電控液壓可變配氣相位機構預計二、三年內(nèi)將應用于車上。而福特的ECV機構正處于研究階段。（1）德國FEV電磁控制全可變氣門機構圖1-3表示了FEV發(fā)動機技術公司的電磁控制氣門機構。這是一個電磁鐵固定閥動作結(jié)束的開啟時間可自由選擇。這樣，氣門正時和落座速度可以根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷自由選擇。在每個發(fā)動機循環(huán)，每個閥門的開啟和關閉的電能消耗約1J。其能量消耗值取決于氣門大小和發(fā)電機效率等發(fā)動機設計參數(shù)。使用電磁控制全可變氣門機構可以控制無節(jié)氣的自由振動系統(tǒng)。閥門打開（或關閉）的時間是約3ms。對

21、混合煤氣費和殘余廢氣系數(shù)汽油發(fā)動機的閥門。早期關閉進氣閥控制混合氣可以減少氣體交換量的損失，降低燃料消耗。根據(jù)汽油機的轉(zhuǎn)速和負荷調(diào)節(jié)節(jié)氣門正時，可以改變混合氣的成分，優(yōu)化燃燒過程。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，汽油機可以提高全負荷平均有效壓力30%。電磁控制的全可變氣門機構和氣門機構，結(jié)構相對簡單，少開車閥件，并可進行綜合控制的氣門升程和時間。圖1-3 FEV電磁控制全可變氣門機構（2）福特ECV無凸輪電控液壓可變配氣正時機構 福特公司開發(fā)了無凸輪電液閥控制機構，可控制無級變速范圍和速度上的氣門正時。利用液壓流體的彈性特征，在氣門開啟和關閉時對其加速或減速，簡稱液壓擺原理。隨著機械擺錘，液壓擺可以變換的流

22、體勢能轉(zhuǎn)化為動能，然后再切換回勢能，其中只有一個小的能量損失。圖1-4所示的機制原理，它包括一個柱塞高壓，低壓蓄能器和在柱塞上部頂閥中的雙重角色的安裝，與高壓油源連接和低壓油源，低和高壓油源相連。柱塞上部的承壓面遠遠大于下部承壓面。開啟閥門時，壓力電磁閥打開，凈壓力雙柱塞趨于加速向下的壓力，當電磁閥關閉，在壓力下降，同時柱塞，減速，推動柱塞下部的高壓油流到高壓儲能器，低壓 油流經(jīng)低壓檢測閥進入柱塞上風部空間。當閥停止向下運動，低壓力測試閥關閉時，閥門處于開啟位置。氣門關閉的過程與開啟相類似。低電壓電磁閥打開，活塞的壓力降低到低壓蓄能器壓力的上部，凈壓力雙柱塞下加速上升。然后，低壓螺線閥關閉，柱

23、塞上部壓力增加，柱塞減速的同時，推動上部液壓油通過高壓檢測閥流回高壓儲能器。圖1-4 ECV無凸輪電控液壓可變配氣相位機構 圖1-5 本田VTEC可變配氣相位機構 1.4.2 變換凸輪型線的可變配氣正時機構這類機構可以提供兩種以上凸輪型線,在不同轉(zhuǎn)速和負荷下,采用不同的凸輪型線驅(qū)動氣門。Mitsubishi公司的MIVEC機構、Fiat三維凸輪機構、Elrod和Nelson可變凸輪相位機構都屬于此類機構類型。Mitsubishi公司的MIVEC機構與三段式VTEC機構原理很類似。它們都已成為產(chǎn)品在車上應用,取得了較好的效果。 1.4.3 改變凸輪軸相角的可變配氣正時機構該類機構利用凸輪軸調(diào)相原

24、理，凸輪型線是固定的，而凸輪軸相對曲軸的轉(zhuǎn)角是可變的。因為配氣相位中影響發(fā)動機性能較大的是進氣門關閉角和進排氣重疊角，在多氣門雙頂置凸輪軸發(fā)動機上，單獨控制進、排氣凸輪軸，可以實現(xiàn)對這兩個因素的控制，改善發(fā)動機性能。雖然這種機制可以在不改變氣門升程和時間，但其機制原理簡單，保持原有的發(fā)動機氣門系統(tǒng)不變的情況下，只有一個額外的機制，改變凸輪軸相位，小改變原機，使用方便，應用較廣泛。屬于這種原理的機構很多，主要是液壓式的。Nissan凸輪軸可變相位機構，是日本Nissan公司開發(fā)的一種液壓機構，用在雙頂置凸輪軸發(fā)動機上，可改變進氣凸輪軸相角，實現(xiàn)配氣相位可變。該機構采用螺旋花鍵軸式凸輪調(diào)相原理，如

