發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析 學(xué)生：黎明學(xué)號(hào)：20133790指導(dǎo)教師：阮登芳（教授）專(zhuān)業(yè)：車(chē)輛工程重慶大學(xué)車(chē)輛工程學(xué)院二零一七年五月Graduation Design(Thesis of ChongqingUniversityKinematics and dynamics analysis forengine valve trainUndergraduate: Li MingSupervisor: Prof. RuanDengfangMajor: Vehicle EngineeringCollege of Vehicle EngineeringChongq

2、ing University May 2017摘要配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率以及換氣質(zhì)量，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、可靠性、有害物質(zhì)排放、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)有較大的影響1。而頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)由于能適應(yīng)更高的轉(zhuǎn)速而在許多小型汽油機(jī)中廣泛使用。但是頂置凸輪軸由于搖臂傳動(dòng)比是變值，所以其幾何關(guān)系要復(fù)雜很多2。本文在已知凸輪對(duì)搖臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的條件下，針對(duì)某125發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，經(jīng)理論分析運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，并用matlab 計(jì)算出其氣門(mén)對(duì)轉(zhuǎn)角的理論升程、速度、加速度。在考慮氣門(mén)間隙及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變形的影響下，建立配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的單自由度模型，得出運(yùn)動(dòng)二階微

3、分方程。利用matlab 采用龍格庫(kù)塔法計(jì)算出氣門(mén)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)比氣門(mén)實(shí)際升程和理論升程，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的“飛脫”、“反跳”以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)。從而完成了整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)計(jì)算。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，配氣機(jī)構(gòu)，matlab ，龍格庫(kù)塔法ABSTRACT Valve train is an important part of the engine, which has directly affect to the engines volumetric efficiency and the quality of ventilation, so there is

4、also a greater influence to the engine power, fuel economy, reliability, emissions of harmful substances, engine noise and vibration. Becausethe overhead camshaft valve train can adapt to the higher speed, it is widely used in many small gasoline engine. But for the overhead camshaft,the drive ratio

5、 of the rocker is changed by the time,so it has a more complex geometryrealationship. With knowing the law of motion of cam on the rockers condition, inthe article, the displacement of the valve is calculated. In considering the valve clearance and the drive mechanism under the influence of deformat

6、ion, the actual valve movement rule is calculated by using the Runge - Kuttamethod, and the running speed is calculated with the conditions that the transmission chain is flying off and reboundwhich are not in the normal conditions.Thenthe kinematics and dynamics calculations of the valve train are

7、completed. And on this basis, with joining the modal analysis of the valve, the theoretical basis for the valve train design are provided.A valve train of a 125 motorcycle engine is chosen for the object of study in this subject.Keywords ： Valvetrain, Kinematics, Dynamics,Matlab目錄摘要 . . I ABSTRACT .

8、 . I I一、緒論 . . 11.1課題研究意義 . . 11.2課題國(guó)內(nèi)外研究狀況 . . 21.3課題研究背景 . . 31.4課題研究?jī)?nèi)容 . . 4二、氣門(mén)機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)要求 . . 6三、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 . . 83.1凸輪廓線(xiàn)預(yù)處理 . . 83.2氣門(mén)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓的關(guān)系 . . 93.3運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析后的計(jì)算結(jié)果 . . 11四、動(dòng)力學(xué)分析 . . 134.1動(dòng)力學(xué)理論分析 . . 134.2搖臂比i . . 154.3搖臂剛度計(jì)算 . . 164.4解動(dòng)力學(xué)微分方程 . . 174.5動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果 . . 19五、動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià) . . 245.1“飛脫”和“反跳”

9、. . 245.2各參數(shù)對(duì)配氣系統(tǒng)的影響 . . 24六、結(jié)論 . . 26七、展望 . . 27致謝 . . 28附錄A ：matlab 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序 . 29附錄B:動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算基本程序 . 30參考文獻(xiàn) . . 31一、緒論本課題以某125型摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的頂置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，分別對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、剛度計(jì)算、以及動(dòng)力學(xué)分析，并由所得到的數(shù)據(jù)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評(píng)估，為該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。1.1課題研究意義配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜、工作最繁重的部件之一，固然也是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，配氣機(jī)構(gòu)控制著進(jìn)排氣門(mén)的開(kāi)啟時(shí)刻和開(kāi)啟速度，根據(jù)每個(gè)氣缸的工作順序，控制進(jìn)

10、氣和排氣，實(shí)現(xiàn)換氣功能。配氣機(jī)構(gòu)可以視為兩部分組成，即氣門(mén)組和氣門(mén)傳動(dòng)組。根據(jù)凸輪軸的位置不同，將配氣機(jī)構(gòu)分為三類(lèi)：下置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)、中置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)以及頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)。本課題便是以凸輪軸頂置式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象展開(kāi)工作。配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性一部分決定了發(fā)動(dòng)機(jī)振顫程度的大小，已成為一項(xiàng)非常重要的設(shè)計(jì)參考性能指標(biāo)3。對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容歸納起來(lái)主要有兩個(gè)方面，一方面是零部件的設(shè)計(jì)，另一方面是機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。零部件設(shè)計(jì)又可以簡(jiǎn)單分成三類(lèi)：氣門(mén)及氣門(mén)等零部件設(shè)，計(jì)凸輪型線(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)。因?yàn)橥馆喿鳛檎麄€(gè)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，它直接控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，所以凸輪型線(xiàn)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

