金杜挺

摘要：針對12150L型柴油發(fā)動機氣門凸輪式配氣機構(gòu)，基于多項式型運動規(guī)律，設(shè)計最佳凸輪輪廓線型，以減少從動件運動沖擊，提高發(fā)動機性能。Matlab對不同類型從動件多項式運動規(guī)律進(jìn)行仿真，得出位移、速度、加速度與凸輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系曲線，對比結(jié)果顯示五次多項式運動規(guī)律下配氣機構(gòu)從動件產(chǎn)生慣性力最小，凸輪從動件沖擊現(xiàn)象最小。

Abstract： For the valve-type valve train of the 12150L diesel engine， based on the polynomial motion law， the optimal cam profile is designed to reduce the impact of the follower and improve the engine performance. Matlab simulates the law of polynomial motion of different types of followers， and obtains the relationship between displacement， velocity， acceleration and cam angle. The comparison results show that the inertial force of the follower of the valve train is the smallest under the fifth-order polynomial motion law. The impact of the moving parts is minimal.

關(guān)鍵詞：凸輪輪廓線型;matlab仿真;沖擊現(xiàn)象

Key words： cam profile;matlab simulation;impact phenomenon

0 ?引言

發(fā)動機是智能制造發(fā)展最主要動力裝備之一，發(fā)動機性能好壞直接影響整體能源效率與排放[1]。對發(fā)動機性能造成影響的多種因素中，配氣機構(gòu)是主要原因之一[2]，它將對設(shè)備整體的安全性，可靠性造成嚴(yán)重的影響[3]。在眾多形式配氣機構(gòu)中，氣門頂置式凸輪配氣機構(gòu)是最常用的一種，其具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高等特點[4]。在運行過程中，配氣機構(gòu)由其配氣凸輪帶動，因此配氣凸輪線型設(shè)計對整體機構(gòu)運行效率起關(guān)鍵作用[5]。具有良好線型的配氣機構(gòu)，進(jìn)排氣效率高，時面值大，損耗低，反之則容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)換效率低，傳動脫落等問題[6]。

設(shè)計改進(jìn)凸輪配氣機構(gòu)線型時，大多通過參考資料結(jié)合經(jīng)驗的方法，完成配氣機構(gòu)凸輪輪廓曲線設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)完成凸輪配氣機構(gòu)運動分析計算，驗證其合理性[7]。這樣的設(shè)計驗證過程，一方面設(shè)計計算難度大，靈活性低，設(shè)計過程很難考慮到凸輪輪廓由于多段曲線連接造成曲率半徑變化而對輪廓曲線產(chǎn)生的影響[8]。另一方面，轉(zhuǎn)動軸高速運轉(zhuǎn)造成了配氣機構(gòu)彈性形變，進(jìn)而對配氣機構(gòu)運動性能產(chǎn)生影響，改變了配氣機構(gòu)位移、速度、加速度等運動參數(shù)，尤其是速度和加速度，從而對輪廓曲線設(shè)計產(chǎn)生影響[9]。設(shè)計過程的不全面考慮造成從動件運動規(guī)律偏差，最終影響配氣機構(gòu)運動，導(dǎo)致發(fā)動機整體效率降低并影響設(shè)備安全[10]。

針對此，以12150L型柴油發(fā)動機氣門凸輪式配氣機構(gòu)為例，基于多項式型運動規(guī)律，通過凸輪配氣機構(gòu)動力學(xué)仿真分析研究方法，用Matlab對不同類型從動件多項式運動規(guī)律進(jìn)行仿真，得出位移、速度、加速度與凸輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系曲線，并以此完成配氣機構(gòu)凸輪輪廓曲線設(shè)計。

