摩托车配气机构运动学和动力学模拟分析

动力学配气机构试验分析仿真与优化【摘要】目前机械系统设计分析的有力手段是多体系统动力学运用到机械的仿真中，本文针对某发动机配气机构系统，建立参数化的多体系统动力学模型，以多体系统动力学分析软件ADAMS为仿真平台。

采用试验设计的方法进行动力学仿真试验，分析出对响应影响显著的因子，运用回归分析得到响应变量关于试验因子的响应面方程，以此作为优化目标进行寻优计算，实现了对配气机构的设计参数和局部凸轮型线的动力学优化。

【关键词】动力学;配气机构;参数;仿真与优化1.引言配气机构作为内燃机的重要组成部分，四冲程的内燃机都采用气门式配气构机构。

由于配气机构的设计又在很大程度上影响内燃机的动力性与可靠性，其性能好坏对内燃机的性能指标有着重要的影响。

配气机构系统动力学模型有很多种。

一般来说，低速系统配气机构，转速低、载荷小，进行运动学分析即可。

对于中速系统，转速和载荷较高，气门偏离理论运动规律较大，并出现构件在润滑、磨损、强度等方面问题，因此需要用动力学模型研究其动力学特性。

对于高速系统，转速和载荷很大，气门将显著偏离理论运动规律，并受到机构在开始和落座时的冲击反跳，在工作阶段的飞脱，以及润滑、磨损、强度等多方面问题制约，必须用动力学模型研究其特性，并尽可能考虑非线性因素的影响。

目前运用比较多的配气机构动力学模型有离散质量模型—包括单质量模型，多质量模型以及多体动力学模型，有限元模型等。

随着计算机技术、传感器技术以及信号处理相关方法和技术的发展，配气机构的实验也能更精确地反映配气机构工作情况下的实际情况和得到更精确的动力学数据。

实验的目的不仅仅是得到配气机构的动力特征，也可以通过实验得到模型的原始数据。

由于配气机构组件在高速运动过程中表现出一定的柔性特征，部分组件产生一定的变形，导致组件的实际运动规律偏离凸轮型线。

而配气机构动力学特性实验可以测量机构组件的实际运动规律，分析配气机构参数对组件实际运动规律的影响。

重庆大学本科学生毕业设计（论文）发动机配气机构运动学及动力学分析学生：黎明学号：********指导教师：阮登芳（教授）专业：车辆工程重庆大学车辆工程学院二零一七年五月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityKinematics and dynamics analysis forengine valve trainUndergraduate: Li MingSupervisor: Prof. Ruan DengfangMajor: Vehicle EngineeringCollege of Vehicle EngineeringChongqing UniversityMay 2017摘要配气机构是发动机的重要组成部分，其设计的合理与否直接影响到发动机的充气效率以及换气质量，因此对发动机的动力性、燃油经济性、可靠性、有害物质排放、发动机噪声和振动有较大的影响[1]。

而顶置凸轮轴式配气机构由于能适应更高的转速而在许多小型汽油机中广泛使用。

但是顶置凸轮轴由于摇臂传动比是变值，所以其几何关系要复杂很多[2]。

本文在已知凸轮对摇臂的运动规律的条件下，针对某125发动机的配气机构，经理论分析运动学规律，并用matlab计算出其气门对转角的理论升程、速度、加速度。

在考虑气门间隙及传动机构变形的影响下，建立配气机构运动的单自由度模型，得出运动二阶微分方程。

利用matlab采用龙格——库塔法计算出气门的实际运动规律，对比气门实际升程和理论升程，对该发动机配气机构的“飞脱”、“反跳”以及运转的平稳性进行动力学特性评价。