11、而對(duì)于機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的研究，又主要表現(xiàn)在凸輪型線(xiàn)如何如何影響氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)最初為剛性設(shè)計(jì)，但沒(méi)有絕對(duì)剛性的零部件，在機(jī)械應(yīng)力以及熱應(yīng)力作用下總會(huì)存在變形，所以逐步發(fā)展為彈性設(shè)計(jì)。高速汽油機(jī)由于轉(zhuǎn)速較快，每分鐘轉(zhuǎn)速可達(dá)5000轉(zhuǎn)以上，為保證充氣效率，都采用頂置式氣門(mén)裝置。這種裝置都適合用凸輪軸的三種安裝形式，但是，如果采用下置式或者中置式的凸輪軸，由于氣門(mén)與凸輪軸的距離較遠(yuǎn)，需要?dú)忾T(mén)挺桿和挺柱等輔助零件，這樣的結(jié)構(gòu)勢(shì)必造成氣門(mén)傳動(dòng)件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)體積也不可避免的變得很大，而且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下還容易產(chǎn)生噪聲，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性較差。所以，現(xiàn)代轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)一般都采用頂置式凸輪軸，以期待能改變

12、這種現(xiàn)象。將凸輪軸配置頂置靠近氣門(mén)，不僅縮短了凸輪軸與氣門(mén)之間的距離，而且省略了挺桿和挺柱，從而簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)變得緊湊。更重要的是，這種凸輪軸頂置的安裝方式可以減少整個(gè)系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量。在國(guó)內(nèi)的，不少小型汽油機(jī)已采用了凸輪軸頂置的配氣機(jī)構(gòu)。頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度雖然大，但實(shí)際上仍是彈性系統(tǒng)，可看作一個(gè)“彈簧質(zhì)量系統(tǒng)”4。當(dāng)氣門(mén)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)工作的時(shí)候，機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生彈性變形，再加上熱應(yīng)力的影響會(huì)使氣門(mén)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大程度的變化，與理論分析脫離，使傳動(dòng)鏈脫節(jié)，將出現(xiàn)一系列不利于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，諸如氣門(mén)的開(kāi)閉不正常，振動(dòng)和噪聲增大、零件易損壞等現(xiàn)象，從而限制了轉(zhuǎn)速的提高5。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)

13、的轉(zhuǎn)速增加，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的振動(dòng)也將增大。所以在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，情況將更嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)傳動(dòng)鏈脫節(jié)“飛脫現(xiàn)象”，及過(guò)高的落座速度“反跳現(xiàn)象”，甚至破壞配氣機(jī)構(gòu)的正常工作。因此，配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析工作顯得尤為重要，并且值得設(shè)計(jì)工作者對(duì)其進(jìn)行不斷的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能。1.2課題國(guó)內(nèi)外研究狀況由于我國(guó)近代科學(xué)技術(shù)起步較晚，導(dǎo)師我國(guó)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的研究也相對(duì)晚了許多，樊久銘等人針對(duì)裝有液壓調(diào)節(jié)器的CA488汽油配氣機(jī)構(gòu)，提出了“4+N”多質(zhì)量動(dòng)力模型。劉忠民等研發(fā)了可用于配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性和耐久性研究，可以控制配氣機(jī)構(gòu)溫度和潤(rùn)滑條件的綜合試驗(yàn)系統(tǒng)。李興蘭利用ADAMS 軟件構(gòu)建

14、氣門(mén)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模型，獲得振動(dòng)和噪聲分析與預(yù)測(cè)的主要部件之間的相互作用，提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和邊界條件。曹志芬將氣門(mén)機(jī)構(gòu)的剛性以簡(jiǎn)單的機(jī)械方式進(jìn)行測(cè)量，使配氣機(jī)構(gòu)彈性系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)分析有了最基本的剛度參數(shù)?；贑AD / CAE 綜合開(kāi)發(fā)技術(shù)，朱文波等探討發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)機(jī)構(gòu)數(shù)值研究的思路和過(guò)程，為氣門(mén)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，動(dòng)力學(xué)分析和優(yōu)化提供參考，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)以定量形式出現(xiàn)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率高。王曉輝等人采用反向優(yōu)化設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)凸輪輪廓，首先用測(cè)量設(shè)備測(cè)量實(shí)際輪廓，然后使用三維軟件來(lái)適應(yīng)凸輪輪廓，進(jìn)行擬合，然后進(jìn)入A VL 軟件優(yōu)化，既確保了配氣機(jī)構(gòu)的基本性能，又提高了凸輪型線(xiàn)的連續(xù)性和加工性。白賀研究了凸輪軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

15、對(duì)氣門(mén)機(jī)構(gòu)的影響。通過(guò)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)提取凸輪軸的扭轉(zhuǎn)角，并測(cè)量凸輪軸的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。結(jié)果表明，凸輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速的增加和凸輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的影響而增大，凸輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)也增加了凸輪軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。1.3課題研究背景發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率以及換氣質(zhì)量很大程度上受配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響，而發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、有害物質(zhì)排放等各方面性能業(yè)余配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)。隨著國(guó)際環(huán)境對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放要求不斷提高，配氣機(jī)構(gòu)的研究也越來(lái)越深入，尤其是在彈性系統(tǒng)下的動(dòng)力學(xué)特性研究更加迫切。隨著制造商對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)，目前4氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)上已經(jīng)越來(lái)越普遍。大功率低燃消耗從來(lái)都是車(chē)主最為在意的兩個(gè)點(diǎn)，并且也是

16、設(shè)計(jì)思想中起主導(dǎo)作用的兩大因素。近來(lái)可變氣門(mén)正時(shí)及升程控制技術(shù)在解決低油耗問(wèn)題上，變現(xiàn)十分突出，解決了由單個(gè)氣門(mén)控制氣體進(jìn)出燃油供給時(shí)，充氣效率低，燃油時(shí)而供給不足，時(shí)而供給過(guò)量，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率不夠，排放嚴(yán)重等問(wèn)題，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更加省油的同時(shí)還能在全段轉(zhuǎn)速輸出期間都更有力，動(dòng)力更強(qiáng)勁，因此頗為受廣大車(chē)主的青睞。凸輪軸頂置使配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸在旋轉(zhuǎn)中的負(fù)荷相應(yīng)減小，并且對(duì)于凸輪軸和氣門(mén)彈簧的要求也降到了最低。這是因?yàn)樗谠O(shè)計(jì)上沒(méi)有挺柱、搖臂和推桿，直接通過(guò)凸輪軸上的凸輪來(lái)驅(qū)動(dòng)氣門(mén)開(kāi)閉，這使得該機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上有了大大簡(jiǎn)化。同時(shí)從維修角度來(lái)看，這也降低了成本。因此頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)從此進(jìn)入設(shè)計(jì)者眼中最

