内燃机配气机构设计及分析(新品)☆

摘    要
配气机构作为内燃机的重要组成部分，控制着发动机进排气过程，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分，配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。
文中以某摩托车企业自主开发的125ML发动机为优化对象，在掌握配气机构设计要求、原则以及设计流程的情况下，对原始配气机构性能进行了计算和分析，明确了原始配气机构存在的气门丰满系数偏低、气门正负加速度过大、气门落座冲击力过大、凸轮与下摇臂之间的接触应力过大等问题，为了改进这些缺点，本文进行了配气机构零部件特别是配气凸轮型线的改进设计及其主要影响因素的探讨，并提出了优化设计方案，完成此配气机构的优化设计。
本文运用UG三维建模软件建立了所设计的配气机构的三维实体模型，并运用ADAMS多体动力学仿真软件建立了此配气机构的多体动力学模型，在不同发动机曲轴转速的情况下，对所设计出的配气机构进行了多体动力学仿真。得出了气门升程、气门开启速度、气门开启加速度、气门间隙调整螺钉与气门之间的作用力、气门落座力、凸轮与下摇臂之间接触力等运动规律和受力情况，在对得到的数据进行了相应的理论分析后，根据表现出来的缺点，不断优化配气机构各个零部件的参数，以获得具有较好的运动学和动力学特性的配气机构。

关键词：配气机构，凸轮型线，ADAMS，多体动力学，优化设计

ABSTRACT
The valve train is one of the most important in a internal combustion engine, which controls the inlet and intake procedure of engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine's high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal design.
The optimization for the object base on a 125ML engine which independent designed by some or other motorcycle corporation, in the master valve train design requirements, design principles and design flow, the original valve train have calculation and analysis in this paper, we can find the original valve train have low coefficient of gas fullness, plus or minus valve acceleration is too large, the impact force from valve seat is too large, the impact force between cam and the rocker is too large, in order to ameliorate these shortcomings, the paper take much discuss with the valve train part in particular with cam, and an optimization design have been take out, the valve train of optimal design is completed.
This paper use UG which is a three-dimensional modeling software modeling the 3D models of the valve train ,and use ADAMS which is a multi-body dynamics simulation software modeling this multi-body dynamics model, in the engine crankshaft speed under different circumstances, this paper take the valve train a multi-body dynamics simulation. We gained the lift range of valve, the speed of valve, the acceleration of valve, the impact force from valve clearance, the impact force from valve seat, the impact force between cam and the rocker, after take theoretical analysis with the data, based on the demonstrated shortcomings, this paper constantly optimize the valve train’s parameters to get a better kinematics and dynamics of the valve train.

Key words： Valve train, Cam profile, ADAMS, Multi-body Dynamics, Optimization design

本文的主要研究内容
本文研究工作是针对某企业开发的单缸摩托车用发动机配气机构进行的。
课题研究内容如下：
1）掌握配气机构的设计准则、要求以及设计步骤
通过资料检索，文献查阅，掌握配气机构整体和各个零部件的设计准则、要求以及设计步骤，根据发动机的性能参数要求、几何尺寸要求、各个零部件不同的使用环境等约束条件，掌握配气机构关键零件的设计与校核方法。
2）配气凸轮型线优化设计
分析原始配气凸轮型线的不足，了解目前国内外常用的凸轮型线设计方法，针对原有的凸轮型线有目的有意义地构造新型非对称型线。该型线能保证配气机构获得尽可能大的时面值或丰满系数，以提高内燃机的充气效率和降低残余废气系数，以此获得较好的动力性和经济性；并使配气机构具有良好的运动规律，即较低的气门落座速度，加速度曲线连续、无突变，正负加速度绝对值限定在允许范围内，同时力求小的表面接触应力，避免高速运转时气门、摇臂出现“飞脱”和“反跳”现象。以保证配气机构能平稳、低噪声、高效、可靠地工作。
3）配气机构运动学分析
通过仿真结果对配气机构的运动学特性，特别是气门的升程、速度、加速度进行分析，判定配气机构的运行平稳性。分析与试验测定原始配气机构的配气相位，并对此进行评价，作为改善发动机的换气质量、充气效率、转矩外特性、怠速稳定性等的依据。
4）配气机构动力学分析
建立本设计中发动机配气机构的UG三维实体模型，并建立本发动机配气机构在ADAMS中的多体动力学模型，通过对配气机构的多体动力学仿真，获取气门开度、气门开启速度、气门开启加速度、气门间隙调整螺钉与气门之间的作用力、气门落座力、凸轮与下摇臂之间接触力等运动规律和受力情况。并分析发动机转速、气门弹簧刚度、系统质量、凸轮型线等因素都对配气系统的影响。
5）绘制配气机构关键零件的二维图纸
   根据机械制图的要求，绘制在降低发动机配气机构噪声方面起着关键作用的零部件的二维图纸。

