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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。
柴油机配气机构动力学建模方法与性能仿真
研究
1 引言
柴油机配气机构的动力学建模能够有效地揭示其工作原理及运行性能。
它不仅可以用来研究引擎的控制系统，还能为柴油机配气机构的研制、设计、试验以及再制造提供有价值的信息。
有效地建立柴油机配气机构动力学建模方法和性能仿真系统，对新型柴油机配气机构研究与设计具有重要意义。
2 柴油机配气机构动力学建模
柴油机配气机构的动力学建模是将柴油机元件的零件力学，推进机构的运动学，柴油机原理图的三维立体机构及概念机构信息，用多学科仿真软件进行模拟，使之反映柴油机配气机构的动力学状态。
动力学建模的方法主要有以下几种：通过建立多体系统，控制矩阵式机构，牛顿迭代法，牛顿定律，以及离散有限元法。
3 柴油机配气机构性能仿真
柴油机配气机构性能仿真是通过柴油机配气机构的动力学建模，使用专业仿真软件，根据柴油机的空气-油流动特性，建立合理的仿真模型，计算柴油机每一步的实际工作情况，然后进行全面有效的性能分析，及时发现性能缺陷，为研发新型柴油机配气机构提供重要的参
考。
性能仿真的方法主要有以下几种：有限元分析，代数仿真，矩阵仿真，问题特定仿真，全空间仿真等。
4 结论
柴油机配气机构的动力学建模和性能仿真是柴油机研究与设计中的关键技术，它们是一种综合的技术，将动力学建模和性能仿真结合起来，能够更好地满足柴油机配气机构设计开发模拟所需要的精度要求，可以最大程度提高新型柴油机配气机构研究与设计的效率，为柴油机配气机构研发提供有价值的信息。
轿车柴油机配气机构运动学和动力学仿真与分析牛彩云＊1 毕玉华 申立中 雷基林（昆明理工大学交通工程学院内燃机重点实验室 650224）摘要：针对某轿车柴油机配气机构，应用A VL EXCITE Timing Drive软件建立了运动学与动力学仿真模型并对其进行了分析。
凸轮型线优化后，开启侧和关闭侧丰满度系数都提高到了0.56，提高了换气质量；接触应力和跃度分别降低到585.4 N/mm^2和724.8 mm/rad^3，降低了磨损和冲击。
通过动力学仿真分析，液压间隙调节器（HLA）柱塞能够正常的建立起机油压力，无速度不适应；单向球阀能够正常而果断的开启并且正常的补油。
整个配气机构在工作过程中未出现飞脱、反跳和弹簧并圈等现象。
关键词：轿车柴油机液压间隙调节器配气机构仿真主要软件：A VL EXCITE Timing Drive1. 前言配气机构是内燃机的重要组成部分，其设计优良与否直接影响内燃机的动力性、经济性和可靠性[4]。
因而开展配气机构运动学和系统动力学研究具有重要意义。
传统机械挺柱式配气机构需预留气门间隙，气门间隙异常会影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化，并产生冲击噪声，影响其使用寿命[2]。
为降低配气机构的振动和噪声,液压间隙调节器（HLA）（如图1）在轿车柴油机上的应用越来越广泛。
采用HLA无需定期调整气门间隙,气门机构处于零间隙状态，消除了气门间隙引起的冲击和噪声。
图1 液压间隙调节器（HLA） 图2 HLA配气机构为分析HLA配气机构的动力特性，应用A VL EXCITE Timing Drive软件建立某双缸轿车柴油机配气机构的运动学与动力学仿真计算模型并对其进行了性能分析和评价。
1 HLA配气机构工作原理HLA配气机构的运动是从凸轮开始，经过指形摇臂、HLA、气门弹簧、气门弹簧座以及气门锁夹等才把运动传递给气门（如图2）。
所以发动机配气机构属于一个弹性而非刚性系统。
在这个传动链中，各个零件几何形状不同、质量和刚度也不相同，因此在运动过程中1作者简介:牛彩云，女，硕士研究生；研究方向：内燃机结构设计与优化；E-mail：niuniu1670@可能产生各种各样的问题。
气动力与控制的仿真分析与优化在现代工业中，气动力与控制的仿真分析与优化是一个非常重要的课题。