从而完成了整个配气机构的运动学及动力学计算。

关键词：运动学，动力学，配气机构，matlab，龙格库塔法ABSTRACTValve train is an important part of the engine, which has directly affect to the engine's volumetric efficiency and the quality of ventilation, so there is also a greater influence to the engine power, fuel economy, reliability, emissions of harmful substances, engine noise and vibration. Because the overhead camshaft valve train can adapt to the higher speed, it is widely used in many small gasoline engine. But for the overhead camshaft, the drive ratio of the rocker is changed by the time, so it has a more complex geometry realationship. With knowing the law of motion of cam on the rocker's condition, in the article, the displacement of the valve is calculated. In considering the valve clearance and the drive mechanism under the influence of deformation, the actual valve movement rule is calculated by using the Runge - Kutta method, and the running speed is calculated with the conditions that the transmission chain is flying off and rebound which are not in the normal conditions. Then the kinematics and dynamics calculations of the valve train are completed. And on this basis, with joining the modal analysis of the valve, the theoretical basis for the valve train design are provided.A valve train of a 125 motorcycle engine is chosen for the object of study in this subject.Key words：Valve train, Kinematics, Dynamics,Matlab目录摘要 (I)ABSTRACT .......................................................................................................................... I I一、绪论 (1)1.1课题研究意义 (1)1.2课题国内外研究状况 (2)1.2.1国外研究现状 (2)1.2.2国内研究现状 (3)1.3课题研究背景 (3)1.4课题研究内容 (4)二、气门机构的主要设计要求 (6)三、运动学分析 (8)3.1凸轮廓线预处理 (8)3.2气门理论运动规律与凸轮轮廓的关系 (9)3.3运动学理论分析后的计算结果 (11)四、动力学分析 (13)4.1动力学理论分析 (13)4.2摇臂比i (15)4.3摇臂刚度计算 (16)4.4解动力学微分方程 (17)4.5动力学分析结果 (19)五、动力学特性评价 (24)5.1“飞脱”和“反跳” (24)5.2各参数对配气系统的影响 (24)六、结论 (26)七、展望 (27)致谢 (28)附录A：matlab运动学分析程序 (29)附录B:动力学分析计算基本程序 (30)参考文献 (31)一、绪论本课题以某125型摩托车发动机的顶置凸轮式配气机构为研究对象，分别对其进行了运动学分析、刚度计算、以及动力学分析，并由所得到的数据对该机构进行动力学评估，为该发动机配气机构的合理设计奠定基础。

发动机配气机构系统动力学研究申报人：周海指导老师：刘鹏文摘：配气机构是发动机中的一个重要组成部分，其工作性能的好坏直接关系到整机的运行状况，虽然配气机构的主要功能是满足发动机进排气量的需求，但其对整机的影响不仅限于此，配气机构的动力学及其零部件可靠性也是要急需关注的问题，在设计中，配气机构的动力学性能和各零部件强度都要符合相关要求。

1.研究模型概述本文是以一单缸机凸轮轴下置式、双摇臂四气门、带阀桥配气机构为研究对象，本单缸机的主要参数如表1所示：表1发动机主要技术参数表本文工作主要集中在运用专业软件TYCON进行配气机构模型的建立和仿真，从动力学角度分析研究配气机构的特性。

虽然现今出现了很多配气机构的新技术，像可变配气机构，其可变的范围包括气门正时可变、气门升程可变、气门开启延续时间可变等，一些汽车公司研究的对象也各有侧重点。

但在配气机构的研究上，都离不开运动学和动力学的研究，运动学仅仅考虑理想的状况，把零部件都看成刚性体，整个系统没有变形和弹性，忽略系统摩擦和阻尼能量损耗，其分析的结果仅能得到一些基本的位移、速度、加速度和力参数，一般以凸轮型线的正加速度宽度、阀系的自振频率、凸轮与从动件的接触应力、凸轮的曲率半径、弹簧裕度、丰满度、润滑系数等为运动学评价指标，而动力学模型考虑的因素更多，把物体都简化成有集中质量、刚度和相对阻尼的弹性质点，考虑了各零部件的接触和变形，动力学分析的结果可以得到很多更符合实际情况的一些信息，可以考察凸轮从动件的脱离接触、弹簧各有效圈动力特性、阀面落座反跳和冲击等情况。

