高速柴油机配气机构性能及系统优化研究

论文摘要

为了满足现代车用内燃机对配气机构综合性能要求不断提高的需要，本文对顶置气门下置凸轮轴式配气机构综合性能的分析方法进行全面深入的研究，以6DF1-26柴油机为研究对象，根据所建立配气机构运动学、动力学、润滑和接触应力模型确定配气机构综合性能指标，使配气机构性能评价不再局限于某一个领域。本文首先在对凸轮型线谐波分析的基础上，对配气机构进行时频联合动力学分析，确立了凸轮型线、配气机构动力学响应、机构固有特性之间精确的对应关系，为精确分析实测动力学响应的成分及影响因素提供了理论依据，避免了传统的单纯通过时域或频域对动力学响应分析针对性差、精度低的缺点。通过精确的动力学分析，获得了机构总动变形量、各零部件振动及载荷随转速和气门间隙等影响因素的变化规律。另外，为提高配气机构动力学模型的精度，本文根据最小二乘原理衡量气门动力学理论规律与实测规律的一致性，采用自适应随机搜索优化方法辨识配气机构动力学模型的参数，从而提高了动力学模型对转速、气门间隙、凸轮型线、气门弹簧等大范围变化的适应性，因而可以取代传统的按经验试凑确定动力学模型参数的方法。其次，根据运动学模型和动力学模型提供的精确参数，利用动态油膜厚度和赫兹接触应力模型计算分析了润滑油膜和接触应力的变化规律。经过2000h可靠性实验验证，凸轮-挺柱副出现过度磨损的情况和位置与根据模型理论计算的高应力低膜厚区对应。最后，针对车用内燃机转速范围宽广、工作转速高、凸轮机构个性强的特点，以极限工作转速最高为目标，展开对包括N次谐波凸轮型线和气门弹簧在内的配气机构联合优化设计方法的研究。优化设计以高精度运动学模型、动力学模型及润滑和接触应力模型对配气机构综合性能全面计算为基础，用网格法和随机搜索方法优化确定气门弹簧（na，D，d）和参数凸轮型线（ρ1，ρ2，ρ3，ρ4，ρ5，ρ6，ρ7，R1，θZ等）。对6DF1-26柴油机配气机构联合优化设计的实例表明，联合优化设计方法可以有效折中凸轮负加速度段的气门弹簧特性、凸轮-挺柱副润滑和应力特性的关系，在不降低最高飞脱转速的情况下，可以最大限度的实现换气性能、动力性能、润滑和接触应力性能的最优匹配。本文提出的研究方法紧密联系工程实际，为高速内燃机配气机构综合性能分析和系统优化设计方法的实用化奠定了研究基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第1章 配气机构运动学
• 1.1 平底挺柱凸轮轮廓坐标
• 1.2 凸轮曲率半径及综合曲率半径
• 1.3 平底挺柱的运动规律
• 1.3.1 傅立叶级数逼近方法及谐波分析
• 1.3.2 逼近凸轮与原凸轮对应挺柱升程频谱图和有效能量
• 1.3.3 逼近凸轮与原凸轮的曲率半径及挺柱运动规律对比
• 1.3.4 逼近凸轮与原凸轮对应润滑特性评定参数
• 1.4 瞬时摇臂比和气门的精确运动规律
• 1.4.1 瞬时摇臂比
• 1.4.2 气门的运动规律
• 1.4.3 气门升程丰满系数和时间断面
• 1.4.4 气门起阀和落座速度
• 1.5 6DF1-26柴油机进气机构运动学计算
• 1.5.1 瞬时摇臂比
• 1.5.2 气门的运动规律
• 1.5.3 其他特征参数
• 1.6 本章小结
• 第2章 配气机构动力学
• 2.1 配气机构单质量模型
• 2.1.1 配气机构线性运动微分方程的求解
• 2.1.2 配气机构线性振动系统的时频联合分析
• 1+N₂）质量模型'>2.2 配气机构（4+N₁+N₂）质量模型
• 2.2.1 配气机构运动微分方程及阶段划分
• 2.2.2 运动微分方程组的求解
• 2.3 配气机构主要零部件载荷计算
• 2.3.1 凸轮-挺柱副载荷
• 2.3.2 推杆载荷
• 2.3.3 气门弹簧圈载荷
• 2.4 6DF1-26柴油机配气机构动力学分析
• 2.4.1 配气机构振动特性的时域分析
• 2.4.2 配气机构振动特性的频域分析
• 2.4.3 配气机构主要零部件载荷与转速的关系
