汽车进排气的瞬时运动分析设计

为配气机构的设计提供便利。

设计的意义气门机构是发动机进排气系统的重要组成部分。

同时，进排气阀门噪声也是发动机噪声的主要来源之。

随着发动机转速不断提高以及广泛采用的多气门方案都可能导致发动机进排气阀门噪声的增加。

在发动机噪声法规的日益严格的今天，对发动机进排气阀门的运动分析是很有意义的。

计算机辅助设计也是意义重大。

现代社会分工中，设计工作是项各行业都需要的重要工作，其对行业的发展各项工作的开展都有着重要的积极。

服装设计机械设计工程设计汽车设计图形图像设计等已经成为了行业工作所必须的工作。

计算机辅助系统的出现为设计人员的工作带来了巨大的变化，其极大的缓解了传统手工制图设计存在的劳动量大不易修改等缺点，促进了设计工作的改革以及工作效率的提高。

科学的分析计算机辅助设计对设计工作的重要意义有助于相关软件企业针对行业应用细化计算机辅助设计系统，为设计工作提供更加便捷稳定的辅助设计系统。

.柴油机配气机构现状过去的配气机构设计，只单研究凸轮，而没有考虑其他零部件产生的影响。

由于配气机构是个弹性系统，它由许许多多的零部件所组成，往往个成功柴油机所采用的凸轮应用于其他类型的柴油机上不定效果会好，凸轮必须和整个配气机构系统结合在起进行考虑，良好的凸轮设计也必须与系统的其他零部件正确匹配，才能达到希望的效果图。

为了准确研究配气机构的动态性能，了解气门的实际运动规律，在机构动力学仿真分析方面，目前已采用了多种分析模型。

其中比较基础的是单自由度质量模型。

它是将机构简化成由个质点弹簧及阻尼器组成的系统，它把机构的质量简化到个质点上，把机构的弹性等加到个等刚度无质量的弹簧上，阻尼等效到阻尼器上，该模型具有简单方便等特点，可以满足般的低中速柴油机的要求，但由于把质量和刚度都等效到个点上，不能求出机构各部件的运动和受力情况，不能判断机构零件之间是否发生飞脱，也无法得知弹簧的振动情况。

为了克服单自由度模型存在的不足，发展了多自由度质量模型。

多自由度质量模型具有比单自由度质量模型更为真实反映实际机构状况的优点，利用多自由度质量模型能精确地研究各传动部件的运动规律和受力情况，也能分析气门弹簧的振动情况。

对于多自由度质量模型，最主要的问题是计算的复杂性，随着计算机技术的发展和广泛应用，各种商业配气机构软件的推广，多自由度质量模型已逐渐成为配气机构动力学建模的主要方式。

世纪初仿真技术已得到应用。

例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。

年航空航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。

年计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。

采用仿真技术，可以在计算机内对内燃机产品的部件装配并进行机构运动仿真，由仿真运行可校核部件运动轨迹，及时发现运动中部件干涉隐患对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。

通过几个五年计划的努力，我国仿真技术得到了快速发展，并取得了突破性成果。

在国防工业领域，建成了不同类型的半实物仿真系统。

在军事领域建立了指挥作战训练的仿真系统及半实物仿真试验室。

我国的多媒体仿真技术正处于起步和发展时期，清华大学北京大学华中理工大学和些部队院校已开始了有关这方面的研究。

目前，国内大学和企业己进行了机构运动动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据。

.设计内容气门凸轮式配气是目前内燃机上应用最广泛的配气形式，本文采用的柴油机配气机构为下置凸轮轴式滚轮随动件叉型摇臂双气门配气机构，主要由凸轮轴滚轮推杆挺柱摇臂气门垫块气门气门座等部件组成。

用软件对配气机构各零部件进行立体建模，根据各零部件之间的位置和约束关系建立起配气机构的装配模型。

考虑到该模型进行仿真分析时的可视化效果，各机构模型均按照实际结构建立。

各零部件的质量转动惯量质心位置等物理特性参数均由三维软件精确计算得到。

再将模型导入软件进行多体动力学计算，.采用世界上广泛流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程。

对于刚体，采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，接着建立约束方程和作用力方程，并将它们都写成广义坐标的表达式，最后用拉格朗日乘子法建立系统的运动微分方程。

.用计算机辅助配气机构设计分析在静态优化设计中，将配气机构看作绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形，用该方法设计凸轮型线，主要用以下三项指标来判别其好坏静态充气性能。

通常用挺柱升程丰满系数和时面值来表示，希望此值越大越好。

静态加速度峰值。

即挺柱的最大正负加速度值。

其绝对值越小，凸轮轴的高速动态性能越好。

轮廓面最小曲率半径或凸轮与挺柱表面的接触应力。

设计凸轮时，应避免凸轮曲率半径过小，否则会导致接触应力过大，使凸轮出现过早磨损。

用静态优化设计的凸轮，虽然加速度曲线不连续，配气机构惯性力可能会产生突变，时面值较大。

但当柴油机转速上升时，配气机构的弹性变形会引起气门的剧烈振动，严重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动噪声和零件间的磨损，还会使充气效率下降，为了解决静态设计的不足，人们提出了动态设计的方法。

在动态设计中，考虑到系统的弹性变形，气门在工作中会产生振动，影响配气机构动力性能和平稳性，因此必须对配气机构在工作中的动态特性进行评估。

在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线气门的动态加速度峰值根据单质点振动模型或多质点振动模型计算出最大加速度峰值和第个负加速度峰谷，以及落座后的气门动态响应。