运动学中要输入的参数也较少，工作量小，但动力学中要考虑的因素较多，输入的参数也多，工作量大。

对于低速或低载发动机的配气机构，其运动学和动力学分析的结果差异不是很大，气阀升程、速度和加速度曲线的整体趋势相差无几，两者吻合较好，但在高速或重载发动机中，由于必须考虑配气机构系统零部件的相互影响问题，其动力学和运动学分析结果有很大差异。

摩托车用发动机的动力学仿真模型与建立摩托车是一种广泛应用于交通工具与运输领域的机动车辆，而发动机则是驱动摩托车行驶的核心装置。

为了提高摩托车发动机的性能和效率，研究人员经常采用动力学仿真模型来模拟和分析发动机的工作原理。

本文将探讨摩托车用发动机的动力学仿真模型的建立及其应用。

首先，摩托车用发动机的动力学仿真模型需要考虑多个因素，包括气缸压力、进气系统、燃烧过程、排气系统以及传动系统等。

这些因素在模型中相互作用，决定了发动机的输出功率和扭矩。

在建立摩托车发动机的动力学仿真模型时，一种常用的方法是利用热力学原理和动力学方程。

通过建立气缸压力与曲轴转速之间的关系，可以推导出发动机的性能参数，如功率、扭矩和燃烧效率等。

同时，还需考虑发动机进气系统和排气系统的特性，包括进气道、气门、燃烧室和排气管等，以确保模型的真实性和准确性。

其次，在建立摩托车发动机的动力学仿真模型时，还需考虑燃烧过程的影响。

燃烧过程是指燃料在燃烧室中的燃烧过程，它直接影响到发动机的输出功率和效率。

为了准确模拟燃烧过程，可以采用一维燃烧模型或三维计算流体力学模型。

一维燃烧模型基于平均流动条件下的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本原理，可以计算出燃烧室内的平均温度、压力和浓度等参数。

