某车用柴油机配气机构及皮带传动系统动力学性分析与改进设计

摘要

本文是以某车用四缸四冲程高速柴油机为基础,对其配气机构和前端皮带传动的振动特性进行了分析研究及结构优化,并对配气机构中的关键零部件进行应力分析。通过振动噪声实验说明配气机构是整机振动噪声的主要根源之一。
　　 配气机构方面,在下置式凸轮轴的基础上采用多项动力、分段加速度以及多项动力一分段加速度三种方法来拟合非对称凸轮型线。通过双质量的运动学模型计算出它们的速度、位移曲线,并比较各个凸轮型线之间的丰满系数、跃度及凸轮挺柱间的最大接触应力等特性,找出各自的优缺点,确定型线优化的最终方案。并在基于多自由度的动力学模型下,从气门落座力、凸轮挺柱接触应力、气门加速度、气门速度及位移等方面比较原型线和优化后的型线差异,结果证明优化后的凸轮型线在以上各个方面都得到改善。
　　 对于前端皮带,以多体动力学为基础来分析某柴油机前端同步带的动力学特性,得到同步带的动态张紧力,位移及轮系的受力等结果,并阐述了曲轴前端转速波动及其它负载激励对同步带运动特性的影响。通过分析发现,曲轴前端的转速波动对同步带在线性方向和横向上的振动影响较大。比较优化后的正时系,得出同步带的跨度长度决定了此皮带段的自振频率,所以合理控制皮带的跨度及张紧轮的位置对正时系的设计非常重要。
　　 在凸轮轴与气门弹簧的应力分析中,主要介绍了瞬态应力计算中的直接积分法,并介绍了应力计算中有限元网格划分的注意事项,指出凸轮轴应力比起各个凸轮的位移量可以着重考虑后者。对于气门弹簧,介绍了非线性弹簧的设计方法,分析了弹簧的受力特点,计算弹簧刚度时,比较了线性近似、非线性计算和有限元计算三种方法的结果,指出在进行配气机构动力学分析时,将弹簧刚度看成线性多质量模型可以达到计算所需的精度。
　　 本文从工程应用的分析角度开拓了配气机构和前端传动优化设计的新方式和新流程,取得了一系列具有工程实用价值的成果,对工程实际具有重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 论文课题研究的意义

1.2 配气机构和前端皮带传动的国内外研究现状

1.2.1 配气机构的国内外研究现状

1.2.2 前端皮带传动的国内外研究现状

1.2.3 配气机构振动特性的国内外研究现状

1.2.4 前端皮带传动振动特性的国内外研究现状

1.3 本文主要研究工作和内容安排

第二章 配气机构设计理论及技术基础

2.1 配气机构的动力学模型分析

2.1.1 单自由度模型

2.1.2 多自由度模型

2.2 配气机构的凸轮型线设计

2.2.1 凸轮型线缓冲段的设计

2.2.2 凸轮型线工作段的设计

2.3 整机振动噪声实验

2.4 配气凸轮优化设计简述

第三章 配气机构优化设计研究

3.1 柴油机配气机构主要参数

3.2 凸轮优化的运动学模型

3.3 非对称凸轮型线的设计

3.3.1 多项动力(POLYDYNE)非对称凸轮型线的设计

3.3.2 分段加速度(ISAC)非对称凸轮型线设计

3.3.3 多项动力—分段加速度(POLYDYNE-ISAC)非对称凸轮型线的设计

3.4 配气机构在动力学方面的比较

3.5 多阀系模型的建立

3.6 配气机构凸轮优化设计总结

第四章 多体动力学在配气传动系中的应用

4.1 多体动力学理论

4.1.1 多体动力学运动学

4.1.2 多体动力学动力学方程

4.2 多体动力学在前端皮带传动中的应用

4.3 同步带的主要振动形式

4.4 同步带多体动力学模型的建立

4.4.1 原机模型的建立

4.4.2 主要激振频率对同步带运动特性的影响

4.5 正时系的优化设计

4.5.1 优化模型的建立

4.5.2 模型优化后的计算结果分析

4.5.3 自动张紧轮特性分析

4.6 正时传动分析和优化设计的总结

第五章 配气机构关键零部件性能分析与应力计算分析

5.1 瞬态响应计算方法

5.1.1 动力学微分方程的建立及解法

5.1.2 直接积分中运动微分方程的求解

5.2 基于直接积分法的凸轮轴瞬态应力求解

5.2.1 凸轮轴有限元的应力分析模型

5.2.2 凸轮轴有限元模型的实验验证

5.2.3 凸轮轴瞬态应力计算的边界条件

5.2.4 凸轮轴瞬态应力计算的结果

5.3 气门弹簧的运动状态分析及特性参数的获取

5.3.1 气门弹簧的运动状态分析

5.3.2 气门弹簧的设计

5.3 配气机构关键零部件性能分析与应力计算分析总结

第六章 全文总结

6.1 论文主要成果和结论

6.2 论文主要创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的主要科研项目

致谢