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发动机配气机构计算分析流程
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目 录
1 参数定义 ........................................................................................................................ 3 2 配气机构计算分析和优化流程框图 ................................................................................. 7 3 过程实施 ........................................................................................................................ 9
3.1 AVL-workspace-TYCON软件介绍 ........................................................................ 9
3.1.1 简介 .............................................................................................................. 9 3.1.2 AVL-Workspace Tycon的应用 .................................................................... 9 3.1.3 AVL-Workspace Tycon主要菜单和主要模块介绍 ....................................... 9 3.2 配气机构评价指标 ................................................................................................. 12
3.2.1 运动学分析和评价 ....................................................................................... 12 3.2.2 动力学分析和评价 ....................................................................................... 15 3.3 配气机构运动学动力学TYCON模型建立 ............................................................. 15 3.4 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 .................................................................... 16
3.4.1凸轮型线及配气机构运动学分析界面的进入 ................................................ 16 3.4.2 Cam Design界面中数据的输入 .................................................................... 17 3.4.3 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 .......................................................... 20 3.5 配气机构动力学分析 ............................................................................................. 21
3.5.1动力学模型的文件和目录说明...................................................................... 21 3.5.2仿真计算、参数设置和结果控制 .................................................................. 22 3.5.3动力学计算后处理........................................................................................ 24 3.6 配气机构改进和优化 ............................................................................................. 25
3.6.1 凸轮型线优化设计流程及界面 ..................................................................... 26 3.6.2 缓冲段设计 ................................................................................................. 26 3.6.3 工作段设计 ................................................................................................. 29 3.6.4 新凸轮型线的分析 ....................................................................................... 33
致谢 ................................................................................................................................... 34
1 参数定义