而三维计算流体力学模型则考虑了更复杂的流动和燃烧特性，可以提供更准确的结果。

此外，摩托车用发动机的动力学仿真模型还需要考虑传动系统的影响。

传动系统包括离合器、变速器和驱动装置等，它们对发动机的输出功率和扭矩有着重要影响。

在模型中，需要考虑传动系统的传动效率、齿轮比和负载等因素，以准确模拟发动机的输出功率和扭矩。

动力学仿真模型的建立不仅可以提供有关摩托车用发动机性能的定量数据，还可以用于优化发动机设计和改进发动机控制策略。

通过对模型进行参数调整和优化，可以提高发动机的功率密度、燃油经济性和排放性能等。

此外，模型还可以用于评估发动机在不同工况下的性能表现，为摩托车制造商提供重要的参考信息。

气动系统动力学建模与仿真分析随着现代化制造业的发展，气动系统正在越来越广泛地应用于机械、汽车、航空、军事、电子等领域。

气动系统的研究与优化已经成为了研究领域，为了更好地了解气动系统的运作，需要对其进行建模与仿真分析。

一、气动系统的构成和基本特点气动系统通常包括气源、用户、执行机构、控制系统等部分。

其中，气源主要负责提供气源，用户是气动系统的输出端，执行机构用于控制气动系统的输出，控制系统用于控制输出的大小和速度。

气动系统的特点是具有高速、高效、节能、稳定性好等优点，能够在各种恶劣环境工作，不受电磁干扰，具有一定的抗干扰能力。

二、气动系统动力学特征气动系统的运动过程是液态动力学过程，它受到气体、液体的机械力的作用，包括压力力、重力和惯性力。

压力力的作用是压缩气体从而增加气体的密度，在气动系统中，液体通过压缩气体来传递压力，从而达到皮托管流量计或其他流量仪表的目的。

重力是液态动力学中的重要因素，液态动力学过程中，液体受到重力的作用而呈现出流动形式。

气动系统中，由于液体是以气体为动力的媒介，所以重力对液态动力学过程的影响不可忽略。

惯性力主要是因为气体在运动过程中具有一定的惯性，与重力、压力力一起作用，影响液态动力学过程的稳定性和速度。

三、气动系统动力学建模气动系统的动力学建模通常是建立基于动力学方程的模型，以描述气动系统的运动过程，分析气动系统各个部件的运动状态，指导气动系统的运作和优化。

1、质量守恒方程气动系统的质量守恒方程是表示气体在气动系统内流动的质量守恒方程，可以用来描述气体的流量变化情况。

守恒方程可以写成下列形式：其中，ρ表示气体密度，u表示气体速度，S表示面积，t表示时间，Q表示面积S内的质量流量。

2、动量守恒方程气动系统的动量守恒方程描述了各个部分在气流过程中的速度和压力变化情况。

动量守恒方程可以写成下列形式：其中，ρ表示气体密度，u表示气体速度，p表示气体压力，F表示面积，n表示或其他物质量，g表示重力加速度，t表示时间。

配气机构动力学性能分析与优化设计在机械工程领域，配气机构是内燃机中至关重要的组成部分。

它决定了内燃机的性能和效率。

因此，对配气机构的动力学性能进行分析和优化设计是非常重要的。

本文将探讨配气机构的动力学性能分析与优化设计的相关内容。

一、配气机构的基本原理和构成配气机构是指控制气缸进、排气门开启和关闭的机构。

它由凸轮轴、凸轮、从动件等组成。

在发动机工作过程中，凸轮轴转动带动凸轮，凸轮与从动件之间的接触和分离来控制气缸的进、排气门的开关。

配气机构的设计和调整直接影响了发动机的性能。

二、配气机构的动力学性能分析1. 运动学分析运动学分析主要研究配气机构各零件的运动规律。

通过分析凸轮轴的转动、凸轮的摆动以及从动件的运动，可以得到气缸的进、排气门的开启和关闭时间、行程以及过程的加速度等关键参数。

运动学分析为动力学分析提供了基础数据。

2. 动力学分析动力学分析研究的是配气机构各零件在运动过程中所受到的力和力矩的大小和方向。

动力学分析包括配气机构的加速、惯性力、冲击力等。

通过分析配气机构的动力学性能，可以评估其工作状态和负载情况，从而为优化设计提供依据。

三、配气机构的优化设计1. 减小惯性力减小惯性力可以降低机械的负荷和损耗，提高机械的运行效率。

通过优化凸轮的轮廓和材料选择，可以减小凸轮的质量和惯性力。

2. 提高精度配气机构的精度直接关系到发动机工作的稳定性和可靠性。

通过优化配气机构的加工工艺和装配工艺，可以提高其加工精度和动作精度。

另外，合理选择材料和热处理工艺也可以提高配气机构的抗疲劳性能和使用寿命。

3. 降低噪音和振动优化设计可以减小配气机构的噪音和振动。

