DF4102发动机排气凸轮型线复合型法优化与排气机构设计开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

日益紧缺的资源与相关环保法律的逐步完善使得发动机技术向着高性能、高功率、低油耗、低排放、低噪声、低污染等方面发展。配气系统作为发动机的重要组成部分控制着整个发动机的换气过程，对上述提到的各项性能起着举足轻重的作用。内燃机的配气机构应保证各气缸换气良好，充气系数尽可能高。常见的内燃机大多采用气门-凸轮式配气机构，该机构工作可靠但在高速运转时易于发生振动、噪音和不正常磨损。本研究尝试通过凸轮型线的优化和配气机构的设计以及相关动力学分析改善这些问题。

传统的配气凸轮型线常采用一些简单的切线和圆弧曲线，这些曲线往往会造成凸轮升程的运动不连贯，速度和加速度变化不连续，从而导致配气机构工作时机构间相互碰撞、冲击、跳动，因此设计出的凸轮型线对配气机构的可靠性，稳定性等起了非常重要的作用。传统的配气机构设计方法有离散质量法、多体系统动力学法、有限元法等。随着计算机技术和最优化理论的迅速发展，配气凸轮型线设计正由上述传统设计方法向优化设计发展，复合型法是优化设计凸轮型线直接法中的一种。早前配气凸轮型线优化常采用运动学优化设计，但这种方法不考虑机构的弹性变形，现多采用动力学的优化设计方法，考虑了配气机构的弹性变形和振动问题。

针对凸轮型线优化以及配气机构的设计，国内外许多学者都进行了相关研究。张金伟通过介绍汽车配气机构的创新技术以及当前凸轮型线的设计技术，对如何构建配气机构优化设计模型以及如何优化设计凸轮型线提出相关意见和建议^[1]。罗哲围绕配气系统各个零部件的设计研究，配气系统整体性能的动力学特性研究，配气系统对于整个柴油机工作性能的影响研究三个方面进行了详细的论述，为配气系统研究分析的深入与拓展提供了参考^[2]。杨英慧在现有内燃机配气凸轮理论与技术不足的基础上，开发了计算简便的变型双曲函数凸轮型线方程以及相关优化设计评价程序，所研制的凸轮具有高速性好、丰满系数大、振动噪声小、工作平稳等特点^[3]。冯鹏宇介绍了内燃机配气机构建模流程，对内燃机配气机构动态特性仿真策略进行了分析和整理，为内燃机配气机构设计工作顺利开展创设了条件^[4]。陈晨，王自勤，田丰果等人通过选用合适型线函数，设定预期从动件运动边界条件，推导凸轮接触应力计算公式，进而通过 matlab 编程，可生成预设的从动件升程、速度、加速度和凸轮接触应力曲线，应用此方法可显著提高配气凸轮设计的速度和精度^[5]。张敬东，姚杰，起雪梅等人采用解析函数法与数值法相结合的方法对配气凸轮型线进行了优化设计，使凸轮在高速段和低速段的扭矩值均得到提升，进而使整机性能得到提升^[6]。张维君，刘小光，姜东梅分析了圆弧同向传动凸轮机构的缺陷，提出改进措施，利用复合型法对其进行优化设计计算，优化后凸轮在传动过程中压力角变化相对稳定，优化效果明显^[7]。侯庆东借助b样条曲线构建凸轮型线，同时建立配气机构的单质量动力学模型，并采用复合型法进行型线优化设计，开发了相关优化程序，优化后的凸轮型线的充气性能得到明显的改善^[8]。宋秀英，黄磊，陈超等人利用 avl-tycon 软件建模，根据热力学计算要求，设计发动机气门正时系统，确定进气和排气凸轮型线及相关的气门机构参数，进行气门机构运动学分析。计算分析气门弹簧力，气门落座速度，凸轮与挺柱的动态接触力等，有效缩短了开发周期和成本^[9]。杨树彬利用avl timing drive 软件建立了单阀系运动学与动力学模型，在模型基础上设计了多种凸轮型线，并对型线的运动学与动力学特性进行了分析，结果表明进排气门均能较好地满足运动学设计要求^[10]。alberto borboni, francesco aggogeri,irraivan elamvazuthi等人研究和量化了凸轮型线设计过程中对型线的离散化、截断和插值，通过数值计算和实验测试，验证了线性插值在凸轮型线设计中的可行性^[11]。swarn prakash mall 和sunil kumar srivastava以hermite曲线和bezier曲线为凸轮型线，模拟了不同曲线参数下从动件的运动特性，通过比较分析可知，bèzier曲线比hermite曲线更适合通过控制多边形来控制曲线的形状。但hermite曲线的计算成本较低，并且提供的最大速度和加速度值最低^[12]。dersonclaudio andreatta和 robson pederiva以mwm柴油机为研究对象，建立了配气机构运动学与动力学特性的数学模型，提出的配气机构运动模型简化了凸轮和机构的数学模型，运动学求解精确^[13]。tae joong wang从输出，输入，控制因素，噪声等多方面入手对发动机配气系统进行了设计，并通过正交试验和可行性实验，得到优化设计的仿真结果，设计在最大限度降低燃料消耗的同时，成功满足了氮氧化物排放法规限制^[14]。yogesh vasantrao magar分析了发动机动态响应滞后的原因，并就配气机构中较高的进气温度和较高的排气背压两方面提出了解决方案，改善了发动机的性能^[15]。gudla satyanarayana , venkata ramesh mamilla和k.kiran kumar对内燃机气门进行了失效分析，在catia中进行了气门的建模，在ansys中进行了静态热分析，比较了不同材料应用在气门上的优缺点^[16]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究（设计）的基本内容

本研究基本内容包括：了解发动机的基本原理，掌握发动机配气机构的设计过程，基于给定条件用复合型法对df4102天然气发动机的排气凸轮型线进行优化设计（其中包括凸轮型线优化程序设计，凸轮各项性能的评定）；选择合适的排气机构类型，进行相应各部件的选型设计，组合成完整的排气机构（确定各部件类型，选材，尺寸）；使用相关软件对上述排气机构进行动力学计算，以确定最终的凸轮型线和排气机构（需要构建相关模型，进行动力学计算，达到设计要求）；完成相应的图纸绘制工作。

2.2研究（设计）的目标

3. 研究计划与安排

此次毕业设计的进度安排的总体内容，如下表所示：

表3.1 毕业设计进度安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 张金伟. 汽车发动机配气机构设计思路分析[j]. 时代汽车，2019(10): 77-78.

[2] 罗哲. 配气系统技术研究现状分析[j]. 内燃机与配件,2019(09): 89-90.

[3] 杨英慧. 内燃机配气凸轮新型线的研究[j]. 柴油机,2016(06): 30-33 54.