本文研究了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的UG優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容。

　　針對(duì)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的問題，通過改變凸輪型線進(jìn)行凸輪軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用UG軟件建立柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)三維模型，并對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后系統(tǒng)的最大加速度顯著下降，配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性顯著提高。

　　柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的功能是依照工作循環(huán)的要求，定時(shí)開啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)、排氣門，不僅要保證氣缸進(jìn)氣充分、排氣徹底，同時(shí)還應(yīng)滿足振動(dòng)噪聲小，可靠性高等要求。凸輪軸作為配氣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件，其輪廓型線對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的性能有著直接的影響。原頂置氣門、下置凸輪軸、中心固定搖臂、2氣門結(jié)構(gòu)柴油機(jī)的凸輪外形是由幾段圓弧與直線以及阿基米德螺旋線相接而成，具有較大的豐滿系數(shù)，但其升程曲線加速度突變，機(jī)構(gòu)沖擊大、振動(dòng)大。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，其配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的問題日顯突出。

　　1 凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　凸輪型線含緩沖段和工作段兩部分。由于只有二次以上的曲線才能與基圓相切，新設(shè)計(jì)中緩沖段采用二次拋物線(等加速段)和直線(等速度段)組成，且上升緩沖段與下降緩沖段對(duì)稱的方式。上升緩沖段數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

　　式中，h(φc)為凸輪升程;φc為凸輪轉(zhuǎn)角。

　　等加速段可保證從動(dòng)件由實(shí)際基圓過渡到緩沖段工作時(shí)，速度由零逐漸增大，無突變;等速段可保證氣門機(jī)構(gòu)間隙變化大時(shí)，氣門仍以不變的速度升起或落座。

　　新設(shè)計(jì)中工作段采用高次多項(xiàng)式型線。高次多項(xiàng)式具有連續(xù)、高階可導(dǎo)的性質(zhì)，與緩沖段銜接很平滑。高次多項(xiàng)式型函數(shù)凸輪適用于轉(zhuǎn)速較高、平穩(wěn)性要求較高的柴油機(jī)，其從動(dòng)件加速度光滑程度高，配氣機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，具有參數(shù)調(diào)整方便、自由度大的特點(diǎn)，通過參數(shù)優(yōu)化很容易滿足各項(xiàng)要求 。

　　一般而言，在設(shè)計(jì)中可以取任意多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)和冪指數(shù)，項(xiàng)數(shù)越多，所得到的配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性越好。冪指數(shù)越大，則挺柱升程曲線越豐滿，使凸輪外形最小曲率半徑增大，有利于減小該處的接觸應(yīng)力，降低磨損，但其負(fù)加速度初段形狀不好，會(huì)提高對(duì)氣門彈簧的要求，而且還使最大正加速度值提高，正加速度段寬度減小，導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)加劇。我們通過緩沖段和工作段在交界點(diǎn)處應(yīng)連續(xù)等條件求出多項(xiàng)式各系數(shù)值，選定高次七項(xiàng)式作為凸輪工作段型線函數(shù)式，挺柱升程為

　　在緩沖段設(shè)計(jì)完成以后，再確定基本工作段，使之至少二階連續(xù)可導(dǎo)，并且在基本工作段始點(diǎn)的挺柱升程、挺柱速度和挺柱加速度數(shù)值與緩沖段終點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值保持相等，即保持連續(xù)。以保證整個(gè)挺柱升程曲線的高次光滑性，改善柴油機(jī)在高速情況下的工作平穩(wěn)性。對(duì)于上述凸輪型線，其速度、加速度在整個(gè)曲線段內(nèi)平順連續(xù)是不成問題的。但其豐滿系數(shù)和凸輪最小曲率半徑相對(duì)較小，使氣門機(jī)構(gòu)出現(xiàn)飛脫的轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致負(fù)加速度段對(duì)氣門彈簧的適應(yīng)性不好，影響了柴油機(jī)工作的可靠性。為保證在氣門升程最大處有一最大負(fù)加速度，這里取a=2，并且b>4 。

　　鑒于原柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，機(jī)構(gòu)沖擊、振動(dòng)大，而將加速度和加速度變化率的絕對(duì)值之和最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以豐滿系數(shù)不小于設(shè)定值等作為約束條件，對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)Metlab軟件計(jì)算和Lingo軟件編程計(jì)算，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)用分枝定界法得到優(yōu)化方程式的全局最優(yōu)解，計(jì)算結(jié)果為