17、關(guān)注的對(duì)象，由于頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)越的性能，簡(jiǎn)介的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)體型有所減小，市場(chǎng)上各類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)這種配氣機(jī)構(gòu)的采用率也越來(lái)越高。另外，從物理性能的角度來(lái)看，凸輪軸架空設(shè)計(jì)思路進(jìn)入和排氣通道轉(zhuǎn)小，氣流阻力小，使氣體出來(lái)更加平滑。因此隨著內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)上的不斷強(qiáng)化以及性能上面的優(yōu)化，能夠適應(yīng)更高轉(zhuǎn)速的頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)，更能適用于大多數(shù)新型汽油機(jī)。對(duì)于現(xiàn)代的中小型車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，都有著較高的額定轉(zhuǎn)速，因此頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)也越來(lái)越應(yīng)用廣泛，它不僅減少了從凸輪到氣門(mén)之間的傳動(dòng)零件，更重要的是減輕了配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，提高了系統(tǒng)的剛度，使配氣系統(tǒng)可在很高轉(zhuǎn)速下正常工作6。每個(gè)氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)的一

18、個(gè)工作循環(huán)中只啟閉一次，設(shè)由此而引起的振動(dòng)，在氣門(mén)關(guān)閉期間能完全衰減。這樣配氣機(jī)構(gòu)每個(gè)循環(huán)的條件都相同，因此，只需研究氣門(mén)的一次啟、閉過(guò)程即可7。有必要在氣門(mén)機(jī)構(gòu)的彈性變形下計(jì)算出氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的模型，但有必要計(jì)算出單一質(zhì)量模型最為簡(jiǎn)潔的模型。但頂置凸輪軸的搖臂比發(fā)生變化，幾何關(guān)系比多自由度模型更復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換才能從平底挺柱運(yùn)動(dòng)中知道凸輪從動(dòng)位移，速度，加速度規(guī)律， 計(jì)算閥門(mén)的位移，速度和加速度的規(guī)律。為了得出更為理想的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且從所需的閥門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)看，反向找到凸輪輪廓，但這個(gè)計(jì)算比較復(fù)雜，并且所得的凸輪輪廓值對(duì)應(yīng)的凸輪角度不均勻，還必須使用插值方法來(lái)計(jì)算凸輪的均勻角度對(duì)應(yīng)凸輪廓

19、線(xiàn)值。所以一般使用選擇的凸輪輪廓，找到閥門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后計(jì)算動(dòng)態(tài)性能。實(shí)際氣門(mén)落座速度在允許范圍內(nèi)?；究梢哉J(rèn)為凸輪輪廓設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。1.4課題研究?jī)?nèi)容1配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，通過(guò)matlab 編程分析計(jì)算，得到分析運(yùn)動(dòng)學(xué)的一種通用算法。研究配氣機(jī)構(gòu)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，編寫(xiě)動(dòng)力matlab 學(xué)分析程序，獲取氣門(mén)理論升程曲線(xiàn)，速度曲線(xiàn)，加速度曲線(xiàn)，提供動(dòng)力學(xué)分析原始數(shù)據(jù)。2配氣機(jī)構(gòu)剛度計(jì)算。利用Catia 為配氣機(jī)構(gòu)建模，并導(dǎo)入Workbench 中進(jìn)行剛度計(jì)算，提供動(dòng)力學(xué)分析分析所需數(shù)據(jù)。3配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。采用龍格庫(kù)塔法，利用Matlab 編寫(xiě)變搖臂比頂置凸

20、輪軸配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算通用程序，并得出氣門(mén)實(shí)際升程曲線(xiàn)，速度曲線(xiàn)以及加速度曲線(xiàn)。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論4對(duì)所選發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，二、氣門(mén)機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)要求發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)行必須有著新氣不斷進(jìn)入，廢棄不斷排除的過(guò)程。較早采用的控制其進(jìn)氣、排氣的方式有很多，如滑閥控制（回流掃氣二沖程機(jī)）、旋轉(zhuǎn)閥控制（有過(guò)個(gè)別試驗(yàn)機(jī)型）、氣門(mén)控制、混合控制（有排氣門(mén)的直流掃氣二沖程機(jī)）等等。對(duì)于當(dāng)今市場(chǎng)主流四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)而言，氣門(mén)控制進(jìn)排氣的方式已經(jīng)逐漸穩(wěn)定下來(lái)，因其可靠的密封性能，便拆裝的優(yōu)點(diǎn)，氣門(mén)已經(jīng)在配氣機(jī)構(gòu)中占據(jù)著不可替代的地位?，F(xiàn)有產(chǎn)品幾乎全都采用氣門(mén)控制進(jìn)排氣。氣門(mén)機(jī)構(gòu)控制

21、著換氣過(guò)程，其設(shè)計(jì)好壞直接影響著四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)方方面面的性能。首先，由內(nèi)燃機(jī)原理闡述，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率轉(zhuǎn)速n max 正比于進(jìn)氣門(mén)通路面積A v 除以活塞排量V h ，即n max （A v /Vh ），而升功率N l p eN n max 。拿同一類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)作比較，因最大功率工況的p eN 差不多一樣大，可以說(shuō)他們的升功率N max n max A v /Vh 。其次，進(jìn)氣門(mén)定時(shí)影響充氣系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的情況，影響泵氣損失，影響換氣質(zhì)量，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，燃料經(jīng)濟(jì)性和有害排放有影響。此外，配氣機(jī)構(gòu)的因運(yùn)動(dòng)副的摩擦而發(fā)生摩擦損失，與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，總的說(shuō)來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低摩擦損失的比重越大，

