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摘要：针对柴油机配气机构运转不平稳的问题，通过改变凸轮型线进行凸轮轴的优化设计，同时应用UG软件建立柴油机配气机构三维模型，并对配气机构进行运动学仿真。试验结果表明，改进后系统的最大加速度显著下降，配气机构运转平稳性显著提高。
关键词：配气机构；凸轮优化；UG
柴油机配气机构的功能是依照工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，不仅要保证气缸进气充分、排气彻底，同时还应满足振动噪声小，可靠性高等要求。凸轮轴作为配气机构中的关键零件，其轮廓型线对配气机构的性能有着直接的影响。原顶置气门、下置凸轮轴、中心固定摇臂、2气门结构柴油机的凸轮外形是由几段圆弧与直线以及阿基米德螺旋线相接而成，具有较大的丰满系数，但其升程曲线加速度突变，机构冲击大、振动大。随着发动机转速的不断提高，其配气机构运转不平稳的问题日显突出。
1 凸轮优化设计
凸轮型线含缓冲段和工作段两部分。由于只有二次以上的曲线才能与基圆相切，新设计中缓冲段采用二次抛物线(等加速段)和直线(等速度段)组成，且上升缓冲段与下降缓冲段对称的方式。上升缓冲段数学表达式如下： （图片） 式中，h(φc)为凸轮升程；φc为凸轮转角。
等加速段可保证从动件由实际基圆过渡到缓冲段工作时，速度由零逐渐增大，无突变；等速段可保证气门机构间隙变化大时，气门仍以不变的速度升起或落座。
新设计中工作段采用高次多项式型线。高次多项式具有连续、高阶可导的性质，与缓冲段衔接很平滑。高次多项式型函数凸轮适用于转速较高、平稳性要求较高的柴油机，其从动件加速度光滑程度高，配气机构工作平稳，具有参数调整方便、自由度大的特点，通过参数优化很容易满足各项要求 。
一般而言，在设计中可以取任意多项式的项数和幂指数，项数越多，所得到的配气机构的动力性越好。幂指数越大，则挺柱升程曲线越丰满，使凸轮外形最小曲率半径增大，有利于减小该处的接触应力，降低磨损，但其负加速度初段形状不好，会提高对气门弹簧的要求，而且还使最大正加速度值提高，正加速度段宽度减小，导致配气机构振动加剧。我们通过缓冲段和工作段在交界点处应连续等条件求出多项式各系数值，选定高次七项式作为凸轮工作段型线函数式，挺柱升程为（图片） 在缓冲段设计完成以后，再确定基本工作段，使之至少二阶连续可导，并且在基本工作段始点的挺柱升程、挺柱速度和挺柱加速度数值与缓冲段终点的相应数值保持相等，即保持连续。以保证整个挺柱升程曲线的高次光滑性，改善柴油机在高速情况下的工作平稳性。对于上述凸轮型线，其速度、加速度在整个曲线段内平顺连续是不成问题的。但其丰满系数和凸轮最小曲率半径相对较小，使气门机构出现飞脱的转速较低，导致负加速度段对气门弹簧的适应性不好，影响了柴油机工作的可靠性。为保证在气门升程最大处有一最大负加速度，这里取a=2，并且b>4 。
鉴于原柴油机配气机构运转不平稳，机构冲击、振动大，而将加速度和加速度变化率的绝对值之和最小作为优化目标函数，以丰满系数不小于设定值等作为约束条件，对凸轮型线进行优化设计。经Metlab软件计算和Lingo软件编程计算，根据设定的目标函数用分枝定界法得到优化方程式的全局最优解，计算结果为（图片） 2 配气机构的建模、仿真与验证Unigraphics(简称UG)是美国EDS公司面向制造行业的CAD／CAE／CAM开发的软件，为一个高度集成化的产品工程解决方案，用户使用UG软件能够数字化地创建和获取三维产品定义。它的功能覆盖整个产品开发过程：从概念设计、功能分析、工程仿真和数字化的制造等各个领域，已经在制造业得到普遍的应用。
将由平面挺柱升程关系(2)式所得到凸轮型线的极坐标方程式的极坐标导人到UG的表达式工具中去，即可绘制出改进后凸轮精确型线，并通过拉升操作完成新凸轮轴实体的制作(见图1)。根据生产图纸可将原凸轮轴以及其他零件的实体一一导人UG，完成原机实体模型。继而定义建立机构各个零件的连接方式，最终完成配气机构模型的虚拟装配总成(见图2)。（图片） UG的运动仿真分析依赖于ADAMS解算器，在设定运动副后，机构在指定的时间段中运动，同时对该时间段中的步数进行运动分析，并将结果转换成动画、图表和报表文件，机构的运动过程还可以生成照片级动画和MPEG电影文件。
在装配总成模型中创建相应的运动连杆、运动副和运动源后，就可实现配气机构在UG运动模块中的仿真。将新设计的凸轮轴装入模型中，即得到改进后机构运动的仿真结果；将原凸轮轴装入模型中，可得到改进前机构运动的仿真结果。改进前、后的挺柱位移、速度、加速度、加速度变化率对照曲线见图3～图6。（图片） （图片） 从图3中可以看到，改进前后凸轮的最大升程相同，新设计的凸轮丰满系数略有下降；从图4和图6中可以看到，新机构中挺柱运动的最大速度、最大加速度和最大加速度变化率都有不同程度的下降，尤其是最大加速度下降幅度较大，效果显著。
在台架进行性能和可靠性试验过程中，样机配气机构运转平稳，性能稳定。300 h全负荷可靠性试验后，拆检配气机构后看到凸轮表面和挺柱底面仅有均匀亮痕，无明显磨损，其他摩擦副均正常，无明显磨损、冲击痕迹。
3 结论
1)改进后的凸轮以高次多项式作为凸轮型线，使挺柱的最大加速度下降，运转平稳，其性能优于传统的儿何凸轮。
2)下置式凸轮轴配气机构是一个弹性系统，其弹性变形会对气门运动产生较大的影响，在设计凸轮外形时，应重视配气机构的动力学分析，用动力学分析结果来指导配气机构系统的设计，以达到完美的结果。
3)UG在实体建模、机构运动仿真、动力学仿真等方面具有一定的优势，应用前景广泛。
参考文献：
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9/2/2010
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