　　2 配氣機(jī)構(gòu)的建模、仿真與驗(yàn)證Unigraphics(簡稱UG)是美國EDS公司面向制造行業(yè)的CAD/CAE/CAM開發(fā)的軟件，為一個(gè)高度集成化的產(chǎn)品工程解決方案，用戶使用UG軟件能夠數(shù)字化地創(chuàng)建和獲取三維產(chǎn)品定義。它的功能覆蓋整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程：從概念設(shè)計(jì)、功能分析、工程仿真和數(shù)字化的制造等各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)在制造業(yè)得到普遍的應(yīng)用。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　將由平面挺柱升程關(guān)系(2)式所得到凸輪型線的極坐標(biāo)方程式的極坐標(biāo)導(dǎo)人到UG的表達(dá)式工具中去，即可繪制出改進(jìn)后凸輪精確型線，并通過拉升操作完成新凸輪軸實(shí)體的制作(見圖1)。根據(jù)生產(chǎn)圖紙可將原凸輪軸以及其他零件的實(shí)體一一導(dǎo)人UG，完成原機(jī)實(shí)體模型。繼而定義建立機(jī)構(gòu)各個(gè)零件的連接方式，最終完成配氣機(jī)構(gòu)模型的虛擬裝配總成(見圖2)。

　　UG的運(yùn)動(dòng)仿真分析依賴于ADAMS解算器，在設(shè)定運(yùn)動(dòng)副后，機(jī)構(gòu)在指定的時(shí)間段中運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)該時(shí)間段中的步數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成動(dòng)畫、圖表和報(bào)表文件，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程還可以生成照片級(jí)動(dòng)畫和MPEG電影文件。

　　在裝配總成模型中創(chuàng)建相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)連桿、運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)源后，就可實(shí)現(xiàn)配氣機(jī)構(gòu)在UG運(yùn)動(dòng)模塊中的仿真。將新設(shè)計(jì)的凸輪軸裝入模型中，即得到改進(jìn)后機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果;將原凸輪軸裝入模型中，可得到改進(jìn)前機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果。改進(jìn)前、后的挺柱位移、速度、加速度、加速度變化率對(duì)照曲線見圖3～圖6。

　　從圖3中可以看到，改進(jìn)前后凸輪的最大升程相同，新設(shè)計(jì)的凸輪豐滿系數(shù)略有下降;從圖4和圖6中可以看到，新機(jī)構(gòu)中挺柱運(yùn)動(dòng)的最大速度、最大加速度和最大加速度變化率都有不同程度的下降，尤其是最大加速度下降幅度較大，效果顯著。

　　在臺(tái)架進(jìn)行性能和可靠性試驗(yàn)過程中，樣機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，性能穩(wěn)定。300 h全負(fù)荷可靠性試驗(yàn)后，拆檢配氣機(jī)構(gòu)后看到凸輪表面和挺柱底面僅有均勻亮痕，無明顯磨損，其他摩擦副均正常，無明顯磨損、沖擊痕跡。

　　3 結(jié)論

　　1)改進(jìn)后的凸輪以高次多項(xiàng)式作為凸輪型線，使挺柱的最大加速度下降，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的兒何凸輪。

　　2)下置式凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，其彈性變形會(huì)對(duì)氣門運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的影響，在設(shè)計(jì)凸輪外形時(shí)，應(yīng)重視配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，用動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果來指導(dǎo)配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到完美的結(jié)果。

　　3)UG在實(shí)體建模、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、動(dòng)力學(xué)仿真等方面具有一定的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣泛。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 郭磊.高次多項(xiàng)式凸輪型線特性參數(shù)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)性能影響的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005(1)：20—23.

　　[2] 陸際清.汽車柴油機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

　　[3] 劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社.1994.

　　[4] 謝金星，薛毅.優(yōu)化建模與LINDO/LINGO軟件[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

　　[5] Unigraphics Solutions Inc.UG運(yùn)動(dòng)分析培訓(xùn)教程[M3.胡曉康，譯.北京：清華大學(xué)出版社.2002.