发动机配气机构计算分析所需参数如表1所示。
表1.1 发动机配气机构计算参数表
单元名称
旋转激励单元
凸轮单元
参数 单位
转速输入方式的选择
转速值或者rad 有无转速波动
基圆半径型线数据与实际位置偏移角度凸轮转角转转系数
凸轮轴承单元
带轮和链轮单元
配气相位单元
凸轮升程数据单位与米的转换关系 凸轮型线数据类型 凸轮型线数据
Y方向刚度Z方向刚度Y方向阻尼Z方向阻尼机油动力粘度 相对间隙
轴瓦直径轴承宽度与轴瓦直径比值
质量转动惯量（扭转） 转动惯量（弯曲） 相对阻尼
杨氏模量 剪切模量 中截面面积
质心到第一轴距离剪切面积率
惯性矩（扭曲） 惯性矩（弯曲）
带的预紧力传动力带的阻尼带轮有效半径带刚度发火次序载荷数据时间偏移量凸轮中心到接触点的距离矢量
油膜润滑单元
气门杆单元
气门面单元
从动件运动向量
凸轮接触宽度机油动力粘度 润滑油粘压比系数/N 从动件形式选择
凸轮的弹性模量 从动件的弹性模量 接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
单元间隙质量施加载荷 元件运动方向 摩擦系数
摩擦力摩擦速度依赖系数元件变刚度表
元件恒定刚度接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
单元间隙质量元件刚度气阀座摩擦系数
气门座及缸头恒定刚度变形一次方系数变形二次方系数 气门座及缸头阻尼值类型选择
气门座及缸头阻尼值气阀面摩擦系数
气阀面摩擦力气阀面摩擦速度依赖系数元件运动方向 阀面载荷施加的选择 载荷数据X轴值的转化系数 载荷数据Y轴值的转化系数 载荷长度 载荷数据表 接触损失的选择 弹簧运动部分质量点数
弹簧有效圈部分质量弹簧刚度
气门弹簧单元
摇臂单元
Rocker Arm
Finger Follower
弹簧刚度升程一次方系数弹簧相对阻尼 弹簧预紧力 弹簧并圈后阻尼类型的选择
弹簧并圈后阻尼或无
弹簧并圈后刚度弹簧最大工作行程接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
与推杆间隙当量质量元件运动方向
当量刚度力一次方系数力二次方系数 摩擦系数
摩擦力摩擦速度依赖系数定摇臂比 可变摇臂比 运动夹角凸轮侧长气门侧长臂间夹角凸轮侧/推杆运动力臂夹角接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
与凸轮间隙外部载荷 元件运动方向
当量质量升程一次方系数升程二次方系数
元件刚度偏心率一次方系数偏心率二次方系数 摩擦系数
摩擦力摩擦速度依赖系数杆件几气门关闭的角度何 凸轮接触圆心到支承点圆心的距mm
离
从动件半径
L-N坐标系中支承点坐标位置L-N坐标系中支承压缩方向 气门升程方向 L-N坐标系气门侧接触圆中心点mm 位置
接触损失的选择 阻尼类型选择 阻尼值或无 与凸轮间隙 质量 供油长度 外部载荷 摩擦系数 液压挺柱第摩擦力 一部分 摩擦速度依赖系数 HLAT 刚度列表 刚度常数
偏心率一次方系数
偏心率二次方系数
升程一次方系数
升程二次方系数
液压元件
接触损失的选择 单元
阻尼类型选择 阻尼值或无 与HLAT的间隙 柱塞质量 内径 外径 供油室初始体积 HLAS与HLAT之间的间隙高度 HLAS与HLAT之间的间隙长度液压挺柱第摩擦系数
二部分
摩擦力HLAS
摩擦速度依赖系数柱塞结构刚度力的一次方系数力的二次方系数
球珠直径座直径球珠最大升降距离球珠质量球珠弹簧预紧力流动阻力系数 供油线流动阻力系数
供油最小截面积 供油压力 机油密度 机油动力粘度 机油特性 机油粘压比系数/N
液体定常压缩模量 液体可变压缩模量数据表
2 配气机构计算分析和优化流程框图
配气机构计算分析和优化过程包括凸轮型线设计、运动学评价及动力学分析等三个过程，其总体流程如图2.1所示。
图2.1 发动机配气机构计算流程框图
3 过程实施
3.1 AVL-workspace-TYCON软件介绍 3.1.1 简介
TYCON软件是AVL公司开发是一种基于Windows操作系统的适合分析各种发动机配气机构性能的软件。具有凸轮型线设计、优化、配气机构运动学、动力学计算、正时驱动系统动力学计算、齿轮传动系统动力学计算、驱动噪声分析等功能。AVL TYCON提供了配气机构运动学、动力学计算、配气凸轮型线评价及改进设计模块。其运动学、动力学计算是基于多质量动力学模型计算理论的。采用多个集中质量来简化模型，相关参数设置与前面介绍的单自由度模型类似，但多质量动力学模型的计算复杂度远远超过了单自由度模型。AVL TYCON软件本身提供了相应的集成化模块，具有友好的用户界面，建立模型及参数输入较为方便，这正是应用模拟计算软件进行配气机构优化设计计算优势所在。
运动学及动力学分析模块，能够通过建模计算，明确气门运动特性及配气机构动力学相关性能，为常规配气机构提供最好的性能和最可靠的结果。从凸轮型线的设计到整体配气系统的动态模拟，有效地整机的配气机构的布置和设计。
凸轮型线的评价及改进设计模块，用于对已有的凸轮型线进行评价、分析，能在设计开始阶段生成新的凸轮型线，并能够在对配气机构做完动力学评价之后，通过修改凸轮型线来优化配气机构。从动态模拟模型可生成同样的凸轮设计模型，涵盖了所有的发动机类型，同时还提供了不同的修改型线的有效方法。 3.1.2 AVL-Workspace Tycon的应用
1) 分析部件: 凸轮、凸轮轴、径向/推力轴承、皮带、链条、张紧器、齿轮等； 2) 凸轮型线设计和修改(运动学) －满足气门升程、曲率、接触应力等；
3) 单配气机构或整个正时驱动系动力学计算－如气门座力、轴承力、弹簧力，以反映
飞脱和反跳等现象；
4) 链条和皮带传动系－如张紧器分析，链条或皮带的受力和纵向振动等； 5) 齿轮传动和齿轮箱动力学－啮合力、传动特性等。 3.1.3 AVL-Workspace Tycon主要菜单和主要模块介绍
1) 主界面，如图2.2所示；
图3.1 Tycon界面
2) 主要菜单，如图3.2、3.3所示；
图3.2 Tycon主要菜单（一）
图3.3 Tycon主要菜单（二）
3) 主要模块介绍，如图3.4、3.5所示；
图3.4 Tycon主要模块（一）
图3.5 Tycon主要模块（二）
3.2 配气机构评价指标 3.2.1 运动学分析和评价
1) 气门升程曲线与凸轮型线 2) 气门与凸轮相对速度和相对加速度 3) 气门最大跃度
一般用气门加速度曲线变化率的最大值范围来评价气门运动的平稳性。气门运动加速度变化率最大值定义为最大跃度值。如果最大跃度值小于1000mm/rad3，表明气门运动具有较好的平稳性。
