頂置凸輪式汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究開題報(bào)告

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開 題 報(bào) 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫 2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述引言近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車作為交通工具越來越重。汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，影響整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，因此成為各大廠商研究的重點(diǎn)。配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)三大機(jī)構(gòu)之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性和有害氣體排放有很大影響 [1]，并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的可靠性和噪聲，然而近年來隨著發(fā)動(dòng)機(jī)低排放、高速化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其性能指標(biāo)要求越來越高，要求其在高速運(yùn)行的條件下仍然能夠平穩(wěn)、可靠的工作，因此對(duì)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高，一方面希望氣門加速度較大，以使氣門迅速地開、關(guān)，從而達(dá)到最好的換氣效果以提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；另一方面，希望載荷保持相對(duì)較小，以減小加速度，從而減小振動(dòng)和噪聲，并延長(zhǎng)使用壽命。這樣的矛盾要求給配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來困難，因此需要精心設(shè)計(jì)氣門的升程曲線以達(dá)到最佳設(shè)計(jì) [2]，所以，配氣機(jī)構(gòu)是當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)研究的主要方向之一。1.配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其作用配氣機(jī)構(gòu)一般由氣門、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、凸輪、挺柱、推桿、氣門搖臂等構(gòu)成 [3]。氣門是燃燒室的組成部分，又是氣體進(jìn)、出燃燒室的通道，在工作中要承受極大的交變和沖擊載荷及高溫、高速燃?xì)獾臎_刷與腐蝕作用，工況極為苛刻。氣門設(shè)計(jì)的合理與否不僅與發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)指標(biāo)有關(guān)，還與整機(jī)的可靠性和氣門使用壽命密切相關(guān)[4]。氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各機(jī)構(gòu)件間一般只能傳遞壓力，不能傳遞拉力，所以氣門機(jī)構(gòu)必須用回位彈簧維持機(jī)構(gòu)各零件間的正常接觸，這種回位彈簧一般布置在氣門上，稱為氣門彈簧 [5]。它的作用是：在氣門關(guān)閉時(shí)，依靠彈力使氣門與氣門座保持閉合密封；在氣門啟閉過程中，使氣門及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不脫離凸輪的控制并隨之運(yùn)動(dòng)。氣門彈簧在工作時(shí)承受周期性交變載荷，還必須克服機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能產(chǎn)生的振動(dòng)所引起的附加載荷 [6]。凸輪軸承受周期性的沖擊載荷。凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力很大，相對(duì)滑動(dòng)速度也很大，因此，凸輪工作表面的磨損比較嚴(yán)重。針對(duì)這種情況，凸輪軸軸頸和凸輪工作表面除了應(yīng)該有較高的尺寸精度、較小的表面粗糙度和足夠的剛度外，還應(yīng)有較高的耐磨性和良好的潤(rùn)滑。搖臂主要是將推桿和凸輪傳來的運(yùn)動(dòng)和作用力，改變方向傳給氣門使其開啟。2.研究現(xiàn)狀配氣機(jī)構(gòu)的任務(wù)是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)工況的需要適時(shí)適度的開閉進(jìn)排氣門，對(duì)氣缸進(jìn)行換氣 [7]。近來，國(guó)內(nèi)外對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的研究都相當(dāng)重視。隨著現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及噪聲標(biāo)準(zhǔn)的提高，如今對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的要求不斷提高，這使發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研發(fā)工作，在追求性能先進(jìn)，結(jié)構(gòu)可靠、耐用、環(huán)保方面取得了很大進(jìn)步?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)的各個(gè)方面，包括型線、挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、氣門振動(dòng)模型、挺柱與凸輪的接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力等。國(guó)外對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)噪聲模型、摩擦及配氣相位可變氣門正時(shí)等研究有一些報(bào)道，我國(guó)也在治理研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱動(dòng)力潤(rùn)滑、非對(duì)稱凸輪線及凸輪型線擬合等問題。