22、轉(zhuǎn)速越高，配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失所占比重越低。與此同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率和油耗率也隨著配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)摩擦損失與發(fā)動(dòng)機(jī)中低轉(zhuǎn)速負(fù)荷工況下變化而變化。配氣機(jī)構(gòu)各個(gè)工況轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的噪聲以及工作不平穩(wěn)的振動(dòng)很大程度影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性與否和噪聲水平高低。在高熱負(fù)荷下，由于材料性能的限制氣門(mén)將發(fā)生熱裂、凸輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下受到較高接觸應(yīng)力的影響發(fā)生接觸疲勞、在各種應(yīng)力綜合作用下氣門(mén)彈簧也可能發(fā)生疲勞失效。諸如此類(lèi)都是重要的可靠性問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不得不引起重視，對(duì)動(dòng)力學(xué)特性做出做夠有效的分析評(píng)價(jià)。氣門(mén)機(jī)構(gòu)是彈性系統(tǒng)，在工作過(guò)程中一旦發(fā)生振動(dòng)，就有可能產(chǎn)生“飛脫”，“反跳”，氣門(mén)“提前落座”一系列異?，F(xiàn)象，并且產(chǎn)生

23、這種異?，F(xiàn)象的概率會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加，這些等異常現(xiàn)象的出現(xiàn)，將使得凸輪-從動(dòng)件接觸面的磨損加劇，從而影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性以及工作可靠性。根據(jù)這些情況，對(duì)氣門(mén)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念和主要要求可總結(jié)為：a 為使充氣量足夠大，在氣門(mén)口要保證足夠大的氣流通路面積；b 機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的“飛脫”和“反跳”不出現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速工況下；c 為了抑制機(jī)構(gòu)接觸表面的磨損現(xiàn)象，不應(yīng)該有過(guò)高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力發(fā)生在重要零件表面，同時(shí)在材料方面也必須考慮到使用性能上的耐久性作； d 便于制造和維修，成本較低。三、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)所研究的內(nèi)容包括：凸輪從動(dòng)件（下置凸輪軸式氣門(mén)機(jī)構(gòu)中的挺柱，頂置凸輪軸

24、式的搖臂）運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓開(kāi)關(guān)系，以及從動(dòng)件與凸輪的相對(duì)滑動(dòng)關(guān)系（本文不研究相對(duì)滑動(dòng)）；在不考慮機(jī)構(gòu)彈性的條件下，凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)系。3.1凸輪廓線(xiàn)預(yù)處理對(duì)于普通的下置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，只要乘以或除以固定的搖臂比即可，但是針對(duì)本課題研究的配氣機(jī)構(gòu)采用了凸輪搖臂氣門(mén)如圖1所示這種頂置凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，這種配氣機(jī)構(gòu)的搖臂比是隨著凸輪轉(zhuǎn)角變化而變化的，要通過(guò)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的幾何關(guān)系及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律利用三角函數(shù)關(guān)系換算得到。對(duì)于經(jīng)搖臂驅(qū)動(dòng)氣門(mén)的機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，無(wú)論搖臂是處于搖臂中間還是處于搖臂一端，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法是一樣的。頂置凸輪軸的凸輪輪廓通常是按照它驅(qū)動(dòng)平底挺柱時(shí)的挺柱升程規(guī)

25、律y =f( 給定、制造并用平底測(cè)頭檢驗(yàn)的。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析要解決由已知的y =f( 求不同凸輪轉(zhuǎn)角下?lián)u臂擺角，再進(jìn)而求氣門(mén)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律的問(wèn)題。初始獲得的凸輪廓線(xiàn)數(shù)據(jù)是不光順的，顯然不符合設(shè)計(jì)理念要求。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab 分析計(jì)算之前需要將給定的凸輪廓線(xiàn)數(shù)據(jù)在matlab 中進(jìn)行光順預(yù)處理，利用matlab 分析軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)插值，曲線(xiàn)擬合的功能，將凸輪廓線(xiàn)首先處理成成一條光滑的曲線(xiàn)，但是這時(shí)并沒(méi)有確切的升程與凸輪轉(zhuǎn)角的相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，只用采用樣條插值的方法得到一組數(shù)據(jù)。導(dǎo)入excel 制作成凸輪升程一覽表，如附錄表C ，為matlab 編程計(jì)算做準(zhǔn)備。 3.2氣門(mén)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律與凸輪輪廓的關(guān)系

26、圖2給出了頂置凸輪軸及搖臂從動(dòng)件的關(guān)系圖。圖中A d 是搖臂柱面中心A在凸輪以頂點(diǎn)D 與搖臂接觸時(shí)的位置。任一瞬時(shí)凸輪的轉(zhuǎn)角以O(shè) c A d 與O c D 的夾角與 r 表示，搖臂的位置則以 OA OO c 的夾角W 表示。圖中還給出了凸輪上同一點(diǎn)F與平底挺柱接觸時(shí)的升程y 和轉(zhuǎn)角，以及半徑為r s 的球面挺柱接觸時(shí)的升程y s 和凸輪轉(zhuǎn)角s 。本次研究的嘉陵125發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)，是一個(gè)朝樞軸轉(zhuǎn)的凸輪，規(guī)定以氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的轉(zhuǎn)角為00，在凸輪上升段轉(zhuǎn)角為負(fù)，下降段轉(zhuǎn)角為正。在得到y(tǒng) =f( 凸輪升程規(guī)律的基礎(chǔ)上，計(jì)算氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是分析的基礎(chǔ)。 首先從每一個(gè)（y ，）數(shù)據(jù)求對(duì)應(yīng)的（W ，r ）數(shù)據(jù)。