采用减震装置、降低配气机构的质量和惯性矩等措施可以有效地降低噪音和振动。

4. 环境友好优化设计还应考虑环境保护因素。

选择环保材料和采用低能耗加工工艺是提高配气机构环境友好性的有效手段。

结论配气机构的动力学性能分析与优化设计可以提高内燃机的工作效率和可靠性，降低噪音和振动，保护环境。

摩托车用柴油发动机动力性能的数值仿真与分析摩托车作为一种受欢迎的交通工具，其性能对于用户体验至关重要。

柴油发动机作为摩托车的常见驱动装置，对于摩托车的动力性能起着决定性的作用。

本文将使用数值仿真的方法对摩托车用柴油发动机的动力性能进行分析与研究。

首先，我们需要明确柴油发动机的动力性能指标。

在摩托车中，常见的动力性能指标包括最大功率、最大扭矩、加速性能等。

最大功率是指发动机在单位时间内能够输出的最大功率，通常以千瓦（kW）为单位。

最大扭矩则是指发动机能够提供的最大转矩，通常以牛·米（Nm）为单位。

加速性能则是指摩托车在不同速度下的加速表现。

接下来，我们将使用数值仿真的方法来分析柴油发动机的动力性能。

数值仿真是一种基于计算机模型的仿真方法，通过运用数学模型和计算机算法对实际问题进行计算和模拟。

在摩托车用柴油发动机的数值仿真中，我们将使用计算流体力学（CFD）方法来模拟燃烧过程和气流运动，以及有限元方法来模拟发动机的结构应力和振动情况。

首先，我们需要构建柴油发动机的数值模型。

通过三维建模软件，可以将发动机的几何形状、气缸结构、进气和排气系统等进行建模，并转化为计算机可识别的网格。

然后，我们需要定义发动机的边界条件，如燃油喷射系统、进气道和排气道的工况参数等。

最后，我们将使用CFD软件对该数值模型进行求解，并获取发动机的燃烧情况、排气温度分布、气缸压力曲线等信息。

通过数值仿真，我们可以直观地了解柴油发动机的燃烧过程和燃料效率。

通过改变燃油喷射时机、喷油量和进气系统的参数，我们可以优化发动机的燃烧效率，提高最大功率和最大扭矩。

此外，我们还可以通过仿真模拟不同工况下的发动机运行状态，如低速行驶、高速行驶、长时间连续运行等，以评估发动机的可靠性和稳定性。

除了燃烧过程的仿真分析，我们还可以使用有限元分析方法对柴油发动机的结构强度和振动响应进行模拟。

通过对发动机的材料特性、结构形态和荷载条件等进行设定，可以计算发动机在工作过程中的应力和变形情况。

虚拟样机技术及其在摩托车发动机配气机构仿真分析中的应用邹志民前言业内专家断言：我国摩托车发动机制造水平至少落后日本10年，设计开发能力落后15年。

因此，当前及今后的一段时间还需要仿制和引进国外摩托车发动机产品技术，而虚拟样机技术为我们消化和吸收国外技术，追赶先进水平提供了一条捷径。

以前我们仿制和引进别人的东西，一般是原封不动的照抄别人的零件，只知其然而不知其所以然，缺乏系统层面上的理解，所以仿制的产品总赶不上原机的水平，这也就是我们的设计质量始终赶不上别人的根本原因。

采用虚拟样机技术，技术人员便可以对引进的样机进行深入研究，追踪样机的设计思想和设计原理，甚至还可以发现样机的缺陷进行优化改进，“青出于蓝而胜于兰”。

国外产品的高水平的设计源于多年的经验积累，而借助于在虚拟样机上的模拟，我们也会很快取得一些经验成果，及时用到新产品自主开发当中。

C100发动机是国内弯梁车普遍使用的发动机，本文尝试采用虚拟样机技术对该型发动机的配气机构进行了仿真分析，各种分析结果不单可以为优化指明方向，同时也有助于从广义的系统层面上理解该机的设计理念，积累技术素材。

一、虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)1、概述虚拟样机技术是指在计算机上建立一个虚似化的完整的产品模型，这个虚拟的模型具有物理样机的功能，可以代替物理样机进行试验分析。

对于传统产品开发来说，产品的性能只有在物理样机制造出来并进行试验后才能得到，如果性能达不到要求，只有修改设计，再做样机进行试验，这样反复多次，周期很长，费用高昂，是制约产品开发的瓶颈。

而虚拟样机技术的出现，在产品的设计阶段就可以对性能仿真优化。

从而大大节约了物理样机的制造和试验的时间和费用，虚拟样机技术使产品开发真正产生了质的飞跃。

运用虚拟样机技术，产品设计人员可以在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方莱，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。