从机械工业到汽车工业，再到航空航天工业，气动力与控制技术无处不在，对产品的性能和品质有着直接的影响，因此，对气动力与控制技术进行仿真分析与优化，对于提高技术水平和经济效益具有重要作用。
一、气动力与控制简介气动力与控制是机械工程中最为基础的专业知识之一。
在机械领域，气动力是一个广泛的领域，它涉及到导流、气流控制、推动和制动系统等方面。
而控制则一般是指机械运动的自动化控制技术。
在现代工业中，控制技术可以分为电气、机械、液压和气动四大类。
二、仿真分析与优化的意义对于气动力与控制技术的仿真分析与优化，可以从以下几个方面来解释其意义：1、提高产品性能通过对气动力与控制进行仿真分析，可以尽可能地模拟产品在各种情况下的运行状态，以便深入了解产品的性能优化空间，进而提高产品的性能指标。
2、减少产品研发成本传统的研发方式多为试错，将试验产生的数据进行统计分析，从而确定最优方案。
这种方式无论是时间成本还是经济成本都非常高，而通过仿真分析就可以在产品研发的初期尽早预测系统的行为，从而更加快速地找到最优解，进而减少制造与研发成本。
3、提高产品设计的精确性仿真可以模拟各种复杂的工况，并将其分析结果反馈至实际产品设计中，从而提高设计结果的精确性。
三、气动力与控制仿真技术的发展在过去的几十年中，气动力与控制仿真技术得到了蓬勃发展。
早期，仿真技术还处于一个相对原始的阶段。
随着计算机技术的不断进步和成本的下降，仿真技术得到了更好的发展，算法越来越先进，仿真精度也越来越高。
近年来，在气动力与控制仿真技术方面，业界主流的计算包括有限元法（FEM）、贝塞尔等高雷诺数方法、欧拉方程法和雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程法（RANS法）等。
各种方法各有优劣，在不同的产品与工况下，也需要根据具体情况选择适合的仿真方法。
四、气动力与控制仿真优化的应用范围气动力与控制仿真分析是一个非常重要的技术，因此在各个领域都有它的应用，主要包括以下几个方面：1、航空航天领域在航天和航空产业中，气动力与控制技术的仿真分析和优化是推进技术升级的关键。
发动机配气机构系统的动力学建模及仿真分析罗卫平,陈曼华,姜小菁,王(金陵科技学院机电工程学院,江苏南京211169)摘要:针对发动机配气机构系统,在ADAM S/Engine软件中建立了其虚拟模型,在此基础上,对该机构进行了仿真分析,得到了气门的升程、速度、加速度和摇臂与挺柱的接触力等特性曲线,为配气机构动态性能的评价和优化提出了理论依据,从而为虚拟样机技术在新产品开发中的应用提供了有效方法。
关键词:配气机构;ADAM S/Engine;虚拟样机;多体动力学中图分类号:U463.33;TP391.9文献标识码:A文章编号:1672-1616(2012)01-0051-04配气机构的功用是根据发动机每一汽缸内进行的工作循环顺序,定时地开启和关闭各汽缸的进、排气门,以保证新鲜可燃混合气或空气得以及时进入汽缸,并把燃烧后生成的废气及时排出汽缸。
配气机构的传统开发方法往往是多方案的比较和试凑过程,这种基于物理样机的频繁的试验,会延长研发周期和增加开发成本。
虚拟样机技术就是在这种情况下产生的一种数字化的研发模式,即工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能的分析,然后改进样机设计方案,最后投入生产。
本文就是在这样的背景下,以多体动力学为理论基础,采用美国MDI公司开发的ADAM S软件。
对发动机配气机构进行建模与仿真,预测实际产品的特性,提供一个全面地研究产品工作性能的方法。
1多体系统动力学研究的理论基础随着多体动力学的发展,目前应用于多刚体系统动力学的方法主要有以下几种:牛顿-欧拉法、拉格朗日方法论、图论4法、凯恩法、变分法、旋量法等。
ADAMS用刚体i的质心迪卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标,即:q i=[x,y,z,W,H,<]T i,q=[q T1,,,q T n]T。