27、在OAO c 中，利用三角函數(shù)關(guān)系可得：W =arccos 22l 2a +lc R2l a l c （3.1）式中l(wèi) a 、l c 和R 的含義見(jiàn)圖2，針對(duì)本課題所分析機(jī)構(gòu)，通過(guò)搖臂尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得知l a =39.61mm , l c =30.28mm ，而且由O c AE 知:2 2 R = O c E +AE = 0s （3.2）其中凸輪半徑r 0=12.5mm ，r s =30mm 。y 代表著升程對(duì)轉(zhuǎn)角的一階導(dǎo)數(shù)，y =d dy 180mm/弧度）。凸輪轉(zhuǎn)角r 與s ，的關(guān)系為：r =s K K d =+(KK d （3.3）、K 和K d 的計(jì)算式分如下：= O E c arc

28、tan AE =arctan r y 0+rs +y （3.4）（3.5）（3.6） K =arccos K d =arccos 式中： 22l 2c +Rl a 2l c R 22l 2c +Rl a 2l c R dR d =R =0=r 0+r s +y max （3.7）接著再由（W ，r ）求對(duì)應(yīng)的氣門(mén)升程h 。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)搖臂與凸輪基圓接觸時(shí)，搖臂長(zhǎng)臂與氣門(mén)桿端面間有間隙=0.05mm, 而氣門(mén)桿端面比搖臂中心高出z=1.65mm，這時(shí)搖臂的位置角為：2l 2a +lc （r 0+rs ）2W 0=arccos 2l a l c （3.8） 0=arcsin +z+l b （3.

29、9）其中調(diào)節(jié)螺釘球半徑=10mm ，經(jīng)過(guò)計(jì)算得，l b =33.28mm ；與凸輪轉(zhuǎn)角r 對(duì)應(yīng)的和氣門(mén)理論升程h 為：=0W =0(WW 0 （3.10）h =l b sin 0sin （3.11）至此，由每一組（y ，）計(jì)算對(duì)應(yīng)的（W ，r ）再計(jì)算對(duì)應(yīng)的（h ，r ）的過(guò)程就完成了。但是，等步長(zhǎng)遞增的所對(duì)應(yīng)的r 是不按等步長(zhǎng)遞增的。在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，必須要有等步長(zhǎng)遞增的r 對(duì)應(yīng)氣門(mén)理論升程h 數(shù)據(jù)。因此，對(duì)于理論分析運(yùn)算結(jié)果，還必需進(jìn)行擬合與插值處理才能得到所要求的升程轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)8。3.3運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析后的計(jì)算結(jié)果將公式（3.1）到（3.11）用matlab 編程計(jì)算得到如圖4理論氣門(mén)升程

30、曲線(xiàn)，matlab 程序參見(jiàn)附錄1。圖4. 氣門(mén)理論升程曲線(xiàn)并利用matlab 樣條插值功能得到等步長(zhǎng)遞增的r 所對(duì)應(yīng)的氣門(mén)升程。擬合，插值處理后得到氣門(mén)的速度，加速度如圖5，其中速度與加速度值以轉(zhuǎn)速7000r/min換算得出。 圖5氣門(mén)速度以及加速度曲線(xiàn)至此，配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就已全部結(jié)束，氣門(mén)的最大升程當(dāng)r =6，hmax=7.815mm；氣門(mén)最大正速度r =40，y max =7.855m/s；氣門(mén)最大負(fù)速度r =12，y max =-14.47m/s。氣門(mén)加速度情況略微復(fù)雜，上升段最大正加速度y ”max =1713m/s2，下降段最大正加速度y ”max =11500m/s2，最大

31、負(fù)加速度y ”max=-11600m/s2。加速度的劇烈波動(dòng)是由速度曲線(xiàn)上的一些尖點(diǎn)造成，消除速度波動(dòng)尖點(diǎn)，光順?biāo)俣惹€(xiàn)逆向優(yōu)化設(shè)計(jì)凸輪廓線(xiàn)可以解決這一問(wèn)題。若用高階多項(xiàng)式擬合所得到的氣門(mén)理論升程曲線(xiàn)，并再求導(dǎo)，得出氣門(mén)理論速度以及加速度，將有如下結(jié)果：圖6光順處理后的速度及加速度曲線(xiàn)通過(guò)擬合前后對(duì)比，可以清晰看出，若凸輪型線(xiàn)數(shù)據(jù)給的足夠光滑，我們所得結(jié)果也將會(huì)是光滑的，并且從加速度曲線(xiàn)上面可以看出，加速度最值大大降低，并且加速度沒(méi)有突變，氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)不發(fā)生剛性沖擊。所以在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需 要我們逆向設(shè)計(jì)優(yōu)化凸輪型線(xiàn)。四、動(dòng)力學(xué)分析4.1動(dòng)力學(xué)理論分析實(shí)際氣門(mén)機(jī)構(gòu)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)

32、正是要研究考慮彈性的情況下的氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中得出的氣門(mén)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這為進(jìn)一步做動(dòng)力學(xué)分析提供了可能，理論氣門(mén)升程像是一個(gè)激振力函數(shù)，而真實(shí)情況下氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)歸路則是對(duì)應(yīng)這種激勵(lì)下的響應(yīng)。由于配氣機(jī)構(gòu)是有彈性的，相當(dāng)于彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，氣門(mén)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律會(huì)偏離運(yùn)動(dòng)學(xué)分析所得的理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律9。由于氣門(mén)存在彈簧預(yù)緊力P S0，在剛消除氣門(mén)間隙的瞬時(shí)氣門(mén)還不會(huì)打開(kāi)，要等氣門(mén)機(jī)構(gòu)發(fā)生一定變形而變形力P S0時(shí)才能頂開(kāi)氣門(mén)。因此氣門(mén)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)要比氣門(mén)的理論運(yùn)動(dòng)始點(diǎn)晚一些。發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，因彈性振動(dòng)的影響，氣門(mén)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況與理論規(guī)律差別較大，甚至有時(shí)氣門(mén)實(shí)際升程大于理論升程，這時(shí)由凸輪至氣門(mén)的