3.1 氣門彈簧設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)外氣門彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法主要有基于蟻群算法的內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于模糊方法的可靠性多目標(biāo)的氣門彈簧的設(shè)計(jì)方法，基于蒙特卡羅法的氣門彈簧穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，基于多目標(biāo)的內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。蟻群算法 ACA(ant colony algorithm)是一種新型的仿生模擬進(jìn)化算法 [8],是隨機(jī)搜索算法的一種。其思想起源于離散的網(wǎng)絡(luò)路徑問題,主要特點(diǎn)是：較強(qiáng)的普遍性、分布式計(jì)算、易于與其它算法相結(jié)合?；谙伻核惴ǖ臍忾T彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)以一維為例,引伸到幾維空間的函數(shù)求解，以質(zhì)量最輕、高度最小以及防共振為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo) [9]?；谀：椒ǖ臍忾T彈簧設(shè)計(jì)主要以可靠性為約束條件，以氣門彈簧質(zhì)量最輕、剛度誤差最小為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，用線性加權(quán)組合法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行求解，采用模糊學(xué)方法對(duì)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行模糊評(píng)判，求出最優(yōu)加權(quán)系數(shù)。該方法有效而實(shí)用，對(duì)求解多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題具有實(shí)用意義 [10] [11]。蒙特卡羅是一種計(jì)算機(jī)模擬方法,又稱隨機(jī)模擬法或統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)法 [12][13]，是一種根據(jù)統(tǒng)計(jì)抽樣理論近似求解數(shù)學(xué)問題或物理問題的方法。基于蒙特卡羅的彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)以氣門彈簧質(zhì)量最小以及防共振性能最好為目標(biāo)，以鋼絲直徑、彈簧直徑、彈簧圈數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以彈簧指數(shù)、彈簧強(qiáng)度、彈簧穩(wěn)定性、彈簧尺寸等為約束條件，建立了某內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用遺傳算法得到了全局優(yōu)化結(jié)果。應(yīng)用蒙特卡羅方法，將設(shè)計(jì)變量處理為具有正態(tài)分布特征的隨機(jī)變量，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行穩(wěn)健性分析。綜合運(yùn)用機(jī)械優(yōu)化理論的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過分析內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建立起以內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧的質(zhì)量、高度及防共振性能為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型, 采用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論對(duì)氣門彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)可以降低了生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，而且可以減輕內(nèi)燃機(jī)的軸承負(fù)荷和振動(dòng)等。3.2 凸輪型線的優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)是由配氣凸輪驅(qū)動(dòng)的，所以配氣機(jī)構(gòu)的這些性能指標(biāo)在很大程度上取決于配氣凸輪的結(jié)構(gòu)。尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高以后，凸輪型線設(shè)計(jì)的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣性能和動(dòng)力性能的影響更大 [14]。最近，海馬轎車有限公司的王艷芳、王少輝 [15]等汽車工程師做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，他們選擇了三種不同型線的進(jìn)氣凸輪軸和同種型線的排氣凸輪軸在同臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行匹配，進(jìn)行了仿真分析，建立了配氣相位模型，得出仿真結(jié)果，并將三種不同型線進(jìn)氣凸輪軸先后安裝到同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行性能試驗(yàn)驗(yàn)證通過 GT-Power 仿真分析及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同的凸輪型線發(fā)動(dòng)機(jī)的功率值和扭矩值等性能參數(shù)的影響很大，充分說明了凸輪型線使影響發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的主要因素，因此，選擇適當(dāng)凸輪型線的進(jìn)氣凸輪軸，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性有重要意義。目前，對(duì)配氣凸輪的研究已經(jīng)涉及配氣機(jī)構(gòu)性能的各個(gè)方面 [16]，包括型線、挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、氣門振動(dòng)模型、挺柱與凸輪的接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力等。國(guó)外對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時(shí)等的研究有一些報(bào)道，我國(guó)也在致力研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱副的動(dòng)力潤(rùn)滑、非對(duì)稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等間題。