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1、基于ADAMS的发动机配气凸轮仿真分析 姓名： 学号： 日期： 2011.11.23 指导老师： 目录1，概述.32，配气结构多体动力学方程.4 2.1，配气凸轮机构数学模型的建立 2.2，凸轮机构运动方程的建立3，配气机构动力学模型的建立.9 3.1,三维实体的建模 3.2,三维实体模型的装配4，配气机构动力学仿真分析.10 5，结论.19 1,概述配气机构作为内燃机三大机构之一，其主要功能是实现发动机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排出燃烧废气。现今对于发动机配气机构的设计，一方面希望气门加速度越大，以使气门迅速开关，从而达到最好的换气效果
2、，以提高动力性和经济性；另一方面，希望载荷保持相对较小，以减小加速度，从而减小振动和噪音，并延长使用寿命。这样的矛盾要求，给配气机构的设计带来困难，因此需要精心设计进排气门的升程曲线，以达到最优设计。而由于配气机构的整个传动链是由一系列几何形状和刚度、质量各不相同的零部件组成的，而且各零部件之间在运动过程中还会产生脱开现象。对于现代高速发动机，传统的配气机构动力学计算方法往往不足以准确地描述配气机构各传动零部件的运动规律。近年来，随着多体动力学的发展及多体动力学分析软件的出现，为复杂机械系统动力学分析提供了可靠的手段。本文以D6114B发动机配气机构为研究对象，在ADAMS软件基础上，建立其动
3、力学仿真分析模型。2，配气结构多体动力学方程2.1，配气凸轮机构数学模型的建立从结构布置的方式来看，文中所研究的配气机构采用气门顶置，凸轮轴顶置，凸轮直接驱动挺柱，主要有凸轮轴，挺柱，气门弹簧，气门，气门座等组成。图1是发动机顶置式配气凸轮机构简图。图2为凸轮机构数学模型几何参数图。2.2，凸轮机构运动方程的建立(1)推杆二次多项式运动规律(等加速等减速运动规律)为推程的凸轮转角，为从动件升程推程等加速阶段的运动方程式：推程等减速阶段的运动方程式：特点: 有柔性冲击适用场合: 中速轻载(2) 对心平底推杆盘形凸轮机构已知：曲线，设计凸轮。分析：1) 根据曲线，运用反转法，可确定推杆反转角时，推
4、杆平底与凸轮的切点B。2) P为瞬心推杆速度：则B 点直角坐标此即为凸轮工作廓线方程式。图2中,凸轮基圆半径Ra ,平底(从动件)的运动规律为,凸轮以等角速度顺时针方向旋转。当机构反转时,从动件上升s,凸轮与平底将在T点接触。可以得出凸轮实际轮廓上T点的极坐标方程为: 实例:已知凸轮的基圆半径为= 40mm,升程角为80(其中040为等加速运动, 4080为等减速运动) ,远休止角为20,回程角为80(其中100140为等加速运动, 140180为等减速运动) ,从动件升程为h = 10mm。凸轮建模步骤1:创建曲线方程：（1）040其中， rad，得T点得坐标（x，y）阶段的方程为:ra=4
5、0h=10hudu=pi/180fei=80*huduTheta1=40*t*huduss=2*h*theta1*theta1/fei/feids=4*h/fei/fei*theta1r=sqrt(ds*ds+(ra+ss)(ra+ss)theta=theta1/hudu+atan(ds/(s+ra)x=thetay=r-raz = 0（2） 4080其中， rad，得T点得坐标（x，y）阶段的方程为:ra=40h=10hudu=pi/180fei=80*huduTheta1=40*t*huduss=h-2*h*（fei-theta1）*（fei-theta1）/fei/feids=4*h/f
6、ei/fei*（fei-theta1）r=sqrt(ds*ds+(ra+ss)(ra+ss)theta=theta1/hudu+atan(ds/(s+ra)x=thetay=r-raz = 0（3）8090为半径30mm的圆弧（4） 另外三个象限的图形建模同理，可通过对称选项完成。3，配气机构动力学模型的建立3.1,三维实体的建模 4，配气机构动力学仿真分析在Pro /E的Mechanism 模块下,机构的运动仿真主要通过以下四个步骤进行, 1)对装配好的机构建立凸轮机构连接; 2)对装配好的机构模型建立伺服马达,使机构产生一定形式的运动; 3)运行一个机构进行运动分析,产生可视化的机构运动过
7、程,保存运动分析结果; 4)进行分析测量,得到分析测量图形,同时输出分析结果。在发动机的配气凸轮机构中,对凸轮机构建立凸轮机构连接;对凸轮建立一个伺服马达;通过运行机构运动分析,产生了整个机构的一个可视化的运动过程。在分析测量阶段,主要分析了平底(相当于配气机构的气门)的位移、速度及加速度随时间变化的规律。第一部分 步长对仿真的影响步数20，曲线在极值位置处并不是很光滑，考虑到可能存在振动步数100，振动明显步数1000步，在极值位置处明显，普通位置处也存在轻微振动现象所以，加入弹簧考虑减震效果运动效果会更好。第二部分 弹簧刚度对位移平稳性的影响刚度为4.2e-2，效果不明显刚度4.2，已经有
8、明显的效果刚度420，减震效果更佳刚度4200，说明420的刚度已经足够，无需对弹簧提出更高的要求。第三部分 确定好仿真参数后，仿真分析所以整个系统在步数1000步，弹簧刚度为420时，测试其运动学和动力学性能如下。从动杆位移从动杆速度从动杆加速度从动杆对导轨的横向作用力，即接触力的x分量驱动力矩接触力的y分量弹簧变形量弹簧变形速度弹簧力第四部分 对第三部分结果的进一步验证阐明由于存在速度、加速度的振动，步数20，看变化趋势由于弹簧和凸轮的双向作用，使得从动杆的速度在零附近，有利于气门的平稳闭合由于弹簧和凸轮的双向作用，使得从动杆的加速度在零附近，有利于气门的平稳闭合。但是在曲率变化大的地方，
9、加速度也大，说明曲线的曲率变化越平缓，加速度越小。这对设计凸轮曲线具有重要意义。接触力在x方向的分量也呈脉动循环，最大值在500N左右，这一参数对从动杆的运动润滑性存在作用。驱动力矩呈脉动循环，并且在曲率变化大的位置驱动力矩为零，并且方向发生变化，这对于电动机功率和正反转周期的确定具有重要意义。接触力在y方向的分力，最大值达4000N，对凸轮及从动盘提出了很高的要求。但是由于弹簧刚度很大，在实际应用中为了兼顾位移的光滑性和接触力，应该选用适中的弹簧刚度。弹簧变形速度在零点附近，说明变形过程比较缓和，从从动杆的位移的角度来说，位移变化比较平缓，有利于气门的启闭。结论：1、adams仿真时步数的设置对结果具有非常重要的影响，步数越大，结果越精确。当存在振动时，步数越小，越能显示变化趋势。在应用软件时，应根据分析的内容灵活运用参数的设置。2、弹簧在凸轮机构中具有重要作用，尤其有利于从动杆位移变化的平稳性。但由于弹簧的存在，也会增大接触力，对构件的力学性能提出了更高的要求。实际选用弹簧时，应选取适合的弹簧刚度。3、凸轮机构是实现直线运动的基本构件，在实际应用中十分广泛。本文以汽车发动机配气机构作为背景，对凸轮机构的运动学和动力学性能进行了分析，从中可以看出凸轮曲线对于性能的重要作用，设计时应选用合适的凸轮曲线。19