33、整個(gè)傳動(dòng)鏈將出現(xiàn)脫節(jié)之處，稱(chēng)作“飛脫”；另一方面，氣門(mén)落座時(shí)刻早于理論落座點(diǎn)，以高速?zèng)_擊氣門(mén)座并可能“反跳”。正確設(shè)計(jì)的配氣機(jī)構(gòu)不容許在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)飛脫和反跳。為此配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性需要進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的校核。為分析實(shí)際氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相應(yīng)的各構(gòu)件受力情況，需要建立動(dòng)力學(xué)圖 7單自由度模型 分析模型，寫(xiě)出描述其運(yùn)動(dòng)情況的微分方程式然后求解。求解結(jié)果的可信度與模型本身有關(guān)，即取決于該模型能在多大程度上反映機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。已提出的氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型有許多種，如單自由度模型、多自由度模型、有限元模型等等，其中單自由度模型是最基本而又最簡(jiǎn)單的一種模型。圖9中給出了單自由度模型。其中M 1是氣門(mén)組建

34、和彈簧的當(dāng)量質(zhì)量，M 2 是搖臂、推桿、挺柱等驅(qū)動(dòng)件的當(dāng)量質(zhì)量；k s 是氣門(mén)彈簧剛度，k 是從搖臂長(zhǎng)臂端到凸輪軸為止的整個(gè)氣門(mén)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)部分的剛度，k z 是氣門(mén)座的剛度；b 是驅(qū)動(dòng)部分的當(dāng)量?jī)?nèi)阻尼系數(shù)，b z 是氣門(mén)座阻尼系數(shù)，1是反映氣門(mén)組件粘性外阻尼及氣門(mén)彈簧內(nèi)阻尼的當(dāng)量阻尼系數(shù)，2是驅(qū)動(dòng)部分的當(dāng)量外阻尼系數(shù)。在模型中當(dāng)量凸輪繞旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)，我們認(rèn)為轉(zhuǎn)軸軸心是剛性的，從動(dòng)件質(zhì)量為0。從動(dòng)件的位移Y 在動(dòng)力學(xué)分析之前已經(jīng)從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中得到力理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是由實(shí)際凸輪型線(xiàn)根據(jù)氣門(mén)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的幾何關(guān)系換算到氣門(mén)理論升程10。計(jì)算y 的起點(diǎn)（氣門(mén)的初始位置）定在氣門(mén)座被壓縮了0=P s0

35、/ks 之處。質(zhì)量M 1的位移y 相當(dāng)于氣門(mén)的實(shí)際升程。模型中的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量通常取為：M 1=M vz +3m s （4.1）M 2=I Rl v 1（4.2）I R 為搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用solidworks 分析得到I R =81.2（kgm2），對(duì)于變搖臂比的氣門(mén)機(jī)構(gòu)就取其變化范圍內(nèi)的中值。經(jīng)計(jì)算i 取i=2.1。M vz 是氣門(mén)、氣門(mén)彈簧座和氣門(mén)鎖夾這些氣門(mén)組件的當(dāng)量質(zhì)量，m s 代表氣門(mén)彈簧的質(zhì)量，其中M vz =0.033kg ，m s =0.6kg ，l v 取為： 1l cos v0+cos d b其中v0=arcsin +zl b =20.2，d 是氣門(mén)全開(kāi)時(shí)的搖臂位置角。達(dá)倫伯原

36、理指出，作用于運(yùn)動(dòng)質(zhì)量上的力與慣性力符合力平衡關(guān)系，故對(duì)于消除氣門(mén)座變形階段的運(yùn)動(dòng)情況應(yīng)有：k Yy +kz 0y +b Yy bzy My 1+2 y ksyPs0=0整理后得到:M y + b+bz+1+2 y + k+kz+ks y=bY+kY+kz0Ps0（4.3） 式中M 表示此階段參與運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，考慮到Y(jié)，y 通常都用位移對(duì)轉(zhuǎn)角的倒數(shù)Y, y來(lái)表示，即Y=6ncY, y =6ncy, y =36nc2y, 所以上式可寫(xiě)成：y +b+bz +1+26n c M y +k+ks +kz36n c M y =F y （4.4）式中：F y =6nbcY +36n M Y +Mckk z

37、0P s036n c M（4.5）相當(dāng)于激振力，是“激振力函數(shù)”。它只決定于Y =f ，即只決定于凸輪輪廓和氣門(mén)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)。其中P s0是氣門(mén)彈簧預(yù)緊力，其值為205.8N ，n c 是凸輪軸轉(zhuǎn)速，本次研究針對(duì)2個(gè)轉(zhuǎn)速的情況作了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分別是本發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速7000r/min，高速轉(zhuǎn)速為12000r/min.上述的微分方程可以通過(guò)matlab ，龍格庫(kù)塔法迭代求解。4.2搖臂比i此搖臂比對(duì)前述運(yùn)動(dòng)學(xué)分析毫無(wú)意義，但在分析搖臂受力時(shí)需了解氣門(mén)對(duì)搖臂的作用力P vR 與凸輪對(duì)搖臂的作用力P cR 之比。P vR 作用于搖臂和氣門(mén)桿端面的接觸點(diǎn)C 并指向B ，P cR 作用于搖臂和凸輪的