25、圖1-7所示，主要由凸輪軸、帶有斜齒的內(nèi)軸套、斜齒活塞、正時帶輪組成。正時帶輪與活塞之間、活塞與內(nèi)軸套之間分別有旋向相反的斜齒相嚙合聯(lián)結(jié)，正時帶輪相對曲軸的相位是固定不變的，當控制閥打開時，活塞在高壓油作用下向右移動，由于活塞內(nèi)外為斜齒，從而引起內(nèi)軸套帶動凸輪軸相對于正時帶輪發(fā)生相對角位移；當控制閥關閉時，活塞在回位彈簧的作用下左移，引起內(nèi)軸套帶動凸輪軸相對于正時帶輪發(fā)生反向轉(zhuǎn)動。該機構的高壓油來自發(fā)動機潤滑系，所以不需要另一套機構提供壓力油。圖1-7 Nissan凸輪軸可變相位機構1.4.4 改變凸輪與氣門之間聯(lián)結(jié)的可變配氣正時機構 這種機制主要是通過改變凸輪與挺桿閥之間的耦合機制，如，搖臂

26、和推桿結(jié)構，實現(xiàn)凸輪廓線的變化間接作用。這類機構機械式的較多，也有液壓式的，可以實現(xiàn)可變氣門正時技術，功能比較好；不足之處是該機構最從動件，氣門沖擊，一些結(jié)構很復雜。（1）MEC可變配氣相位機構該機構一個簡單的活動臂支點結(jié)構，結(jié)構如圖1-8所示，當移動的樞轉(zhuǎn)運動相對固定架，搖臂，搖臂比的變化，相應的變化，使閥門的連續(xù)過程或改變升力，相位角。搖臂平面用于承受移動支點負荷，固定架限制搖臂發(fā)生在軸向方向。目前，這種機構尚處于臺架研究階段，但該機構成功的通過了200h連續(xù)測試，可以控制氣門升程由零變化到最大行程,有效持續(xù)期從0°260°，機構簡單、可變范圍廣，是一種較為實用的機構。

27、圖1-8 MEC可變配氣相位機構 圖1-9 電控液壓挺柱式可變配氣相位機構 1.4.5 電控液壓挺柱式可變配氣正時機構如圖1-9所示，當電磁閥關閉時，凸輪推動第一挺柱，由于挺柱室內(nèi)的液壓油不能溢出，油壓推動第二挺柱，使氣門工作。當電磁閥打開，液壓油的泄漏一部分到儲藏室，第二挺桿推動閥延遲閥，后期或早期的間隙，氣門升程也可以減少。這種機構比較簡單，只需改變液壓梃柱；當液壓油泄漏到儲存足夠的空間，可以完全消除氣門升程，可變?nèi)萘俊?1.4.6 其它可行機構 除了以上五種類型的機構，以及兩個閥為一組進氣控制，只有兩個所有閥門完全打開，進氣口才打開；利用電機驅(qū)動凸輪的機構等一些其它機構。22 有限元分析

28、2 有限元分析理論2.1 有限元動力分析簡介有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單和相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。 2.1.1 有限單元法的特點有限單元法的基本思想是里茲法加分片近似法。將原結(jié)構劃分為許多小塊(單元)，用這些離散單元的集合體代替原結(jié)構，用近似函數(shù)表示單元內(nèi)的真實場變量，從面給出離散模型的數(shù)值解。由于是分片近似，可采用較簡單的函數(shù)作為近似函數(shù)，有較好的靈活性、適應性與通用性。當然有限單元法也有其局限性，如對于應力集中、裂縫體分析與無限域問題等的分析都存在缺陷。為此，人們又提出一些半解析方法如有

29、限條帶法與邊界元法等。在結(jié)構分析中，從選擇基本未知量的角度來看，有限單元法可分為三類：位移法、力法與混合法。其中位移法易于實現(xiàn)計算自動化(力法的單元插值函數(shù)也難以尋求)，應用范圍最廣。根據(jù)單元剛度矩陣的推導方法可將有限單元法的推理途徑分為直接法、變分法、加權殘數(shù)法與能量平衡法。直接法直接進行物理推理，物理概念清楚，易于理解，但只能用于研究較簡單單元的特性。變分法是有限單元法的主要理論基礎之一，泛函極值問題，既適用于形狀簡單的單元，也適用于形狀復雜的單元。使有限單元法的應用擴展到類型更為廣泛的工程問題當給定的問題存在經(jīng)典變分敘述時，這是最方便的方法當給定問題的經(jīng)典變分原理不行時，須采用更為一般的