4) 阀系自振频率
5) 正加速度宽度和K系数
从运动学计算结果提取出正加速宽度Λ，计算K值：
Λ⋅fz
K=
6nc式中：Λ—正加速度宽度（deg）；
fz—配气机构的自振频率（Hz）； nc—凸轮转速（r/min）。
阀系的自振频率越高，正加速度宽度和K系数越大，整个配气机构发生共振的可能就越小。
6) 气门升程丰满系数
反映气门通过能力大小通常用“气门瞬时通路面积”或“时面断面”来表示。为便于比较各种具有不同工作段包角和最大升程的凸轮对充气性能的影响效果，这里用丰满系数作为评价指标。
ξ=∫y(α)dα/ymax(αa−α0)
α0
αa
式中： ymax—气门最大升程（mm）；
αa—气门关闭时的凸轮轴转角(deg)；
α0—气门开启时的凸轮轴转角(deg)。
一般认为丰满系数较大对充气性能上有利的，但也非绝对如此，如果一味追求大的丰满系数而使机构可靠性和平稳性变得很差，最终也就无法保证得到良好的充气性能。
7) 凸轮与从动件最大接触应力
凸轮与从动件间的接触应力可按下面公式计算：
σc=式中：F—凸轮与挺柱间的法向作用力(N)；
ρ1、ρ2—分别凸轮与挺柱在接触点的曲率半径(mm)；
E1、E2—分别凸轮与挺柱材料的弹性模量(MPa)；
μ1、μ2—分别相应材料的泊松比；
W—接触线宽度(mm)。
8) 凸轮曲率半径
应避免其最小曲率半径过小，这样会导致接触应力很大，并会使凸轮过早磨损,一般认为最小曲率半径应≧2mm，但工程上为了进一步减小凸轮的磨损，一般要求最小曲率半径≧3mm。
对于从动件为平底挺柱的情形，凸轮的曲率半径ρ1可以用下面的公式计算：
d2hρ1=R0+h(α)+2
dα
式中：R0—凸轮的基圆半径(mm)；
h(α)—挺柱升程曲线（mm）。
对于从动件为滚轮挺柱的情形，则凸轮的曲率半径ρ1可以用下面的公式计算：
⎡⎛dg⎞2⎤2
⎢⎜⎟+g(α)⎥
α⎢⎥⎣⎝d⎠⎦ρ1=−R00 22
dg⎛dg⎞
αg2(α)+2⎜g()−⎟
dα2⎝dα⎠
3/2
式中：R00—滚轮半径（mm）；
g(α)=R0+R00+h(α)；
9) 平面挺柱润滑系数
凸轮型线设计时，应使凸轮与挺柱处于较好的润滑状态，以提高凸轮与挺柱摩擦副的可靠性与寿命。可用油膜厚度或者流体动力学润滑系数作为凸轮设计的评价指标。
凸轮与平面挺柱的油膜厚度简化公式为：
δmin=k0(R0+hr
式中：R0—凸轮基圆半径（mm）；
hr—挺柱升程（mm）；
ρ—接触点处凸轮廓线曲率半径（mm）；
k0—已知常数。
流体动力学润滑系数Nr定义为：
Nr=
ρ
R0+hr
一般平面挺柱的最小润滑系数要求在凸轮桃尖±30度凸轮转角范围内在0.15～0.3之间。 10) 弹簧裕度
图3.6 弹簧裕度评价
如图3.6所示，一般要求在发动机标定转速超速20%的情况下，最小气门弹簧裕度值在1.1～1.2之间较理想。
11) 凸轮驱动力
由凸轮转矩大小能够确定凸轮轴上载荷及驱动从动件系统所需的功率,整机配气机构加
驱动系的计算中，该转矩是作用在带轮上的载荷，是影响凸轮轴系扭振和皮带是否正常工作的激励条件。一般要求从最大正力矩变为最大负力矩过程应该平稳。 3.2.2 动力学分析和评价
1) 气门动力学升程、速度、加速度、落座力
¾ 用于判断气门开启和关闭情况，以及整个配气机构的工作稳定性； ¾ 是否存在反跳、二次开启等现象； ¾ 判断气门和气门座之间的冲击、磨损情况；
¾ 输出的动力学气门升程可为发动机整机性能计算提供数据支持。 2) 凸轮和从动件的接触应力
用于判断凸轮的磨损以及是否存在飞脱现象，并可以根据此结果分析气门弹簧和整个配气机构的匹配情况。
3) 气门弹簧动力学特性
分析气门弹簧刚度和预紧力大小和整个配气机构匹配情况，气门弹簧有无并圈、颤振现象。
4) 摇臂轴的最大支承力
可根据该结果调整摇臂轴内外径、跨度等，避免过度的弯曲变形等。 5) 凸轮轴的最大扭矩
判断对凸轮轴扭转、配气正时、凸轮和从动件接触应力等的影响等。 6) 总凸轮轴承力
了解轴承的单位面积载荷，了解凸轮轴前后端结构对各轴承的影响趋势，从而有效地制订凸轮轴承的尺寸等。
7) 液压元件的动力学评价
¾ 柱塞运动：柱塞在许用升程范围之内运动，不失效，保证液压缓冲作用有效。柱塞具
有良好的泵油效果，影响因素主要有柱塞间隙、行程、和受力； ¾ 球阀升程：有正常开启关闭，以便补油；
¾ 供油端与工作腔压力：无异常的压力下降或上升趋势； ¾ 要选择适合大小和能力的液压挺柱； ¾ 保证充足的供油通道。
3.3 配气机构运动学动力学TYCON模型建立
配气机构主要有如图3.7所示的几种结构。
a）机械挺柱顶置凸轮阀系
b）直接驱动摇臂顶置凸轮阀系
C）液压挺柱支撑型从动件顶置凸轮阀系
d）滚子从动件下置凸轮阀系
图3.7 阀系类型及其Tycon模型
根据配气机构的具体形式建立配气机构运动学和动力学TYCON模型，并按照要求输入各个单元的参数。
3.4 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 3.4.1凸轮型线及配气机构运动学分析界面的进入
运动学分析界面进入如图3.8所示。
图3.8 进入型线设计界面
3.4.2 Cam Design界面中数据的输入
凸轮型线设计及运动学分析数据输入如图3.9～3.15所示。
图3.9 凸轮型线设计及运动学数据输入（一）
图3.10 凸轮型线设计及运动学数据输入（二）
图3.11 凸轮型线设计及运动学数据输入（三）
图3.12 凸轮型线设计及运动学数据输入（四）
图3.13 凸轮型线设计及运动学数据输入（五）
图3.14 凸轮型线设计及运动学数据输入（六）
图3.15 凸轮型线设计及运动学数据输入（七）
3.4.3 凸轮型线评价及配气机构运动学分析
凸轮型线评价及运动学分析如图3.16～3.18所示。
图3.16 凸轮型线评价及运动学分析（一）
图3.17 凸轮型线评价及运动学分析（二）
图3.18 凸轮型线评价及运动学分析（三）
3.5 配气机构动力学分析
3.5.1动力学模型的文件和目录说明
动力学模型的文件和目录如图3.19所示。
图3.19 动力学模型文件及目录
3.5.2仿真计算、参数设置和结果控制
动力学计算设置如图3.20～3.22所示。
图3.20 动力学计算参数设置
图3.21 变量设置
图3.22 动力学计算工况设置
3.5.3动力学计算后处理
动力学计算设置如图3.23～3.26所示。
图3.23 动力学后处理（一）
图3.24 动力学后处理（二）
图3.25 动力学后处理（三）
图3.26 动力学后处理（四）
3.6 配气机构改进和优化