1 ?配氣機構(gòu)凸輪線型設(shè)計

配氣機構(gòu)凸輪線型設(shè)計是指以配氣機構(gòu)安全高效運轉(zhuǎn)為原則，選取最佳凸輪輪廓參數(shù)。凸輪輪廓參數(shù)可通過兩種方法表達(dá)：①給出凸輪從動件各段圖形幾何形狀或者曲線方程，機械設(shè)計中根據(jù)凸輪從動件運動規(guī)律求解出凸輪輪廓曲線即為完成凸輪求解。②同步給出凸輪基圓半徑和從動件位移曲線。已知凸輪轉(zhuǎn)過任意角度α，從動件對應(yīng)位移A，即可以得出凸輪轉(zhuǎn)角和從動件位移之間的函數(shù)關(guān)系A(chǔ)=A（α），借助基圓半徑，即可完成凸輪線型求解。第一種求解方法對于常規(guī)的設(shè)計計算較為清晰直觀，但第二種方法將凸輪輪廓曲線求解一定程度上轉(zhuǎn)化為從動件位移運動規(guī)律，對于配氣機構(gòu)動力學(xué)計算與從動件加工更為有利，因此，設(shè)計過程中，采用第二種方法，將輪廓曲線求解轉(zhuǎn)化為凸輪從動件位移函數(shù)求解。

2 ?多項式類型的運動規(guī)律

從動件運動規(guī)律是凸輪配氣機構(gòu)研究的核心問題，無論從什么角度來研究凸輪配氣機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)，摩擦學(xué)乃至加工方法，規(guī)律曲線都起著主導(dǎo)作用。

式中c0，c1，c2，…，cn為待定常數(shù)。根據(jù)以上通式中所保留最高冪次不同，可得到多種實用的運動規(guī)律。當(dāng)n分別為1，2，5時，根據(jù)邊界條件就可以解出待定常數(shù)，即可推導(dǎo)出3種多項式類型的運動規(guī)律，即等速運動規(guī)律，等加速等減速運動規(guī)律和五次多項式運動規(guī)律。

2.1 等速運動規(guī)律

等速運動規(guī)律是指凸輪以等角速度ω轉(zhuǎn)動時，從動件運動規(guī)律為常量。多項式類型運動規(guī)律中，當(dāng)n=1時就是等速運動規(guī)律。推程時，邊界條件φ=0時，s=0，φ=Φ時，s=h，推出推程段運動方程為：

2.2 等加速等減速運動規(guī)律

若使從動件在行程初始和終止位置均不發(fā)生剛性沖擊，可將推程段運動規(guī)律函數(shù)設(shè)置為兩段相合成，兩段函數(shù)分別對應(yīng)為等加速與等減速，其中加速段與減速段所對應(yīng)減速度的值相同。推程時，等加速度段邊界條件φ=0時，s=0，v=0;φ=Φ/2時，s=h/2（0？燮φ？燮Φ/2），推出推程等加速度段的運動方程為：

2.3 五次多項式運動規(guī)律

同樣為使從動件在行程初始和終止位置均不發(fā)生剛性沖擊，可將推程段運動規(guī)律函數(shù)設(shè)置為五次多項式函數(shù)。推程時邊界條件φ=0時，s=0，v=0，a=0;φ=Φ時，s=h，v=0，a=0，推出推程段運動方程為：

3 ?配氣機構(gòu)運動仿真

根據(jù)從動件的多項式運動規(guī)律方程，在Matlab中分別進(jìn)行仿真分析，得出多種運動規(guī)律下的仿真分析結(jié)果，對比得出最佳多項式運動規(guī)律。

3.1 等速運動

如圖 1所示，等速運動規(guī)律下，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件位移的關(guān)系曲線是一條過原點斜線，即凸輪轉(zhuǎn)角與從動件位移成正比，因此從動件位移隨凸輪轉(zhuǎn)角增加而線性增加。

如圖 2所示，等速運動規(guī)律下，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件速度關(guān)系曲線是一條平行于x軸的直線，即從動件速度與凸輪轉(zhuǎn)角無關(guān)，因此無論凸輪轉(zhuǎn)到哪個位置，從動件速度都將保持不變。

如圖3所示，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件加速度關(guān)系曲線是一條過原點并且與x軸重合的直線，即從動件加速度與凸輪轉(zhuǎn)角無關(guān)，因此無論凸輪轉(zhuǎn)到哪個位置，從動件加速度都將保持不變且為0。

3.2 等加速等減速運動

如圖4所示，等加速等減速運動規(guī)律下，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件位移關(guān)系曲線是一段過原點的單調(diào)遞增曲線，曲線整體凹凸性為前凹后凸，從動件的位移隨著凸輪轉(zhuǎn)角的增加而增加。

如圖5所示，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件速度關(guān)系曲線由兩條線段構(gòu)成，兩條線段相交且對稱，隨著凸輪轉(zhuǎn)角增加，從動件速度先增后減。