30、方法。如加權殘數(shù)法或能量平衡法來推導單元剛度矩陣。加權殘數(shù)法由問題的基本微分方程出發(fā)而不依賴于泛函?？商幚硪阎疚⒎址匠虆s找不到泛函的問題。2.2 平面結(jié)構問題的有限元分析 2.2.1 簡單三角形單元的位移模式1.位移模式與形函數(shù)這里的位移模式相當于里茲法中的位移試函數(shù)，不同之處在于這里僅針對單元假定位移模式，且不涉及結(jié)構的位移邊界條件，里茲法中的基本變量是等參數(shù)，有限單元法中的基本變量則是結(jié)點位移。 簡單三角形單元是一種簡單方便、對邊界適應性強的單元，以三角形單元的三個頂點為結(jié)點，也稱為三結(jié)點三角形單元。這種單元本身計算精度較低，使用時需要細分網(wǎng)格，但仍然是一種較常用的單元。2.位移模式收

31、斂性質(zhì)的分析由于假定的位移模式是近似的。而單元剛度矩陣的推導以位移模式為基礎進行，因此,在有限元分析中，當單元劃分越來越小時，答案是收斂于精確解的位移模式，顯然是由偉大的選擇之間的關系。根據(jù)彈性力學原理，位移模式應滿足下列收斂性條件：（1)位移模式必須包含單元的常應變狀態(tài) 每個單元的應變一般包括兩部分。變量應變與常量應變，前者隨各點位置不同而變化，后者則保持為常量。當單元尺寸逐步變小時，單元中各點的應變趨于相等，則恒應變?yōu)橹饕煞郑虼?，位移模型應該能夠反映恒應變狀態(tài)。（2）位移模式必須包含單元剛體位移每個單元的位移一般包含兩部分：由本單元變形引起的和由其他單元變形引起的位移，后者屬于單元的剛

32、體位移。在結(jié)構中的某些部分，單元位移主要由其他單位變形的剛體位移。（3）位移模式應盡可能反映位移的連續(xù)性為了保證彈性體受力變形后仍是連續(xù)體。要求所選擇的位移模式既能使單元內(nèi)部的位移保持連續(xù)，又能使相鄰單元之間的位移保持連續(xù)。后者是指單元之間不出現(xiàn)開裂和互相侵入的現(xiàn)象。簡單三角形單元的位移模式是多項式，是單值連續(xù)函數(shù)，可以保證單元內(nèi)部位移的連續(xù)性。關于相鄰單元之間位移的連續(xù)性，這里只要求公共的邊界具有相同的位移。如圖2-2所示，由于i、j結(jié)點是公共結(jié)點，而位移模式是線性函數(shù)，則變形后邊界仍然是連接結(jié)點i和i的一根直線，不會出現(xiàn)圖2-1那種現(xiàn)象。相鄰單元之間可保證位移的連續(xù)。這里對于連續(xù)性提出的要

33、求僅涉及位移模式本身歷涉及其導數(shù)，稱為連續(xù)函數(shù)。經(jīng)過上面分析，簡單三角形單元選取線性位移模式能夠滿足三個收斂性條件。在有限單元法中，滿足第一和第二兩個條件的單元稱為完備單元；滿足第三個條件的單元稱為協(xié)調(diào)單元或保續(xù)單元。第一和第二兩個條件是有限單元法收斂性的必要條件，加上第三個條件構成充要條件。 VVT零件設計3 VVT零件設計3.1 摩托車發(fā)動機VVT機構搖臂的設計搖臂是一個雙臂杠桿，一端通過球頭與推桿上的球座靠緊，另一端頂住氣門尾部斷面。搖臂與推桿端接觸是靠擰在搖臂中的帶球頭的調(diào)整螺釘，它還用來調(diào)整氣門間隙，然后鎖住。搖臂的作用是將凸輪的運動傳遞給氣門。 3.1.1 搖臂的工作原理搖臂是進排

34、氣凸輪和進排氣門之間的運動件，它是將凸輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成氣門的直線運動的中間零件。 3.1.2 搖臂的結(jié)構氣門與凸輪軸相互之間的位置決定了搖臂的幾何尺寸。為了獲得較輕質(zhì)量剛度好的結(jié)構，往往采用T字形的或者I字形的斷面。此處采用I字形的搖臂斷面。 3.1.3 搖臂比搖臂長短臂之比，搖臂比一般在1.6上下。搖臂的短臂推動氣門桿尾部，它的長臂由凸輪軸接觸驅(qū)動。 3.1.4 搖臂潤滑搖臂的潤滑是通過在搖臂上鉆油孔，讓機油從搖臂上的油道流出，從而對搖臂的兩端進行潤滑。 3.1.5 搖臂材料的選用本次選用的搖臂的材料是QT602，搖臂與凸輪之間有相對快速且劇烈的運動，因此在選用搖臂的材料的時候，最應該考慮