本文结合内燃机噪声控制技术研究的实际项目而展开，在总结国内外大量献的基础上，以摩托车 CG 125系列发动机配气机构为研究对象，借助计算多体动力学技术建立在ADAMS环境下的配气机构虚拟样机仿真模型。对其配气凸轮型线、气门弹簧、机构运动学、机构动力学等作了研究和分析。最后得出了具有良好充气性能与动力特性得新型配气凸轮。
本文的工作及成果如下：
○1通过查阅大量文献和实物测量，了解嘉陵CG125发动机配气机构的构造获得了原始配气机构的主要参数，为引入配气凸轮机构的优化设计提供了必要的知识准备。
○2分析了原始发动机配气机构性能及存在的问题，确定了从凸轮型线入手对配气机构进行改进。在了解了凸轮型线设计的要求、准则的情况下，对多种凸轮型线进行了比较，最终选取了高次多项式型线作为工作段，等加速——等速型线作为缓冲段的凸轮型线优化方法。并在确立了以提高进气丰满系数为目标，控制气门加速度冲击（引起配气机构噪声的主要因素）为约束条件的情况下，对凸轮型线进行了优化，得到了新型凸轮的升程方程。
○3简要介绍了配气机构中其余零件的设计要求、方法及材料的选择。并根据仿真结果对气门弹簧进行了改经。
○4通过UG建模软件建立了改进后配气机构的三维几何模型，并在此基础上通过多体动力学仿真软件ADAMS建立了配气机构的仿真模型。通过大量仿真结果分析，发现改进后的配气机构气门具有光滑连续的升程和速度特性曲线和具有良好性能的加速度曲线；着重分析了气门间隙调整螺钉与气门之间的作用力和气门落座冲击力，最后证实新型凸轮机构在发动机规定转速范围内并没有出现“飞脱”和“反跳”现象，且各项冲击力均小于原始配气机构所得值，这就表明本文对配气机构的改进使得配气机构噪声得以降低。

目   录   34000字
中文摘要    Ⅰ
ABSTRACT    Ⅱ
1绪论    1
  1.1 课题来源    1
1.2 问题的提出及研究意义    1
1.3 摩托车配气机构国内外发展、研究现状    2
  1.4 本文的主要研究内容    4
2 配气机构的机构设计    6
    2.1 嘉陵CG125发动机配气机构简介    6
    2.2 配气机构的设计内容与要求    7
    2.2.1 配气机构的设计内容    7
    2.2.2 四冲程发动机配气机构的设计要求    8
    2.3 静态优化设计方法    8
    2.4 配气机构的机构型式选择    9
    2.5 本章小结    9
    3 凸轮型线的优化设计    10
    3.1 引言    10
    3.2 配气凸轮的设计要求    10
    3.3 配气凸轮的表示方法    11
    3.4 配气凸轮型线的设计准则    11
    3.5 凸轮型线的设计方法    13
    3.5.1 缓冲段设计方法    13
    3.5.2 工作段设计方法    15
    3.6 凸轮型线的改进设计    20
    3.6.1 凸轮基圆半径的确定    20
    3.6.2 凸轮型线的设计计算    21
    3.7 本章小结    28
    4 配气机构的零件设计方法    29
    4.1 气门的设计    29
    4.1.1 气门的工作条件    29
    4.1.2 气门的设计要求    29
    4.1.3 气门的结构设计    30
    4.1.4 气门材料    32
    4.1.5 气门的强化工艺    32
    4.2 气门弹簧设计    33
    4.2.1 气门弹簧的工作条件    33
    4.2.2 气门弹簧材料    34
    4.2.3 气门弹簧强化工艺    34
    4.2.4 气门弹簧力及尺寸的确定    34
    4.2.5 气门弹簧优化数值计算    38
    4.3 本章小结    39
    5 配气机构动力学分析    40
    5.1 引言    40
    5.2 配气机构多刚体模型的建立    41
    5.2.1 配气机构几何模型的建立    41
    5.2.2 配气机构的拓扑结构    42
    5.2.3 部件连接点的约束定义    42
    5.2.4 定义驱动与载荷    43
    5.3 配气机构动力学仿真与分析    45
    5.3.1 配气机构仿真结果    45
    5.3.2 气门、摇臂的“飞脱”与“反跳”    53
    5.4 本章小结    54
6 结论    55
参考文献    58
附录A：凸轮型线m、n值选择表    60
含任务书，开题报告和外文翻译资料