根据配气机构的运动学和动力学计算分析结果，可以对配气机构的改进和优化。配气机
构的改进和优化主要侧重于凸轮型线的改进和优化。
3.6.1 凸轮型线优化设计流程及界面
凸轮型线优化设计流程如图3.27所示，其Tycon设计界面如图3.28所示。
图3.27 凸轮型线优化设计流程
图3.28 凸轮型线设计界面
3.6.2 缓冲段设计
1) 缓冲段高度
式中 ： x0——气门间隙； x0F0+Fg(α0)h0=+kkc
F0——气门弹簧预紧力；
c——配气机构刚度；
k——配气机构摇臂比；
Fg(α0)——缸内燃气对气门作用力。
上升段和下降段缓冲段高度通常可以相等，一般而言，车用发动机凸轮型线的缓冲段高度为0.2～0.4mm，摩托车发动机凸轮型线的缓冲段高度为一般0.1～0.2mm左右，有液压挺柱的一般可在0.02mm左右。
2) 缓冲段末端速度
¾ 根据不同的发动机转速和运转平稳性要求：无液压元件的配气机构，一般缓冲段末端
最大速度小于300mm/s（运动学），或0.006～0.025mm/Camdeg，高转速发动机可取下限，以避免气门过度冲击、过大噪声等；有液压元件的，一般缓冲段末端最大速度可取得更小，并可根据转速、缓冲段长度和高度共同调试，充分发挥其平稳落座的特点。
¾ 当气门落座速度(动力学) 超过500～800mm/s，一般材料的气门和气门座就很快损
坏，但速度太低则不利于碾碎气门座上的杂质，且时面值减少，不利于充气系数的提高。
3) 缓冲段包角
¾ 缓冲段包角一般在15～40度凸轮转角范围内；
¾ 缓冲段包角应与缓冲段高度、形状、末端速度配合考虑。
4) 缓冲段函数类型
a) 矩形函数类型
¾ 持续期可较长，常用于气门间隙较大(无液压间隙调节器)的大中型柴油机；
¾ 等加速度段可保证从动件快速提高速度；
¾ 等速段可保证在速度不变下气门平稳开起和平稳落座。
图3.29 矩形函数缓冲段
b) 余弦函数类型
¾ 一般用于高速强化汽油机，气门间隙较小或带液压间隙调节；
¾ 缓冲段终点处升程变化缓慢，当每循环气门间隙略有差异时，气门开闭正时就将有较大影响，故不适合大间隙。
图3.30 余弦函数缓冲段
c) 梯形函数类型
梯形函数是常见的类型，具有矩形函数的优点，且加速度冲击可以稍小，缓冲段长度可以稍短。
图3.31 梯形函数缓冲段
3.6.3 工作段设计
1) 工作段包角
工作段包角由发动机的配气相位和发动机性能要求来确定：
φ=0.5(180°+α1+α2)
式中：α1─进气或排气提前开启角（deg）；
α2─进气或排气滞后关闭角（deg）。
2) 工作段气门最大升程
工作段气门最大升程根据配气机构结构要求、运动学、动力学分析结果及发动机性能要求重新确定。
3) TYCON中三种配气凸轮工作段设计方法
a) 气门加速度多项动力凸轮（POLYDYNE）
根据经验，一般C4取0.1或0.2，p、q、r、s的取值根据经验公式：p=2~20，q=2n，r=2n+2m，s=2n+4m。在这个范围内，通过调整曲线方程的指数，设计出凸轮型线，由气门升程曲线，可以推导出挺柱的升程曲线。从得到的气门升程曲线丰满系数、凸轮与挺柱间的接触应力、凸轮与挺柱间油膜润滑系数等参数来选择合理的组合，最后确定综合性能较好的凸轮型线方案。
气门加速度多项动力凸轮设计方法常应用于平面挺柱形式的配气机构。采用不同的组合，进行配气机构设计时，通过计算发现，若保持设计函数指数q、r、s不变，随着p值增加，凸轮与挺柱间的最大接触应力会降低，丰满系数、最大跃度值、凸轮桃尖区最小油膜润滑系
数都会增加。
图3.32气门加速度多项动力凸轮设置
当采用相同的p、q、r、s值，而C4取值增大时，可以发现接触应力变大。从设计过程中调整参数来看，C4影响到减速区开始点位置，用于调整凸轮与挺柱间的接触应力。偶数指数p
在进行配气凸轮型线设计时，可以通过把减小p值，使接触应力变大，丰满系数变小，最大跃度值、润滑系数都在比较好的范围内，再通过增大q、r、s的值，不断调整，来降低接触应力，增加丰满系数，使得设计结果具有接触应力小，丰满系数大，最大跃度值小，润滑效果好的综合性能。
在设计过程中，通过调整函数指数，观察曲线形式的变化，曲线形式的变化直接影响到配气机构的工作性能。正加速度宽度窄，则峰值高，丰满系数大，但容易产生过小的负曲率半径，负曲率半径过小，给加工造成困难。气门加速度多项动力凸轮设计方法所得到的气门升程曲线函数是一种光滑的具有充分适应性的简单形式。相对气门等加速凸轮以及气门分段加速度函数凸轮方法而言，缺乏局部运动控制的灵活性，正加速度宽度和高度较难控制。
b) 气门分段加速度函数凸轮（ISAC）
气门分段加速度函数凸轮是常用的设计方法，也是优化时的首选方法，可用于任何形式的配气凸轮。气门分段加速度函数凸轮可用任意函数自由搭配，灵活性好，如方便控制正加速度宽度等。可以采用的加速度函数类型多，包括正弦函数、多项式、正弦或过渡圆弧。针对气门加速度曲线，一般开启段和关闭段各分成6-10段进行设计，设定各段宽度，曲线类型以及末端加速度相对值。通过调整设计参数，来确定优化的型线设计方案。在设计出合理的气门加速度曲线基础上，计算出相应的挺柱升程曲线及配气凸轮型线。但该方法很难准确的保证气门升程丰满系数、各段函数间高阶导数连续等问题，这对设计者的水平要求较高。气
门分段加速度函数凸轮比气门等加速凸轮方法更通用，具有很高的灵活性，控制和调整方便，应用比较广泛。
图3.33 气门分段加速度函数凸轮设置（一）
图3.34 气门分段加速度函数凸轮设置（二）
c) 气门等加速度凸轮（STAC）
常用于大中型低速发动机, 应用在基圆半径大，升程较小的场合，方法比较灵活。将气门的加速度曲线分成3段。应用此方法进行设计时，需确定开启侧或关闭侧各段宽度θ1、θ2、θ3，三段之和为半包角宽度，还有一个参数是加速度之比λ=m/n，即第二段末端的加速度值m与第三段末端加速度值之比n。通过调整加速度各段宽度及加速度比，来设计出气门加速度曲线，进而得到凸轮型线及挺柱的升程曲线。综合分析得到的气门升程曲线丰满系数、凸轮与挺柱间的接触应力、凸轮与挺柱间油膜润滑系数等参数，最后确定综合性能较好的凸轮型线方案。应用气门等加速凸轮设计方法进行配气凸轮型线设计时，可以调整的设计参数有限，在配气凸轮型线设计中，往往很难兼顾到，包括凸轮与挺柱间接触应力、气门升程丰满系数、气门加速度最大跃度值以及凸轮与挺柱间油膜润滑系数等多个性能指标，该设计方法的灵活性不够。
图3.35 气门等加速度凸轮设置
3.6.4 新凸轮型线的分析
新设计的凸轮型线导入到运动学和动力学模型中，按照配气机构运动学和动力学分析方法进行计算分析，如图3.36所示。
图3.36 新凸轮型线的分析
致谢
