本文探討研究了柴油機配氣機構(gòu)UG下的優(yōu)化設(shè)計相關(guān)內(nèi)容。

　　針對柴油機配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的問題，通過改變凸輪型線進行凸輪軸的優(yōu)化設(shè)計，同時應(yīng)用UG軟件建立柴油機配氣機構(gòu)三維模型，并對配氣機構(gòu)進行運動學(xué)仿真。試驗結(jié)果表明，改進后系統(tǒng)的最大加速度顯著下降，配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性顯著提高。

　　柴油機配氣機構(gòu)的功能是依照工作循環(huán)的要求，定時開啟和關(guān)閉各缸的進、排氣門，不僅要保證氣缸進氣充分、排氣徹底，同時還應(yīng)滿足振動噪聲小，可靠性高等要求。凸輪軸作為配氣機構(gòu)中的關(guān)鍵零件，其輪廓型線對配氣機構(gòu)的性能有著直接的影響。原頂置氣門、下置凸輪軸、中心固定搖臂、2氣門結(jié)構(gòu)柴油機的凸輪外形是由幾段圓弧與直線以及阿基米德螺旋線相接而成，具有較大的豐滿系數(shù)，但其升程曲線加速度突變，機構(gòu)沖擊大、振動大。隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的不斷提高，其配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的問題日顯突出。

　　1 凸輪優(yōu)化設(shè)計

　　凸輪型線含緩沖段和工作段兩部分。由于只有二次以上的曲線才能與基圓相切，新設(shè)計中緩沖段采用二次拋物線(等加速段)和直線(等速度段)組成，且上升緩沖段與下降緩沖段對稱的方式。上升緩沖段數(shù)學(xué)表達式如下：

　　式中，h(φc)為凸輪升程;φc為凸輪轉(zhuǎn)角。

　　等加速段可保證從動件由實際基圓過渡到緩沖段工作時，速度由零逐漸增大，無突變;等速段可保證氣門機構(gòu)間隙變化大時，氣門仍以不變的速度升起或落座。

　　新設(shè)計中工作段采用高次多項式型線。高次多項式具有連續(xù)、高階可導(dǎo)的性質(zhì)，與緩沖段銜接很平滑。高次多項式型函數(shù)凸輪適用于轉(zhuǎn)速較高、平穩(wěn)性要求較高的柴油機，其從動件加速度光滑程度高，配氣機構(gòu)工作平穩(wěn)，具有參數(shù)調(diào)整方便、自由度大的特點，通過參數(shù)優(yōu)化很容易滿足各項要求 。

　　一般而言，在設(shè)計中可以取任意多項式的項數(shù)和冪指數(shù)，項數(shù)越多，所得到的配氣機構(gòu)的動力性越好。冪指數(shù)越大，則挺柱升程曲線越豐滿，使凸輪外形最小曲率半徑增大，有利于減小該處的接觸應(yīng)力，降低磨損，但其負加速度初段形狀不好，會提高對氣門彈簧的要求，而且還使最大正加速度值提高，正加速度段寬度減小，導(dǎo)致配氣機構(gòu)振動加劇。我們通過緩沖段和工作段在交界點處應(yīng)連續(xù)等條件求出多項式各系數(shù)值，選定高次七項式作為凸輪工作段型線函數(shù)式，挺柱升程為

　　在緩沖段設(shè)計完成以后，再確定基本工作段，使之至少二階連續(xù)可導(dǎo)，并且在基本工作段始點的挺柱升程、挺柱速度和挺柱加速度數(shù)值與緩沖段終點的相應(yīng)數(shù)值保持相等，即保持連續(xù)。以保證整個挺柱升程曲線的高次光滑性，改善柴油機在高速情況下的工作平穩(wěn)性。對于上述凸輪型線，其速度、加速度在整個曲線段內(nèi)平順連續(xù)是不成問題的。但其豐滿系數(shù)和凸輪最小曲率半徑相對較小，使氣門機構(gòu)出現(xiàn)飛脫的轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致負加速度段對氣門彈簧的適應(yīng)性不好，影響了柴油機工作的可靠性。為保證在氣門升程最大處有一最大負加速度，這里取a=2，并且b>4 。