38、接觸點(diǎn)并指向A （見(jiàn)圖2，圖3）。若忽略搖臂的慣性力矩不計(jì)，可得搖臂比公式如下：i =與 的夾角: 其中J 就是圖2中 OA AFJ =arccosla2+R2lc22laRlblccossinJ（4.6）+（4.7）若R ，和是對(duì)應(yīng)等差遞增求出來(lái)的，則所得的J 和i 就對(duì)應(yīng)不等差遞增的r。在動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，對(duì)于變搖臂比的氣門(mén)機(jī)構(gòu)就取其變化范圍內(nèi)的中值，圖8搖臂比計(jì)算結(jié)果經(jīng)matlab 計(jì)算，取i=1.6。 4.3搖臂剛度計(jì)算一個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度是指彈性體抵抗變形（彎曲、拉伸、壓縮等）的能力。頂置凸輪軸式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊質(zhì)量輕，體積小，但整個(gè)系統(tǒng)卻具有較高的剛度，因此頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)在很高轉(zhuǎn)速下工況

39、下同樣能正常工作。因此對(duì)于頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)，其很重要的一個(gè)圖 9機(jī)構(gòu)剛度測(cè)量簡(jiǎn)圖優(yōu)點(diǎn)就是機(jī)構(gòu)剛度大，因此機(jī)構(gòu)剛度的計(jì)算對(duì)本課題的研究又很重要的意義。圖5所示為機(jī)構(gòu)剛度測(cè)量的理論簡(jiǎn)圖。由于氣門(mén)與氣門(mén)座剛度對(duì)機(jī)構(gòu)剛度的影響很小，對(duì)動(dòng)力學(xué)分析的影響也很小，因此本次分析假設(shè)氣門(mén)與氣門(mén)座為剛體，只考慮了彈簧和搖臂的剛度。而彈簧的剛度已知，因此對(duì)機(jī)構(gòu)搖臂剛度的計(jì)算就成為了該配氣機(jī)構(gòu)剛度計(jì)算的主要任務(wù)。利用catia 完成搖臂3D 建模:圖10 Catia3D搖臂模型將其導(dǎo)入workbench 分析軟件中，搖臂材料選用合金鑄鐵，如圖5施加約束，劃分75209個(gè)單元網(wǎng)格： 圖11. 劃分單元網(wǎng)格并施加P=

40、1000N作用力，在這個(gè)作用力下測(cè)得搖臂總變形最大為0.085mm 。圖12. 搖臂應(yīng)變所以搖臂的剛度：k=1000/0.085=1.17104N/mm4.4解動(dòng)力學(xué)微分方程下面的式子即為需要求解的方程：y =F y k+ks +kz 36n c My b+bz +1+26n c My （4.8） 即二階常微分方程y =f ，y ，y 。因?yàn)樵谇蠼鈪^(qū)間的起點(diǎn)，即凸輪轉(zhuǎn)角為0而氣門(mén)間隙剛剛消除(Y=0的時(shí)刻，y 和y 是已知的，即y =0 0 y 0 =0采用龍格庫(kù)塔法從這些初值開(kāi)始逐步迭代，可得出該微分方程式在一系列計(jì)算點(diǎn)n (n=0，1，2， N上的數(shù)值解。設(shè)原方程為y =f ，y ，y ,

41、 并已知某一轉(zhuǎn)角為n 時(shí)的升程和速度各為y n =y n ，y n =y n 。取轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)為=0.5（一般取為0.5o 1.0o ），則下一個(gè)計(jì)算點(diǎn)n+1=n +上的升程y n+1和速度y n+1可由y n 和y n 用下式算出，即y n+1=y n +y n+( 26(k1+k 2+k 3 （4.9）y n+1=y n +6(k1+2k 2+2k 3+k 4 （4.9）式中的k 1=f n ，y n ，y n 即y （4.10）k 2=f n +k 3=f n +22，y n +2y n ，y n +22k 1 （4.11） k 2 （4.12），y n +y n 2( 24k 1，y n

42、+k 4=f n +，y n +y n( 22k 2，y n +k 3 （4.13）這樣從n=0初始點(diǎn)位置開(kāi)始逐點(diǎn)迭代計(jì)算。每一n 下的升程y n 和速度y n 得出后，該點(diǎn)的加速度y =f ，y ，y 也就得出了。微分方程中阻尼系數(shù)b 、b z 、1和2，在計(jì)算前必須獲得，但從以前的相關(guān)研究來(lái)看這些系數(shù)目前還無(wú)法分別測(cè)定。但是阻尼系數(shù) b +1+2 是可以推算的。已經(jīng)有實(shí)踐表明，阻尼值對(duì)整個(gè)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果不敏感。因此在此次計(jì)算中取b =0，b z =0，2=0，1=0.2 12計(jì)算，計(jì)算時(shí)不考慮氣門(mén)座的變形。將公式（4.4）、（4.5）（4.9）(4.13用matlab 編程。龍各庫(kù)塔法要求

43、迭代步長(zhǎng)為0.5，按照k1、k2、k3、k4的計(jì)算要求，需要我們找出轉(zhuǎn)角增長(zhǎng)0.25倍數(shù)的轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的左右理論升程Y 的值，在matlab 中樣條插值每隔0.25計(jì)算一次，便可得到所需Y 值。圖13. 計(jì)算按步長(zhǎng)增長(zhǎng)的Y 值詳細(xì)matlab 程序過(guò)程參見(jiàn)附錄B 。4.5動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果龍哥庫(kù)塔法matlab 分析程序見(jiàn)附錄B ，7000r/min額定轉(zhuǎn)速下動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果：圖 14.7000r/min轉(zhuǎn)速下實(shí)際升程與理論升程對(duì)比 圖15.7000r/min轉(zhuǎn)速下速度曲線(xiàn)圖16.7000r/min轉(zhuǎn)速下加速度曲線(xiàn)最大升程為y max =7.785mm，最大正速度Vmax=7.893m/s ，最大