本流程的编写得到国家科技支撑计划《乘用车柴油动力系统关键技术的研发和应用》(项目编号: 2009BAG13B00)的资助，在此表示崇高的感谢！
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发动机配气机构计算分析流程
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1 参数定义 ........................................................................................................................ 3 2 配气机构计算分析和优化流程框图 ................................................................................. 7 3 过程实施 ........................................................................................................................ 9
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3.1.1 简介 .............................................................................................................. 9 3.1.2 AVL-Workspace Tycon的应用 .................................................................... 9 3.1.3 AVL-Workspace Tycon主要菜单和主要模块介绍 ....................................... 9 3.2 配气机构评价指标 ................................................................................................. 12
3.2.1 运动学分析和评价 ....................................................................................... 12 3.2.2 动力学分析和评价 ....................................................................................... 15 3.3 配气机构运动学动力学TYCON模型建立 ............................................................. 15 3.4 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 .................................................................... 16
3.4.1凸轮型线及配气机构运动学分析界面的进入 ................................................ 16 3.4.2 Cam Design界面中数据的输入 .................................................................... 17 3.4.3 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 .......................................................... 20 3.5 配气机构动力学分析 ............................................................................................. 21
3.5.1动力学模型的文件和目录说明...................................................................... 21 3.5.2仿真计算、参数设置和结果控制 .................................................................. 22 3.5.3动力学计算后处理........................................................................................ 24 3.6 配气机构改进和优化 ............................................................................................. 25
3.6.1 凸轮型线优化设计流程及界面 ..................................................................... 26 3.6.2 缓冲段设计 ................................................................................................. 26 3.6.3 工作段设计 ................................................................................................. 29 3.6.4 新凸轮型线的分析 ....................................................................................... 33
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1 参数定义
发动机配气机构计算分析所需参数如表1所示。
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单元名称
