2.5.2平面挺柱导向面与导向孔之间的挤压应力的计算……………………16 2.5.3 平面挺柱的最大速度……………………………………………………16 2.5.4凸轮与挺柱间接触应力的计算…………………………………………17
2.6凸轮的设计………………………………………………………………………18 2.7 凸轮轴的设计…………………………………………………………………19 2.7.1 凸轮轴基本要求…………………………………………………………19 2.7.2凸轮轴计算………………………………………………………………20
2.8本章小结………………………………………………………………………21
第3章Pro-engineer和Adams软件理论基础……………………………………23
3.1虚拟样机技术介绍……………………………………………………………23 3.2虚拟样机强有力的工具…………………………………………………………24 3.3 用Proe和Adams开发虚拟样机的主要流程…………………………………24 3.4 多体动力学………………………………………………………………………25 3.5本章小结…………………………………………………………………………28
第4章 建模与仿真…………………………………………………………………29
4.1 Proe实体建模……………………………………………………………………29 4.2建立Proe装配图…………………………………………………………………32 4.3将装配图导入Adams……………………………………………………………34 4.4配气机构多体动力学仿真结果及分析…………………………………………35 4.5本章小结…………………………………………………………………………42
结论………………………………………………………………………………………43 参考文献 ………………………………………………………………………………44 致谢………………………………………………………………………………………46
第1章 绪 论
1.1 课题研究的目的和意义
1.1.1设计的目的
建立在计算机实体建模及可视化基础上的虚拟样机技术是应用于现代工程设计领域的数字化设计及分析工具。应用计算机技术对柴油机配气机构进行仿真分析，从而得到发动机在供作时，配气机构中个零件的参数。为配气机构的设计提供便利。 1.1.2设计的意义
气门机构是发动机进/排气系统的重要组成部分。同时，进排气阀门噪声也是发动机噪声的主要来源之一。随着发动机转速不断提高以及广泛采用的多气门方案都可能导致发动机进排气阀门噪声的增加。在发动机噪声法规的日益严格的今天，对发动机进排气阀门的运动分析是很有意义的。
计算机辅助设计也是意义重大。现代社会分工中，设计工作是一项各行业都需要的重要工作，其对行业的发展、各项工作的开展都有着重要的积极。服装设计、机械设计、工程设计、汽车设计、图形图像设计等已经成为了行业工作所必须的工作。计算机辅助系统的出现为设计人员的工作带来了巨大的变化，其极大的缓解了传统手工制图设计存在的劳动量大、不易修改等缺点，促进了设计工作的改革以及工作效率的提高。科学的分析计算机辅助设计对设计工作的重要意义有助于相关软件企业针对行业应用细化计算机辅助设计系统，为设计工作提供更加便捷、稳定的辅助设计系统。
1.2柴油机配气机构现状
过去的配气机构设计，只单一研究凸轮，而没有考虑其他零部件产生的影响。由于配气机构是一个弹性系统，它由许许多多的零部件所组成，往往一个成功柴油机所采用的凸轮应用于其他类型的柴油机上不一定效果会好，凸轮必须和整个配气机构系统结合在一起进行考虑，良好的凸轮设计也必须与系统的其他零部件正确匹配，才能达到希望的效果图[1~4]。
为了准确研究配气机构的动态性能，了解气门的实际运动规律，在机构动力学仿真分析方面，目前已采用了多种 分析模型。其中比较基础的是单自由度质量模型。它是将机构简化成由一个质点、弹簧及阻尼器组成的系统，它把机构的质量简化到一个质点上，把机构的弹性等加到一个等刚度无质量的弹簧上，阻尼等效到阻尼器上，该
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模型具有简单、方便等特点，可以满足一般的低、中速柴油机的要求，但由于把质量和刚度都等效到一个点上，不能求出机构各部件的运动和受力情况，不能判断机构零件之间是否发生飞脱，也无法得知弹簧的振动情况。为了克服单自由度模型存在的不足，发展了多自由度质量模型。多自由度质量模型具有比单自由度质量模型更为真实反映实际机构状况的优点，利用多自由度质量模型能精确地研究各传动部件的运动规律和受力情况，也能分析气门弹簧的振动情况[5~10]。对于多自由度质量模型，最主要的问题是计算的复杂性，随着计算机技术的发展和广泛应用，各种商业配气机构软件的推广，多自由度质量模型已逐渐成为配气机构动力学建模的主要方式。