44、負(fù)速度Vmax=-18.51m/s。加速度局部有較大波動(dòng)，由速度在該區(qū)域波動(dòng)引起，若解決該波動(dòng)，加速度峰值勢(shì)必會(huì)極大下降，所以本次分析中，加速度的極值具有很少的參考性。12000r/min高速轉(zhuǎn)速下實(shí)際生程與理論升程對(duì)比：圖17.12000r/min轉(zhuǎn)速下理論升程與實(shí)際升程對(duì)比 圖18.12000r/min轉(zhuǎn)速下速度曲線(xiàn) 圖19.12000r/min轉(zhuǎn)速下加速度曲線(xiàn)最大升程為y max =7.774mm，最大正速度Vmax=7.886m/s，最大負(fù)速度Vmax=-20.85m/s。加速度局部有較大波動(dòng)，由速度在該區(qū)域波動(dòng)引起，若解決該波動(dòng)，加速度峰值勢(shì)必會(huì)極大下降，所以本次分析中，加速度的極值

45、具有很少的參考性。五、動(dòng)力學(xué)特性評(píng)價(jià)5.1“飛脫”和“反跳”通過(guò)上述計(jì)算得到了氣門(mén)的實(shí)際升程曲線(xiàn)之后，就可以對(duì)該配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)了，即通過(guò)對(duì)比由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到的氣門(mén)理論升程曲線(xiàn)與由動(dòng)力學(xué)分析得到的氣門(mén)實(shí)際升程曲線(xiàn)，檢驗(yàn)該配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)“飛脫”和“反跳”。本文分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速、高速2種情況下的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，本發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為7000轉(zhuǎn)/分，所取的高速轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn)/分，由圖中轉(zhuǎn)速與升程的關(guān)系曲線(xiàn)可以得知：上面結(jié)果圖中顯示氣門(mén)實(shí)際升程曲線(xiàn)和理論升程曲線(xiàn)的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：1. 該發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速（7000r/min）和常用高速工作轉(zhuǎn)速（120

46、00r/min）下的氣門(mén)實(shí)際升程曲線(xiàn)和理論升程曲線(xiàn)基本重合，說(shuō)明該發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能良好，即凸輪型線(xiàn)的設(shè)計(jì)符合要求。2. 在該發(fā)動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)速（12000r/min）的情況下，在一些上升工作段上出現(xiàn)了氣門(mén)實(shí)際升程大于理論升程，即出現(xiàn)了傳動(dòng)鏈的脫節(jié)之處“飛脫”，不過(guò)升程之差卻很小；在氣門(mén)落座階段也并未出現(xiàn)氣門(mén)“反跳”現(xiàn)象。因此，此發(fā)動(dòng)機(jī)在高速轉(zhuǎn)速的情況下工作狀態(tài)也比較穩(wěn)定。3. 氣門(mén)實(shí)際開(kāi)啟階段會(huì)略晚于理論開(kāi)啟時(shí)間，同時(shí)實(shí)際氣門(mén)的最大升程也略小于理論氣門(mén)升程，這是由于氣門(mén)的彈性所引起；在氣門(mén)升程下降段出現(xiàn)了幅度較大的波動(dòng)，可能是由于配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈的剛度不夠。通過(guò)兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)速下的動(dòng)力學(xué)特性分

47、析，該發(fā)動(dòng)機(jī)并不存在較大的”飛脫”，“反跳”現(xiàn)象，說(shuō)明該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能良好。5.2各參數(shù)對(duì)配氣系統(tǒng)的影響從氣門(mén)運(yùn)動(dòng)微分方程可以看出分析，影響氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律因素有很多，比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)鏈剛度、系統(tǒng)質(zhì)量、凸輪型線(xiàn)等11。1. 配氣機(jī)構(gòu)與凸輪轉(zhuǎn)速氣門(mén)加速度與其所受慣性力與凸輪軸的轉(zhuǎn)速的平方成正比，在不改變配氣機(jī)構(gòu)其它因素條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，從動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果來(lái)看氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的加速度急劇增大。2. 配氣機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)鏈剛度傳動(dòng)鏈末端是氣門(mén)，氣門(mén)和氣門(mén)彈簧成對(duì)組合使用。氣門(mén)與傳動(dòng)件保持接觸，準(zhǔn)備隨凸輪運(yùn)動(dòng)。隨著彈簧剛度的增加，氣門(mén)發(fā)生“飛脫”可能性降低，趨勢(shì)減弱?！帮w脫”的幅值和轉(zhuǎn)角減少但彈簧剛度增加

48、另一方面將使得配氣機(jī)構(gòu)受力增大，受力增大必然導(dǎo)師變形增加，磨損加劇。一個(gè)傳動(dòng)鏈整體變形取決個(gè)各個(gè)環(huán)節(jié)的變形量，傳動(dòng)鏈的整體剛度影響著氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的平順性。3. 質(zhì)量對(duì)配氣機(jī)構(gòu)升程、速度、加速度影響F =d2Mdt, 隨著系統(tǒng)質(zhì)量的增大，系統(tǒng)所受慣性力成正比增大。質(zhì)量減少，受力減小，所帶來(lái)的變形量對(duì)氣門(mén)實(shí)際升程曲線(xiàn)的影響也越小，“飛脫”可能性減少，速度，加速度也隨之減小，運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，可靠性增加。4. 配氣機(jī)構(gòu)與凸輪型線(xiàn)凸輪型線(xiàn)決定氣門(mén)的理論升程規(guī)律，由于氣門(mén)機(jī)構(gòu)實(shí)際為一個(gè)彈性系統(tǒng)，配氣機(jī)構(gòu)真實(shí)的升程、速度、加速度是對(duì)應(yīng)一個(gè)具有固有頻率的疊加12。六、結(jié)論本文以某125型摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，完整的完成了對(duì)該機(jī)構(gòu)從理論分析，到模型的建立，到編程計(jì)算，到結(jié)論分析的全過(guò)程，并著重分析了該汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。具體實(shí)施為根據(jù)該高速汽油機(jī)的變搖臂比頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)和凸輪的凸輪升程表在Matlab 軟件中算出該配氣機(jī)構(gòu)的氣門(mén)理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析的方法建立配氣機(jī)構(gòu)的單質(zhì)量模型及微分方程式、