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参数 单位
转速输入方式的选择
转速值或者rad 有无转速波动
基圆半径型线数据与实际位置偏移角度凸轮转角转转系数
凸轮轴承单元
带轮和链轮单元
配气相位单元
凸轮升程数据单位与米的转换关系 凸轮型线数据类型 凸轮型线数据
Y方向刚度Z方向刚度Y方向阻尼Z方向阻尼机油动力粘度 相对间隙
轴瓦直径轴承宽度与轴瓦直径比值
质量转动惯量（扭转） 转动惯量（弯曲） 相对阻尼
杨氏模量 剪切模量 中截面面积
质心到第一轴距离剪切面积率
惯性矩（扭曲） 惯性矩（弯曲）
带的预紧力传动力带的阻尼带轮有效半径带刚度发火次序载荷数据时间偏移量凸轮中心到接触点的距离矢量
油膜润滑单元
气门杆单元
气门面单元
从动件运动向量
凸轮接触宽度机油动力粘度 润滑油粘压比系数/N 从动件形式选择
凸轮的弹性模量 从动件的弹性模量 接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
单元间隙质量施加载荷 元件运动方向 摩擦系数
摩擦力摩擦速度依赖系数元件变刚度表
元件恒定刚度接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
单元间隙质量元件刚度气阀座摩擦系数
气门座及缸头恒定刚度变形一次方系数变形二次方系数 气门座及缸头阻尼值类型选择
气门座及缸头阻尼值气阀面摩擦系数
气阀面摩擦力气阀面摩擦速度依赖系数元件运动方向 阀面载荷施加的选择 载荷数据X轴值的转化系数 载荷数据Y轴值的转化系数 载荷长度 载荷数据表 接触损失的选择 弹簧运动部分质量点数
弹簧有效圈部分质量弹簧刚度
气门弹簧单元
摇臂单元
Rocker Arm
Finger Follower
弹簧刚度升程一次方系数弹簧相对阻尼 弹簧预紧力 弹簧并圈后阻尼类型的选择
弹簧并圈后阻尼或无
弹簧并圈后刚度弹簧最大工作行程接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
与推杆间隙当量质量元件运动方向
当量刚度力一次方系数力二次方系数 摩擦系数
摩擦力摩擦速度依赖系数定摇臂比 可变摇臂比 运动夹角凸轮侧长气门侧长臂间夹角凸轮侧/推杆运动力臂夹角接触损失的选择 阻尼类型选择
阻尼值或无
与凸轮间隙外部载荷 元件运动方向
当量质量升程一次方系数升程二次方系数
元件刚度偏心率一次方系数偏心率二次方系数 摩擦系数
摩擦力摩擦速度依赖系数杆件几气门关闭的角度何 凸轮接触圆心到支承点圆心的距mm
离
从动件半径
L-N坐标系中支承点坐标位置L-N坐标系中支承压缩方向 气门升程方向 L-N坐标系气门侧接触圆中心点mm 位置
接触损失的选择 阻尼类型选择 阻尼值或无 与凸轮间隙 质量 供油长度 外部载荷 摩擦系数 液压挺柱第摩擦力 一部分 摩擦速度依赖系数 HLAT 刚度列表 刚度常数
偏心率一次方系数
偏心率二次方系数
升程一次方系数
升程二次方系数
液压元件
接触损失的选择 单元
阻尼类型选择 阻尼值或无 与HLAT的间隙 柱塞质量 内径 外径 供油室初始体积 HLAS与HLAT之间的间隙高度 HLAS与HLAT之间的间隙长度液压挺柱第摩擦系数
二部分
摩擦力HLAS
摩擦速度依赖系数柱塞结构刚度力的一次方系数力的二次方系数
球珠直径座直径球珠最大升降距离球珠质量球珠弹簧预紧力流动阻力系数 供油线流动阻力系数
供油最小截面积 供油压力 机油密度 机油动力粘度 机油特性 机油粘压比系数/N
液体定常压缩模量 液体可变压缩模量数据表
2 配气机构计算分析和优化流程框图
配气机构计算分析和优化过程包括凸轮型线设计、运动学评价及动力学分析等三个过程，其总体流程如图2.1所示。
图2.1 发动机配气机构计算流程框图
3 过程实施
3.1 AVL-workspace-TYCON软件介绍 3.1.1 简介
TYCON软件是AVL公司开发是一种基于Windows操作系统的适合分析各种发动机配气机构性能的软件。具有凸轮型线设计、优化、配气机构运动学、动力学计算、正时驱动系统动力学计算、齿轮传动系统动力学计算、驱动噪声分析等功能。AVL TYCON提供了配气机构运动学、动力学计算、配气凸轮型线评价及改进设计模块。其运动学、动力学计算是基于多质量动力学模型计算理论的。采用多个集中质量来简化模型，相关参数设置与前面介绍的单自由度模型类似，但多质量动力学模型的计算复杂度远远超过了单自由度模型。AVL TYCON软件本身提供了相应的集成化模块，具有友好的用户界面，建立模型及参数输入较为方便，这正是应用模拟计算软件进行配气机构优化设计计算优势所在。
运动学及动力学分析模块，能够通过建模计算，明确气门运动特性及配气机构动力学相关性能，为常规配气机构提供最好的性能和最可靠的结果。从凸轮型线的设计到整体配气系统的动态模拟，有效地整机的配气机构的布置和设计。
凸轮型线的评价及改进设计模块，用于对已有的凸轮型线进行评价、分析，能在设计开始阶段生成新的凸轮型线，并能够在对配气机构做完动力学评价之后，通过修改凸轮型线来优化配气机构。从动态模拟模型可生成同样的凸轮设计模型，涵盖了所有的发动机类型，同时还提供了不同的修改型线的有效方法。 3.1.2 AVL-Workspace Tycon的应用
1) 分析部件: 凸轮、凸轮轴、径向/推力轴承、皮带、链条、张紧器、齿轮等； 2) 凸轮型线设计和修改(运动学) －满足气门升程、曲率、接触应力等；
3) 单配气机构或整个正时驱动系动力学计算－如气门座力、轴承力、弹簧力，以反映
飞脱和反跳等现象；
4) 链条和皮带传动系－如张紧器分析，链条或皮带的受力和纵向振动等； 5) 齿轮传动和齿轮箱动力学－啮合力、传动特性等。 3.1.3 AVL-Workspace Tycon主要菜单和主要模块介绍
1) 主界面，如图2.2所示；
图3.1 Tycon界面
2) 主要菜单，如图3.2、3.3所示；
图3.2 Tycon主要菜单（一）
图3.3 Tycon主要菜单（二）
3) 主要模块介绍，如图3.4、3.5所示；
图3.4 Tycon主要模块（一）
图3.5 Tycon主要模块（二）
3.2 配气机构评价指标 3.2.1 运动学分析和评价
1) 气门升程曲线与凸轮型线 2) 气门与凸轮相对速度和相对加速度 3) 气门最大跃度
一般用气门加速度曲线变化率的最大值范围来评价气门运动的平稳性。气门运动加速度变化率最大值定义为最大跃度值。如果最大跃度值小于1000mm/rad3，表明气门运动具有较好的平稳性。
4) 阀系自振频率
5) 正加速度宽度和K系数