如圖 6所示，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件加速度關(guān)系曲線由兩條平行于x軸的線段構(gòu)成，兩條線段與x軸之間距離相等。在推程加速段，從動件加速度與凸輪轉(zhuǎn)角無關(guān)，且保持一個正值不變;在推程加速段與推程減速段相交處，從動件加速度發(fā)生突變，數(shù)值不變，方向改為反向;在推程減速段，從動件的加速度與凸輪轉(zhuǎn)角無關(guān)，且保持一個負(fù)值不變。

3.3 五次多項式運動

如圖7所示，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件位移關(guān)系曲線是一條過原點的單調(diào)遞增曲線，曲線整體凹凸性為前凹后凸，從動件的位移隨著凸輪轉(zhuǎn)角的增加而增加。

如圖8所示，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件速度關(guān)系曲線整體先遞增后遞減，整體遞增與遞減趨勢呈對稱分布，從動件的速度隨著凸輪轉(zhuǎn)角的增加先增加后減小。

如圖9所示，凸輪轉(zhuǎn)角與從動件加速度關(guān)系曲線整體先遞增后遞減再遞增，兩個遞增區(qū)間角度和與遞減區(qū)間角度相同，從動件加速度先隨著凸輪轉(zhuǎn)角增大而增大，到達(dá)角度T之后，從動件加速度隨著凸輪轉(zhuǎn)角增大而減小，到達(dá)角度3T之后，從動件加速度隨著凸輪轉(zhuǎn)角增大而增大。

對以上從動件運動規(guī)律的對應(yīng)曲線仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。等速運動規(guī)律下，推程開始及結(jié)束位置，加速度發(fā)生突變并且變化值較大，致使機構(gòu)受到強烈沖擊，對應(yīng)沖擊類型為剛性沖擊。等加速等減速運動下，加速段與減速段交替時，加速度發(fā)生突變，但變化值相對較小。對應(yīng)沖擊類型為柔性沖擊。五次多項式運動下，加速度曲線不發(fā)生突變即連續(xù)，結(jié)合速度曲線，仿真結(jié)果顯示從動件運動不存在沖擊或存在很小的沖擊。

4 ?結(jié)論

為設(shè)計12150L型柴油發(fā)動機氣門凸輪式配氣機構(gòu)最佳凸輪輪廓線型，以減少從動件運動沖擊，提高發(fā)動機性能。通過matlab對不同類型從動件多項式運動規(guī)律進(jìn)行仿真，得出位移、速度、加速度與凸輪轉(zhuǎn)角之間關(guān)系曲線，結(jié)果顯示五次多項式運動規(guī)律下配氣機構(gòu)從動件產(chǎn)生慣性力最小，凸輪從動件沖擊現(xiàn)象最弱。

參考文獻(xiàn)：

[1]翁寶泉.摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)優(yōu)化探討[J].時代汽車，2019（08）：92-94.

[2]王一，李春書，等.四缸汽油機配氣機構(gòu)進(jìn)氣凸輪型線的改進(jìn)設(shè)計[J].機械設(shè)計，2019，36（03）：36-41.

[3]劉洪建，白書戰(zhàn)，等.考慮凸輪軸變形的配氣機構(gòu)動力學(xué)分析[J].車用發(fā)動機，2018（05）：20-25.

[4]蔣升龍，邱娜，等.頂置凸輪軸配氣機構(gòu)飛脫判定方法研究[J].內(nèi)燃機，2018（05）：41-43.

[5]馬超.內(nèi)燃機配氣機構(gòu)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展探討[J].內(nèi)燃機與配件，2018（15）：66-67.

[6]楊樹彬，趙俊生，等.發(fā)動機配氣機構(gòu)凸輪-從動件接觸應(yīng)力分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2018，18（17）：163-167.

[7]丁佳，林輝，等.某增壓發(fā)動機凸輪型線優(yōu)化分析[J].內(nèi)燃機，2018（03）：4-8，14.

[8]姚強強.連續(xù)可變配氣凸輪機構(gòu)的研究[D].石河子大學(xué)，2018.

[9]姚強強，胡斌，等.連續(xù)可變配氣凸輪的設(shè)計研究[J].機械設(shè)計與制造，2018（04）：23-25，29.

[10]郭橋雨，趙文鈺，等.探討汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與影響[J].現(xiàn)代經(jīng)濟信息，2017（24）：365.