• 2.4.4 气门弹簧圈的载荷分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 配气机构动力学模型参数的辨识与确定
• 3.1 系统参数辨识方法
• 3.1.1 频域法
• 3.1.2 时域法
• 3.2 系统参数辨识问题
• 3.2.1 一般优化问题
• 3.2.2 一般系统的参数辨识问题
• 3.2.3 参数辨识问题的解法
• 3.2.4 模型的有效性验证
• 3.3 配气机构模型参数二步辨识方法的提出
• 3.3.1 配气机构单质量模型待辨识参数-准则函数的变化规律
• 1+N₂）质量模型待辨识参数-准则函数的变化规律'>3.3.2 配气机构（4+N₁+N₂）质量模型待辨识参数-准则函数的变化规律
• 1+N₂）质量模型参数二步辨识方法'>3.3.3 配气机构（4+N₁+N₂）质量模型参数二步辨识方法
• 3.4 6DF1-26柴油机配气机构系统参数辨识
• 3.5 6DF1-26柴油机配气机构零部件参数的确定
• 3.5.1 集中质量、转动惯量和刚度系数
• 3.5.2 阻尼系数
• 3.6 参数辨识各参数初值的确定
• 3.7 本章小结
• 第4章 6DF1-26柴油机配气机构动态运动规律测试
• 4.1 气机构动态测试方法
• 4.2 实验设备及测试分析系统
• 4.2.1 配气机构实验台架
• 4.2.2 DASP信号采集与数据分析系统
• 4.2.3 传感器的校准
• 4.3 6DF1-26柴油机配气机构动力学特性实验
• 4.3.1 传感器的安装位置
• 4.3.2 数据采集的设定及测试结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 配气机构凸轮-挺柱副的润滑和应力特性分析
• 5.1 凸轮-挺柱副运动学、材料、载荷参数计算
• 5.1.1 凸轮-挺柱副综合曲率半径及综合弹性模量
• 5.1.2 凸轮-挺柱副卷吸速度
• 5.1.3 凸轮-挺柱副线载荷
• 5.2 凸轮-挺柱副油膜厚度
• 5.2.1 稳态EHL膜厚
• 5.2.2 非稳态EHL膜厚增量△h及动态膜厚
• 5.2.3 润滑状态的判断
• 5.3 凸轮-挺柱副赫兹接触应力
• 5.4 4DF1-26柴油机进气凸轮-挺柱副润滑和应力分析
• 5.4.1 凸轮-挺柱副综合曲率半径变化规律
• 5.4.2 凸轮-挺柱副平均卷吸速度和线载荷的规律
• 5.4.3 凸轮-挺柱副稳态油膜厚度与转速的关系
• 5.4.4 凸轮-挺柱副动态油膜厚度与转速的关系
• 5.4.5 凸轮-挺柱副润滑状态判断
• 5.4.6 凸轮-挺柱副赫兹接触应力与转速的关系
• 5.5 试验分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 气门弹簧及配气凸轮型线联合优化设计
• 6.1 气门弹簧设计
• 6.1.1 等螺距气门弹簧的结构参数
• 6.1.2 气门弹簧的性能指标
• 6.1.3 气门弹簧优化设计模型
• 6.1.4 气门弹簧优化模型的求解及程序框图
• 6.2 凸轮型线设计
• 6.2.1 配气机构性能指标
• 6.2.2 配气凸轮型线的设计方法
• 6.2.3 非对称型N次谐波凸轮型线设计的一般要求
• 6.3 凸轮型线和气门弹簧的联合设计
• 6.3.1 凸轮型线和气门弹簧联合优化设计数学模型
• 6.3.2 6DF1-26配气凸轮型线和气门弹簧联合优化设计
• 6.3.3 优化前后配气机构运动学特性对比分析
• 6.3.4 优化前后配气机构动力学特性对比分析
• 6.3.5 优化前后凸轮-挺柱副润滑特性及接触应力对比分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 研究结论
• 7.2 问题及展望
• 参考文献
• 附录Ⅰ 圆截面材料弹簧设计的参数系列
• 附录Ⅱ N次谐波凸轮设计点控及段控条件对应的方程和系数
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢
• 研究生履历