　　鑒于原柴油機配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，機構(gòu)沖擊、振動大，而將加速度和加速度變化率的絕對值之和最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以豐滿系數(shù)不小于設(shè)定值等作為約束條件，對凸輪型線進行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)Metlab軟件計算和Lingo軟件編程計算，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)用分枝定界法得到優(yōu)化方程式的全局最優(yōu)解，計算結(jié)果為

　　2 配氣機構(gòu)的建模、仿真與驗證Unigraphics(簡稱UG)是美國EDS公司面向制造行業(yè)的CAD/CAE/CAM開發(fā)的軟件，為一個高度集成化的產(chǎn)品工程解決方案，用戶使用UG軟件能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。它的功能覆蓋整個產(chǎn)品開發(fā)過程：從概念設(shè)計、功能分析、工程仿真和數(shù)字化的制造等各個領(lǐng)域，已經(jīng)在制造業(yè)得到普遍的應(yīng)用。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　將由平面挺柱升程關(guān)系(2)式所得到凸輪型線的極坐標(biāo)方程式的極坐標(biāo)導(dǎo)人到UG的表達式工具中去，即可繪制出改進后凸輪精確型線，并通過拉升操作完成新凸輪軸實體的制作(見圖1)。根據(jù)生產(chǎn)圖紙可將原凸輪軸以及其他零件的實體一一導(dǎo)人UG，完成原機實體模型。繼而定義建立機構(gòu)各個零件的連接方式，最終完成配氣機構(gòu)模型的虛擬裝配總成(見圖2)。

　　UG的運動仿真分析依賴于ADAMS解算器，在設(shè)定運動副后，機構(gòu)在指定的時間段中運動，同時對該時間段中的步數(shù)進行運動分析，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成動畫、圖表和報表文件，機構(gòu)的運動過程還可以生成照片級動畫和MPEG電影文件。

　　在裝配總成模型中創(chuàng)建相應(yīng)的運動連桿、運動副和運動源后，就可實現(xiàn)配氣機構(gòu)在UG運動模塊中的仿真。將新設(shè)計的凸輪軸裝入模型中，即得到改進后機構(gòu)運動的仿真結(jié)果;將原凸輪軸裝入模型中，可得到改進前機構(gòu)運動的仿真結(jié)果。改進前、后的挺柱位移、速度、加速度、加速度變化率對照曲線見圖3～圖6。

　　從圖3中可以看到，改進前后凸輪的最大升程相同，新設(shè)計的凸輪豐滿系數(shù)略有下降;從圖4和圖6中可以看到，新機構(gòu)中挺柱運動的最大速度、最大加速度和最大加速度變化率都有不同程度的下降，尤其是最大加速度下降幅度較大，效果顯著。

　　在臺架進行性能和可靠性試驗過程中，樣機配氣機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，性能穩(wěn)定。300 h全負荷可靠性試驗后，拆檢配氣機構(gòu)后看到凸輪表面和挺柱底面僅有均勻亮痕，無明顯磨損，其他摩擦副均正常，無明顯磨損、沖擊痕跡。

　　3 結(jié)論

　　1)改進后的凸輪以高次多項式作為凸輪型線，使挺柱的最大加速度下降，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的兒何凸輪。

　　2)下置式凸輪軸配氣機構(gòu)是一個彈性系統(tǒng)，其彈性變形會對氣門運動產(chǎn)生較大的影響，在設(shè)計凸輪外形時，應(yīng)重視配氣機構(gòu)的動力學(xué)分析，用動力學(xué)分析結(jié)果來指導(dǎo)配氣機構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計，以達到完美的結(jié)果。

　　3)UG在實體建模、機構(gòu)運動仿真、動力學(xué)仿真等方面具有一定的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣泛。

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