动态充气性能考虑进排气管压力波动多缸机各缸的进气不均现象及配气相位对充气性能的影响。

随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，是当转速提高，吸气冲程时间缩短，进排气管压力波的动态响应增大另外方面气门发生脱离和反跳，破坏了正常的静态充气性能。

挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况。

.本文研究内容本文主要对配气机构的个零件的形状和尺寸进行设计，得到个零件图的详细尺寸，再通过计算机软件即进行三维的实体建模，得到个零件的三维图，将各个零件装配到起，得到配气机构的装配图。

通过三维转配模型导入软件，通过软件对配气机构进行仿真分析。

主要内容如下通过对配气机构的运动学与动力学的分析与计算配气机构杆构受力的分析与计算，建立型柴油机曲轴连杆机构的数学模型。

根据设计要求运用三维绘图软件在计算机内建立准确的轴系各构件的实体模型，主要包括凸轮轴挺柱推杆摇臂气门等。

对型柴油机曲轴连杆机构模型运用多体动力学软件进行动态仿真。

根据仿真导出数据曲线，对曲线进行分析。

第章配气机构零部件设计.气门气门设计的基本要求材料方面气门的工作温度是确定气门材料的主要因素。

在气门工作温度范围内材料应具有足够的强度。

韧性和表面硬度。

由于排气呢锥面磨损常为腐蚀磨损，因此在选择材料时候必须考虑化学腐蚀主要是硫和磷的性能。

进气门锥面多属磨损摩擦，因此进气门侧重耐磨。

结构方面要求结构简单加工方便，且颈部形状也要恰当，以便减少气体的流动阻力，增加其进气冲量。

在保证足够的强度刚度和耐磨性的前提下的重量选择。

气门的工作条件分析及材料的选择气门室发动机的重要零件之。

工作时需要承受较高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门，由于经常高温燃气的冲刷，因而易于产生漏气。

腐蚀与烧损等现象，工作条件也更为严酷。

气门工作时承受落座冲击负荷及燃气压力给以的静负荷，这种静负荷般在左右，而冲击负荷般为.左右气门的工作温度进气门约为，而排气门则可达，甚至更高，下面是柴油机的排气门的温度场。

气门材料的选择必须考利到它的工作温度腐蚀冲击载荷以及气门杆部与端面的耐磨等因素。

而且进排气门的对材料的要求也是不同。

就发动机的选材进气门的材料用排气门的材料用。

气门选择材料的方法马氏体钢般气门中采用铁素体合金钢，含碳量在之间，经淬火后可得到马氏体组织以上耐磨的要求，这种材料的机械性能加工性好，滑动性好，在工作温度超过的排气门上广泛应用，如等。

但在强化程度较高的发动机上，由于热负荷和机械负荷高，因而对气门锥面的耐磨耐腐蚀性能提出更高的要求，这时，可采用堆焊气门，这是种头部采用奥氏体钢，杆部采用马氏体钢的气门。

可用摩擦焊或闪光焊来堆焊。

堆焊气门设计的关键是正确地焊接部位。

应从以下两个方面来考虑首先界面处应在气门头部应力区之外并离颈部顶圆弧中点附近的热点较远其次耐热性较差的杆部材料不要受到高温燃气的侵蚀焊接的部位以选在气门全开时界面与导管下端相齐或略高为宜。

奥氏体钢这类钢在常温和工作温度下基本上全是奥氏体组织，不能淬硬。

它的高温强度好，耐腐蚀性好奥氏体钢用做高功率柴油机的排气门，其最高工作温度允许达。

国产奥氏体钢广泛用作机车和大型载重汽车的柴油机排气门。

气门头的设计气门头部的形状气门头部的形状除了影响气体的流通特性之外，还会影响到气门的刚度重量导热性能以及制造成本等，同时也关系到气门的使用期限。

因此根据不同发动机的不同情况进行具体的分析，然后确定合理的方法。

根据柴油发动机的结构采用平底型气门。

因为这种气门的结构简单工艺性好受热面小，具有定的刚度，图.平底型气门基本上式满足进排去的要求。

这种型号在各类柴油机得到了广泛的运用。

图.是平底型气门的示意图。

气门头部的直径增大进排气流通截面是减少进排气阻力，提高进气量的途径，同时气门头部直径的选择还要考虑到燃烧室的形状，气缸盖进排气门的布置，气道之间冷却水套的设计以及气门受热和冷却的均匀性等因素。

综上的条件柴油发动机的进排气门的直径都取。

气门锥面斜角在气门开启初期及接近关闭时，气门锥面斜角的大小对于气体的流通断面有较大的影响。

这时的流通断面大致与斜角的余弦成正比。

此外，气门与气门座之间的单位压力随斜角的增加而增大，而气门与气门座之间的相对滑移则随斜角的减小人减小，因此气门的确定必须根据发动机的综合情况而定，对于柴油发动机的气门斜角都是。

气门头部厚度及锥面宽度气门头部厚度的设计，主要是从气门的刚度来考虑，气门在燃烧压力的作用下会引起变形，变形过大会使气门的密封性下降，锥面磨损加剧。

由于头部厚度对气门的刚度影响比颈部圆弧要大得多，因此当需要增加气门刚度时首先考虑增加头部的厚度。

如果还受到气门质量的限制，则常用适当减小颈部圆弧半径来得到弥补。

厚度与气门头部的外径有定的比例，般.式中，为气门头部锥面厚度，为气门头部外圆直径。

柴油机气门的头部厚度取