20世纪初仿真技术已得到应用。例如在实验室中建立水利模型，进行水利学方面的研究。1940～1950年航空、航天和原子能技术的发展推动了仿真技术的进步。1960年计算机技术的突飞猛进，为仿真技术提供了先进的工具，加速了仿真技术的发展。采用仿真技术，可以在计算机内对内燃机产品的部件装配并进行机构运动仿真，由仿真运行可校核部件运动轨迹，及时发现运动中部件干涉隐患；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。通过几个五年计划的努力，我国仿真技术得到了快速发展，并取得了突破性成果。在国防工业领域，建成了不同类型的半实物仿真系统。在军事领域建立了指挥、作战、训练的仿真系统及半实物仿真试验室。我国的多媒体仿真技术正处于起步和发展时期，清华大学、北京大学、华中理工大学和一些部队院校已开始了有关这方面的研究。目前，国内大学和企业己进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据。
1.3设计内容
气门-凸轮式配气是目前内燃机上应用最广泛的配气形式 ,本文采用的柴油机配气机构为下置凸轮轴式、滚轮随动件、叉型摇臂双气门配气机构，主要由凸轮轴、滚轮、推杆、挺柱、摇臂、气门垫块、气门、气门座等部件组成。
用Pro/E软件对配气机构各零部件进行立体建模，根据各零部件之间的位置和约束关系建立起配气机构的装配模型。考虑到该模型进行仿真分析时的可视化效果，各机构模型均按照实际结构建立。各零部件的质量、转动惯量、质心位置等物理特性参数均由三维CAD软件Pro/E精确计算得到[11~14]。
再将模型导入ADAMS软件进行多体动力学计算，MSC.ADAMS采用世界上广泛
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流行的多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统的动力学方程。对于刚体i,采用质心在惯性参考系中的笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角或广义欧拉角作为广义坐标，接着建立约束方程和作用力方程 ,并将它们都写成广义坐标的表达式，最后用拉格朗日乘子法建立系统的运动微分方程[15~18]。
1.4用计算机辅助配气机构设计分析
在静态优化设计中，将配气机构看作绝对刚体，不考虑它在运动时的弹性变形，用该方法设计凸轮型线，主要用以下三项指标来判别其好坏：（1）静态充气性能。通常用挺柱升程、丰满系数和时面值来表示，希望此值越大越好。（2）静态加速度峰值。即挺柱的最大正负加速度值。其绝对值越小，凸轮轴的高速动态性能越好。（3）轮廓面最小曲率半径或凸轮与挺柱表面的接触应力。设计凸轮时，应避免凸轮曲率半径过小，否则会导致接触应力过大，使凸轮出现过早磨损。用静态优化设计的凸轮，虽然加速度曲线不连续，配气机构惯性力可能会产生突变，时面值较大。但当柴油机转速上升时，配气机构的弹性变形会引起气门的剧烈振动，严重时会破坏气门的正常工作，产生飞脱和反跳，这不仅加剧了柴油机的振动、噪声和零件间的磨损，还会使充气效率下降，为了解决静态设计的不足，人们提出了动态设计的方法[19~25]。
在动态设计中，考虑到系统的弹性变形，气门在工作中会产生振动，影响配气机构动力性能和平稳性，因此必须对配气机构在工作中的动态特性进行评估。在动态优化设计中，考虑弹性变形，把配气机构看成弹性系统，主要由下列指标来评价凸轮型线：（1）气门的动态加速度峰值：根据单质点振动模型或多质点振动模型计算出最大加速度峰值和第一个负加速度峰谷，以及落座后的气门动态响应。（2）动态充气性能：考虑进排气管压力波动、多缸机各缸的进气不均现象及配气相位对充气性能的影响。随着柴油机转速的提高，静态和动态充气性能的差别越来越大，这主要是由两部分因素引起的，一是当转速提高，吸气冲程时间缩短，进排气管压力波的动态响应增大；另外一方面气门发生脱离和反跳，破坏了正常的静态充气性能。（3）挺柱与凸轮表面的动力润滑磨损情况以及气门头部的磨损情况[26~30]。
1.5 本文研究内容
本文主要对配气机构的个零件的形状和尺寸进行设计，得到个零件图的详细尺寸，再通过计算机软件即Pro-engineer进行三维的实体建模，得到个零件的三维图，将各个零件装配到一起，得到配气机构的装配图。通过三维转配模型导入ADAMS软件，通过ADAMS软件对配气机构进行仿真分析。主要内容如下：
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（1）通过对配气机构的运动学与动力学的分析与计算、配气机构杆构受力的分析与计算，建立S195型柴油机曲轴连杆机构的数学模型。
（2）根据设计要求运用Pro/e三维绘图软件在计算机内建立准确的轴系各构件的实体模型，主要包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门等。
（3）对S195型柴油机曲轴连杆机构模型运用ADAMS多体动力学软件进行动态仿真。
（4）根据仿真导出数据曲线，对曲线进行分析。
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