采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程[1]:d d t 5T5q#T-5T5qT+f T q Q+g T q#L=Q(1)式中:T为系统动能;q为系统广义坐标列阵;Q 为广义力列阵;Q为对应于完整约束的拉氏乘子列阵,完整约束方程时,f(q,t)=0;L为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵,非完整约束方程时,g(q, q#,t)=0。
2配气机构的动力学建模配气机构是由凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧、挺柱、气门座等多个构件组成的机械系统,它是由凸轮的旋转带动驱动气门按预定的运动规律开启和关闭来实现配气的过程。
ADAM S/Engine提供了多种配气机构部件模型的模板,因此在建立配气机构的模型时只需在ADAMS/Engine软件中选取正确的模板,然后根据实际部件的特征,修改部件几何参数。
如果模型库中不包含要建立的几何部件类型,则可以根据需要建立新的模板,然后导入标准界面进行分析[2]。
本文利用ADAM S/Eng ine 模板建立了某柴油发动机顶置凸轮轴式配气机构的多刚体虚拟样机模型,如图1所示。
1)凸轮轴;2)摇臂;3)挺柱;4)气门弹簧;5)气门;6)气门座图1配气机构的虚拟样机模型收稿日期:2011-08-10作者简介:罗卫平(1973-),女,江苏南京人,金陵科技学院讲师,硕士,主要研究方向为虚拟技术和动力学仿真。
3 配气机构多体动力学仿真分析根据以上所建立的配气机构虚拟模型,对凸轮轴施加恒定转速,通过ADAM S/Engine 提供的试验台对配气机构进行动力学仿真计算[3],可得到气门升程、速度、加速度以及摇臂与挺柱之间接触力等运动和力学参数[4]。
3.1 气门的升程与速度由于所选的柴油机标定转速为1000r/min,因此选择500r/min 作为凸轮轴转速进行虚拟仿真,得到气门的运动学响应,如图2所示,气门的最大升程为4.762mm,上升段最大速度为398.8mm /s,下降段最大速度为-505.3m m/s 。
从图2中可以看出,气门升程与速度曲线光滑,配气机构运行平稳,未出现不连续的情况,说明没有飞脱现象发生。
3.2 转速对配气机构动力学性能的影响当凸轮轴转速超过500r/min,达到某一转速时,配气机构将会出现气门反跳和构件飞脱等问题,导致配气机构的损坏,产生噪声。
因此,为了分析此配气机构动力特性所能满足的极限速度,本文将凸轮轴转速逐步提高,分别讨论凸轮轴转速为1000r/m in 、2000r/m in 、3000r/min 、4000r/min 和5000r/min 5种工况下气门的动态特性。
图2 气门的升程与速度曲线图3所示为不同转速下的气门的升程曲线,从中可以看出,当凸轮轴转速为1000r/min 、2000r/min 、3000r/m in 、4000r/min 时,升程曲线光滑且数值变化不大,说明气门开启平稳,配气机构工作正常。
然而当凸轮轴转速达到5000r/min 时,气门升程曲线在下降段开始脱离设计升程曲线,此时排气门发生反跳,说明气门在下降段中已不受凸轮约束。
图4所示为不同转速下的气门的速度曲线,在1000r/min 、2000r/min 、3000r/min 、4000r/min 凸轮轴转速下,配气机构工作正常,最大速度值分别为1010mm/s 、2002mm/s 、3026mm /s 、4171mm /s,但是当转速达到5000r/min 时,气门在落座时存在着较明显的振动现象。
图5所示为不同转速下的气门的加速度曲线,由于气门间隙的存在,在开启和落座阶段的加速度值非常大,但当转速为5000r/min 时,在气门落座时刻出现加速度峰值,对气门座造成了很大的冲击,必须避免。
3.3 摇臂与挺柱的接触力通过动力学虚拟仿真表明,摇臂与挺柱之间接触力是随凸轮轴转角而变化的。
当摇臂与挺柱压紧时,就有接触压力存在。