35、的就是搖臂的耐磨性。在考慮到這樣的情況，所以，為了使磨損對搖臂的影響到最小，應該對其表面進行淬火熱處理。 3.1.6 搖臂與凸輪軸間接觸應力的計算 式中 Pe氣門桿頂面上的最大作用力（） r搖臂敲擊部分球面半徑（mm） 搖臂和氣門頂面間的許用接觸應力： r450（/) 搖臂斷面A-A處總應力為： = 式中 氣門上的最大作用力 氣門側(cè)搖臂計算斷面的斷面模數(shù) 氣門側(cè)搖臂斷面的面積 A1斷面重心到作用力的垂直距離 A2作用力的垂直線與計算斷面A-A的夾角 斷面BB中的總應力： = 式中 氣門上的最大作用力 氣門側(cè)搖臂計算斷面的斷面模數(shù) 氣門側(cè)搖臂斷面的面積 B1斷面重心到作用力的垂直距離 B2作用力

36、的垂直線與計算斷面B-B的夾角; 上述應力G的許用值G如下： 鑄鋼： G500()VVT機構進氣低速搖臂、進氣高速搖臂和排氣搖臂的零件二維圖如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。 圖4-1 進氣低速搖臂二維圖 圖4-2 進氣高速搖臂二維圖 圖4-3 排氣門搖臂二維圖由于在VVT機構中，對進氣門的控制是通過切換進氣低速和高速搖臂來實現(xiàn)的，因此此機構選取強度較高的20CrMo作為搖臂材料的同時，注意了零件厚度的選擇和倒角處的圓弧過渡問題，搖臂與氣門接觸的部分采用鍍硬鉻，鍍后去氫，以保證相對運動中接觸處耐磨強度和使用壽命問題。 摩托車發(fā)動機VVT機構有限元分析4 摩托車發(fā)動機VVT機構有限元分析4.1

37、 有限元分析模型 圖5-1 搖臂有限元網(wǎng)格模型根據(jù)設計的搖臂二維尺寸，在UG中建模并采用Parasolid格式導入有限元分析軟件Ansys中，采用四面體單元Solid 92（單元類型為十節(jié)點等參元）對低速搖臂進行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖5-2所示。4.2 未切換時低速搖臂受力最大時分析結(jié)果343.661 MPa189.146 MPa68.942 MPaa 節(jié)點平均應力分布b 低速搖臂剪切應力c 節(jié)點變形圖圖5-2 低速搖臂最大接觸力情況下分析結(jié)果4.3 切換時高低速搖臂接觸受力分析結(jié)果高速搖臂切換時接觸面低速搖臂切換時接觸面 113.802 MPa70.285 MPa60.112 MPa圖5

38、-3 高低速搖臂接觸面應力109.237 MPa29.308 MPa74.096 MPaa高速搖臂應力分布b高速搖臂剪切應力分布圖5-4 高速搖臂切換后分析結(jié)果從分析結(jié)果來看，低速搖臂存在應力集中的現(xiàn)象，應力集中的地方就是應力最大處，是整個搖臂最危險處。但是，低速搖臂的安全系數(shù)大于設計的許可安全系數(shù)。為了增加搖臂的安全系數(shù)，在低速搖臂的改進設計中對其進行了修改，增加了工藝圓角，使之更加安全、可靠。切換成高速搖臂后，高速搖臂的應力比較小，安全系數(shù)滿足設計要求。高、低速搖臂的無論切換前后，兩者的變形量均小于原配氣機構的搖臂變形，可認為研制的VVT機構剛性滿足要求。 結(jié)論 5 結(jié) 論本次畢業(yè)設計主要是參與摩托車發(fā)動機VVT機構搖臂的方案設計并對摩托車發(fā)動機VVT機構搖臂進行有限元分析。其中分析搖臂在高低速切換時所受的沖擊力及其對搖臂和整個可變配氣正時機構的影響，分析搖臂撞擊力在高、低轉(zhuǎn)速時開關上的搖臂和可變氣門正時機構等影響。通過有限元對搖臂的分析來看，低速搖臂存在應力集中的現(xiàn)象，應力集中的地方就是應力最大處，是整個搖臂最危險處。但是，低速搖臂的安全系數(shù)大于設計的許可安全系數(shù)。為了增加搖臂的安全系數(shù)，在低速搖臂的改進