上海交通大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所馬逢峻、周振華 [17]等教授，將某大型柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的幾何凸輪改進(jìn)為函數(shù)凸輪,他們通過 ADAMS 軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)建模并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。并通過改進(jìn)前后的配氣機(jī)構(gòu)的各參數(shù)，得出的結(jié)論是：采用函數(shù)凸輪可以增大豐滿系數(shù),減小氣門最大加速度,有能力在保證氣門不飛脫的前提下,進(jìn)一步提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速,從而提高輸出功率。在凸輪型線設(shè)計(jì)中,采用最優(yōu)化技術(shù)以來,經(jīng)歷了靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)階段 [18]。在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將配氣機(jī)構(gòu)看成絕對(duì)剛體，不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形.，用此方法設(shè)計(jì)凸輪型線主要用靜態(tài)充氣性能、凸輪廊面最小曲率半徑指標(biāo)來判別其好壞。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，考慮彈性變形，把配氣機(jī)構(gòu)看成彈性系統(tǒng)，主要由氣門的動(dòng)態(tài)加速度峰值、動(dòng)態(tài)充氣性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)其優(yōu)劣。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是從配氣凸輪型線與配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)（剛度與質(zhì)量）統(tǒng)一考慮在內(nèi)進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)配氣凸輪型線凸輪轉(zhuǎn)速和配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)之間有一個(gè)最優(yōu)化匹配。濰坊學(xué)院劉云、肖恩忠 [19]教授對(duì)三種優(yōu)化技術(shù)方法進(jìn)行了詳細(xì)的比較，分別提出了靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，他認(rèn)為：（1）用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的圓弧凸輪,雖然加速度曲線不連續(xù),配氣機(jī)構(gòu)慣性力有突變,但有較大的時(shí)間-斷面值。對(duì)轉(zhuǎn)速不高的發(fā)動(dòng)機(jī)來說,它所引起的振動(dòng)和噪音較小,故在較低轉(zhuǎn)速的發(fā)動(dòng)機(jī)上還有一定的使用價(jià)值。但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,振動(dòng)和噪音趨于嚴(yán)重，靜態(tài)優(yōu)化法就不太適用了。（2）用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的凸輪有多項(xiàng)動(dòng)力凸輪、正弦拋物線凸輪、n 次諧波凸輪等。多項(xiàng)動(dòng)力凸輪只從彈性變形的角度出發(fā)設(shè)計(jì)凸輪外形,動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然考慮了配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形和振動(dòng)問題,但僅局限于凸輪型線的優(yōu)化。并未考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性振動(dòng),故沒有從根本上解決配氣系統(tǒng)的振動(dòng)等問題。（3）統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將配氣凸輪型線與配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)(剛度和質(zhì)量)統(tǒng)一考慮在內(nèi),進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。配氣凸輪型線、凸輪轉(zhuǎn)速和配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)之間有一個(gè)最優(yōu)化匹配關(guān)系,其中凸輪型線正加速度的寬度對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)強(qiáng)度影響很大。因?yàn)榧?lì)的能量主要從正加速度傳給整個(gè)配氣機(jī)構(gòu),所以凸輪正加速度的形狀和寬度對(duì)凸輪激勵(lì)特性具有決定性意義，但一般系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法是將配氣機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為單質(zhì)量或多質(zhì)量模型,得出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的微分方程,但一般不能得出解的表達(dá)式,無法對(duì)解的形態(tài)和特性進(jìn)行分析。4.結(jié)論：本文綜述了內(nèi)燃機(jī)的目前的發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)，論述了對(duì)配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性，提出了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向，闡述了當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展水平，提供了相應(yīng)的參考。 參考文獻(xiàn)：[1] 周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社．2005，1：336～337[2] 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