从运动学计算结果提取出正加速宽度Λ，计算K值：
Λ⋅fz
K=
6nc式中：Λ—正加速度宽度（deg）；
fz—配气机构的自振频率（Hz）； nc—凸轮转速（r/min）。
阀系的自振频率越高，正加速度宽度和K系数越大，整个配气机构发生共振的可能就越小。
6) 气门升程丰满系数
反映气门通过能力大小通常用“气门瞬时通路面积”或“时面断面”来表示。为便于比较各种具有不同工作段包角和最大升程的凸轮对充气性能的影响效果，这里用丰满系数作为评价指标。
ξ=∫y(α)dα/ymax(αa−α0)
α0
αa
式中： ymax—气门最大升程（mm）；
αa—气门关闭时的凸轮轴转角(deg)；
α0—气门开启时的凸轮轴转角(deg)。
一般认为丰满系数较大对充气性能上有利的，但也非绝对如此，如果一味追求大的丰满系数而使机构可靠性和平稳性变得很差，最终也就无法保证得到良好的充气性能。
7) 凸轮与从动件最大接触应力
凸轮与从动件间的接触应力可按下面公式计算：
σc=式中：F—凸轮与挺柱间的法向作用力(N)；
ρ1、ρ2—分别凸轮与挺柱在接触点的曲率半径(mm)；
E1、E2—分别凸轮与挺柱材料的弹性模量(MPa)；
μ1、μ2—分别相应材料的泊松比；
W—接触线宽度(mm)。
8) 凸轮曲率半径
应避免其最小曲率半径过小，这样会导致接触应力很大，并会使凸轮过早磨损,一般认为最小曲率半径应≧2mm，但工程上为了进一步减小凸轮的磨损，一般要求最小曲率半径≧3mm。
对于从动件为平底挺柱的情形，凸轮的曲率半径ρ1可以用下面的公式计算：
d2hρ1=R0+h(α)+2
dα
式中：R0—凸轮的基圆半径(mm)；
h(α)—挺柱升程曲线（mm）。
对于从动件为滚轮挺柱的情形，则凸轮的曲率半径ρ1可以用下面的公式计算：
⎡⎛dg⎞2⎤2
⎢⎜⎟+g(α)⎥
α⎢⎥⎣⎝d⎠⎦ρ1=−R00 22
dg⎛dg⎞
αg2(α)+2⎜g()−⎟
dα2⎝dα⎠
3/2
式中：R00—滚轮半径（mm）；
g(α)=R0+R00+h(α)；
9) 平面挺柱润滑系数
凸轮型线设计时，应使凸轮与挺柱处于较好的润滑状态，以提高凸轮与挺柱摩擦副的可靠性与寿命。可用油膜厚度或者流体动力学润滑系数作为凸轮设计的评价指标。
凸轮与平面挺柱的油膜厚度简化公式为：
δmin=k0(R0+hr
式中：R0—凸轮基圆半径（mm）；
hr—挺柱升程（mm）；
ρ—接触点处凸轮廓线曲率半径（mm）；
k0—已知常数。
流体动力学润滑系数Nr定义为：
Nr=
ρ
R0+hr
一般平面挺柱的最小润滑系数要求在凸轮桃尖±30度凸轮转角范围内在0.15～0.3之间。 10) 弹簧裕度
图3.6 弹簧裕度评价
如图3.6所示，一般要求在发动机标定转速超速20%的情况下，最小气门弹簧裕度值在1.1～1.2之间较理想。
11) 凸轮驱动力
由凸轮转矩大小能够确定凸轮轴上载荷及驱动从动件系统所需的功率,整机配气机构加
驱动系的计算中，该转矩是作用在带轮上的载荷，是影响凸轮轴系扭振和皮带是否正常工作的激励条件。一般要求从最大正力矩变为最大负力矩过程应该平稳。 3.2.2 动力学分析和评价
1) 气门动力学升程、速度、加速度、落座力
¾ 用于判断气门开启和关闭情况，以及整个配气机构的工作稳定性； ¾ 是否存在反跳、二次开启等现象； ¾ 判断气门和气门座之间的冲击、磨损情况；
¾ 输出的动力学气门升程可为发动机整机性能计算提供数据支持。 2) 凸轮和从动件的接触应力
用于判断凸轮的磨损以及是否存在飞脱现象，并可以根据此结果分析气门弹簧和整个配气机构的匹配情况。
3) 气门弹簧动力学特性
分析气门弹簧刚度和预紧力大小和整个配气机构匹配情况，气门弹簧有无并圈、颤振现象。
4) 摇臂轴的最大支承力
可根据该结果调整摇臂轴内外径、跨度等，避免过度的弯曲变形等。 5) 凸轮轴的最大扭矩
判断对凸轮轴扭转、配气正时、凸轮和从动件接触应力等的影响等。 6) 总凸轮轴承力
了解轴承的单位面积载荷，了解凸轮轴前后端结构对各轴承的影响趋势，从而有效地制订凸轮轴承的尺寸等。
7) 液压元件的动力学评价
¾ 柱塞运动：柱塞在许用升程范围之内运动，不失效，保证液压缓冲作用有效。柱塞具
有良好的泵油效果，影响因素主要有柱塞间隙、行程、和受力； ¾ 球阀升程：有正常开启关闭，以便补油；
¾ 供油端与工作腔压力：无异常的压力下降或上升趋势； ¾ 要选择适合大小和能力的液压挺柱； ¾ 保证充足的供油通道。
3.3 配气机构运动学动力学TYCON模型建立
配气机构主要有如图3.7所示的几种结构。
a）机械挺柱顶置凸轮阀系
b）直接驱动摇臂顶置凸轮阀系
C）液压挺柱支撑型从动件顶置凸轮阀系
d）滚子从动件下置凸轮阀系
图3.7 阀系类型及其Tycon模型
根据配气机构的具体形式建立配气机构运动学和动力学TYCON模型，并按照要求输入各个单元的参数。
3.4 凸轮型线评价及配气机构运动学分析 3.4.1凸轮型线及配气机构运动学分析界面的进入
运动学分析界面进入如图3.8所示。
图3.8 进入型线设计界面
3.4.2 Cam Design界面中数据的输入
凸轮型线设计及运动学分析数据输入如图3.9～3.15所示。
图3.9 凸轮型线设计及运动学数据输入（一）
图3.10 凸轮型线设计及运动学数据输入（二）
图3.11 凸轮型线设计及运动学数据输入（三）
图3.12 凸轮型线设计及运动学数据输入（四）
图3.13 凸轮型线设计及运动学数据输入（五）
图3.14 凸轮型线设计及运动学数据输入（六）
图3.15 凸轮型线设计及运动学数据输入（七）
3.4.3 凸轮型线评价及配气机构运动学分析
凸轮型线评价及运动学分析如图3.16～3.18所示。
图3.16 凸轮型线评价及运动学分析（一）
图3.17 凸轮型线评价及运动学分析（二）
图3.18 凸轮型线评价及运动学分析（三）
3.5 配气机构动力学分析
3.5.1动力学模型的文件和目录说明
动力学模型的文件和目录如图3.19所示。
图3.19 动力学模型文件及目录
3.5.2仿真计算、参数设置和结果控制
动力学计算设置如图3.20～3.22所示。
图3.20 动力学计算参数设置
图3.21 变量设置
图3.22 动力学计算工况设置
3.5.3动力学计算后处理
动力学计算设置如图3.23～3.26所示。
图3.23 动力学后处理（一）
图3.24 动力学后处理（二）
图3.25 动力学后处理（三）
图3.26 动力学后处理（四）
3.6 配气机构改进和优化
根据配气机构的运动学和动力学计算分析结果，可以对配气机构的改进和优化。配气机
构的改进和优化主要侧重于凸轮型线的改进和优化。
3.6.1 凸轮型线优化设计流程及界面