在正常工作中,接触压力应大于零,否则会在配气机构中产生脱开现象,图3 不同转速下气门的升程曲线图4不同转速下气门的速度曲线图5 不同转速下气门的加速度曲线即气门的运动脱离了凸轮的控制,处于瞬时失控状态,影响配气机构的运动规律[5]。
为了讨论凸轮轴转速对接触力的影响,分别将凸轮轴转速设为500r/m in 、1000r/min 、1500r/min 和2000r/min 4种工况,通过仿真得到如图6所示的摇臂与挺柱的接触力曲线图,从图中可以看出,当凸轮轴转速为500r/min 和1000r/m in 时,摇臂与挺柱之间没发生飞脱;当转速达到1500r/min 时,摇臂与挺柱的接触力出现了零值,说明此时有了轻微的飞脱;当转速达到2000r/min 时,摇臂与挺柱之间飞脱严图6 摇臂与挺柱的接触力曲线重,配气机构已不能正常工作。
通过以上分析可以看出,当凸轮轴转速在1500r/min 以内时,该配气机构运转良好,气门开启平稳,运行中不会出现气门落座反跳及飞脱现象,配气机构工作正常。
4 结束语本文以多体动力学为理论基础,建立了发动机配气机构的虚拟模型,进行了多体动力学计算,得到了相应的运动学及动力曲线,如气门的升程、速度、加速度和接触力曲线等,这些特性曲线不仅为机构进行性能评价提供了有力的参考,而且还为今后进一步的分析和预测奠定了基础。
由此可以看出,在发动机配气机构的开发中,应用ADAM S虚拟样机技术不仅可以提高产品设计质量,还可以大幅度缩短产品研制周期,降低开发成本。
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由图4(b)可知,图中的点分布在一定区域内且不重复,这表明偏心块1相对于偏心轴的运动是混沌的。
5结论通过对端面式混沌激振器的建模、仿真与识别可得出以下结论:a.端面式混沌激振器在结构上与传统的混沌激振器不同,易于加工、调整与装配。
b.数值仿真中,其相轨线在一定区域内折叠、缠绕且不重复;其Poincare图中点分布在一定区域内且不重复,这说明偏心块1相对于偏心轴的运动是混沌的。
c.端面式混沌激振器产生的运动具有混沌性。
参考文献:[1]龙运佳.源于KAM定理的混沌激振器[J].中国农业大学学报,2000,5(4):26-29.[2]龚纯.M ATLAB语言常用算法程序集[M].北京:电子工业出版社,2008.[3]孙红章.复摆强迫振动中的混沌研究[J].商丘师范学院学报,2010,26(3):58-60.[4]冯奇.工程中的浑沌振动[M].上海:上海交通大学出版社,1998.[5]何超英.M ATLAB应用与实验教程[M].北京:电子工业出版社,2010.The Modeling and S imulation on Transverse Plane of Chaotic Vibration ExciterLIU Ling,LIU Xiao-xing,ZHOU Lei(Kunming University of Science and Technology,Yunnan Kunming,650093,China) Abstract:According to the KAM theorem,it analyzes a new chaos vibrator(the chaotic vibration ex citer with the transverse plane).Based on installing the mechanical model,it carries out the numerical simulation and chaotic identification,The result show s that the transverse plane of the chaotic vibration exciter has chaotic property.Key words:Chaotic Vibration Exciter;Numerical Simulation;Chaotic Identification。