凸轮型线优化设计流程如图3.27所示，其Tycon设计界面如图3.28所示。
图3.27 凸轮型线优化设计流程
图3.28 凸轮型线设计界面
3.6.2 缓冲段设计
1) 缓冲段高度
式中 ： x0——气门间隙； x0F0+Fg(α0)h0=+kkc
F0——气门弹簧预紧力；
c——配气机构刚度；
k——配气机构摇臂比；
Fg(α0)——缸内燃气对气门作用力。
上升段和下降段缓冲段高度通常可以相等，一般而言，车用发动机凸轮型线的缓冲段高度为0.2～0.4mm，摩托车发动机凸轮型线的缓冲段高度为一般0.1～0.2mm左右，有液压挺柱的一般可在0.02mm左右。
2) 缓冲段末端速度
¾ 根据不同的发动机转速和运转平稳性要求：无液压元件的配气机构，一般缓冲段末端
最大速度小于300mm/s（运动学），或0.006～0.025mm/Camdeg，高转速发动机可取下限，以避免气门过度冲击、过大噪声等；有液压元件的，一般缓冲段末端最大速度可取得更小，并可根据转速、缓冲段长度和高度共同调试，充分发挥其平稳落座的特点。
¾ 当气门落座速度(动力学) 超过500～800mm/s，一般材料的气门和气门座就很快损
坏，但速度太低则不利于碾碎气门座上的杂质，且时面值减少，不利于充气系数的提高。
3) 缓冲段包角
¾ 缓冲段包角一般在15～40度凸轮转角范围内；
¾ 缓冲段包角应与缓冲段高度、形状、末端速度配合考虑。
4) 缓冲段函数类型
a) 矩形函数类型
¾ 持续期可较长，常用于气门间隙较大(无液压间隙调节器)的大中型柴油机；
¾ 等加速度段可保证从动件快速提高速度；
¾ 等速段可保证在速度不变下气门平稳开起和平稳落座。
图3.29 矩形函数缓冲段
b) 余弦函数类型
¾ 一般用于高速强化汽油机，气门间隙较小或带液压间隙调节；
¾ 缓冲段终点处升程变化缓慢，当每循环气门间隙略有差异时，气门开闭正时就将有较大影响，故不适合大间隙。
图3.30 余弦函数缓冲段
c) 梯形函数类型
梯形函数是常见的类型，具有矩形函数的优点，且加速度冲击可以稍小，缓冲段长度可以稍短。
图3.31 梯形函数缓冲段
3.6.3 工作段设计
1) 工作段包角
工作段包角由发动机的配气相位和发动机性能要求来确定：
φ=0.5(180°+α1+α2)
式中：α1─进气或排气提前开启角（deg）；
α2─进气或排气滞后关闭角（deg）。
2) 工作段气门最大升程
工作段气门最大升程根据配气机构结构要求、运动学、动力学分析结果及发动机性能要求重新确定。
3) TYCON中三种配气凸轮工作段设计方法
a) 气门加速度多项动力凸轮（POLYDYNE）
根据经验，一般C4取0.1或0.2，p、q、r、s的取值根据经验公式：p=2~20，q=2n，r=2n+2m，s=2n+4m。在这个范围内，通过调整曲线方程的指数，设计出凸轮型线，由气门升程曲线，可以推导出挺柱的升程曲线。从得到的气门升程曲线丰满系数、凸轮与挺柱间的接触应力、凸轮与挺柱间油膜润滑系数等参数来选择合理的组合，最后确定综合性能较好的凸轮型线方案。
气门加速度多项动力凸轮设计方法常应用于平面挺柱形式的配气机构。采用不同的组合，进行配气机构设计时，通过计算发现，若保持设计函数指数q、r、s不变，随着p值增加，凸轮与挺柱间的最大接触应力会降低，丰满系数、最大跃度值、凸轮桃尖区最小油膜润滑系
数都会增加。
图3.32气门加速度多项动力凸轮设置
当采用相同的p、q、r、s值，而C4取值增大时，可以发现接触应力变大。从设计过程中调整参数来看，C4影响到减速区开始点位置，用于调整凸轮与挺柱间的接触应力。偶数指数p
在进行配气凸轮型线设计时，可以通过把减小p值，使接触应力变大，丰满系数变小，最大跃度值、润滑系数都在比较好的范围内，再通过增大q、r、s的值，不断调整，来降低接触应力，增加丰满系数，使得设计结果具有接触应力小，丰满系数大，最大跃度值小，润滑效果好的综合性能。
在设计过程中，通过调整函数指数，观察曲线形式的变化，曲线形式的变化直接影响到配气机构的工作性能。正加速度宽度窄，则峰值高，丰满系数大，但容易产生过小的负曲率半径，负曲率半径过小，给加工造成困难。气门加速度多项动力凸轮设计方法所得到的气门升程曲线函数是一种光滑的具有充分适应性的简单形式。相对气门等加速凸轮以及气门分段加速度函数凸轮方法而言，缺乏局部运动控制的灵活性，正加速度宽度和高度较难控制。
b) 气门分段加速度函数凸轮（ISAC）
气门分段加速度函数凸轮是常用的设计方法，也是优化时的首选方法，可用于任何形式的配气凸轮。气门分段加速度函数凸轮可用任意函数自由搭配，灵活性好，如方便控制正加速度宽度等。可以采用的加速度函数类型多，包括正弦函数、多项式、正弦或过渡圆弧。针对气门加速度曲线，一般开启段和关闭段各分成6-10段进行设计，设定各段宽度，曲线类型以及末端加速度相对值。通过调整设计参数，来确定优化的型线设计方案。在设计出合理的气门加速度曲线基础上，计算出相应的挺柱升程曲线及配气凸轮型线。但该方法很难准确的保证气门升程丰满系数、各段函数间高阶导数连续等问题，这对设计者的水平要求较高。气
门分段加速度函数凸轮比气门等加速凸轮方法更通用，具有很高的灵活性，控制和调整方便，应用比较广泛。
图3.33 气门分段加速度函数凸轮设置（一）
图3.34 气门分段加速度函数凸轮设置（二）
c) 气门等加速度凸轮（STAC）
常用于大中型低速发动机, 应用在基圆半径大，升程较小的场合，方法比较灵活。将气门的加速度曲线分成3段。应用此方法进行设计时，需确定开启侧或关闭侧各段宽度θ1、θ2、θ3，三段之和为半包角宽度，还有一个参数是加速度之比λ=m/n，即第二段末端的加速度值m与第三段末端加速度值之比n。通过调整加速度各段宽度及加速度比，来设计出气门加速度曲线，进而得到凸轮型线及挺柱的升程曲线。综合分析得到的气门升程曲线丰满系数、凸轮与挺柱间的接触应力、凸轮与挺柱间油膜润滑系数等参数，最后确定综合性能较好的凸轮型线方案。应用气门等加速凸轮设计方法进行配气凸轮型线设计时，可以调整的设计参数有限，在配气凸轮型线设计中，往往很难兼顾到，包括凸轮与挺柱间接触应力、气门升程丰满系数、气门加速度最大跃度值以及凸轮与挺柱间油膜润滑系数等多个性能指标，该设计方法的灵活性不够。
图3.35 气门等加速度凸轮设置
3.6.4 新凸轮型线的分析
新设计的凸轮型线导入到运动学和动力学模型中，按照配气机构运动学和动力学分析方法进行计算分析，如图3.36所示。
图3.36 新凸轮型线的分析
致谢
本流程的编写得到国家科技支撑计划《乘用车柴油动力系统关键技术的研发和应用》(项目编号: 2009BAG13B00)的资助，在此表示崇高的感谢！