本科学生毕业设计
基于 PRO/E 的进排气阀门
的运动仿真分析
摘
要
配气机构作为内燃机的重要组成部分，其设计合理与否直接关系到内燃机的动力 性能、经济性能、排放性能及工作的可靠性、耐久性。随着内燃机高功率、高速化， 人们对其性能指标的要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠 地工作，因而对其配气机构提出了更高的要求。配气凸轮型线是配气机构的核心部分， 配气凸轮型线设计是配气机构优化设计的重要途径之一。模拟计算和实验研究是内燃 机配气机构研究两种重要手段。本文对配气机构给零件形状、尺寸进行了设计，.并且 应用pro-engineer 进行了实体建模，得到了配气机构的三维装配图。再将配气机构模
型导入 ADAMS软件进行约束的建立以及驱动的添加，使得配气机构能够在ADAMS
软件中进行仿真，从而得到各种数据曲线对整个机构的性能进行分析，根据各种数据 分析得到配气机构的最优设计。
关键词：内燃机；配气机构；虚拟样机技术；建模；仿真
ABSTRACT
The valve train is one of the most important mechanisms in a internal combustion engine, whether the performances are good or bad, that affecting the power performance, economic performance, emissions performance of the engine, as well as affecting the reliability and wear performances of the whole engine. Along with the requests of the engine’s high power, super-speed, people demand a higher index. That is, when the engine runs under a high speed, it can still work steadily and dependably, which demand that the valve train system should have a high performance. Cam profile is the hard core of the valve train, which design is one of the important ways to carry out valve train optimal
design. Simulation calculation and experimentation research are two important ways to
carry out research and development on valve train of internal-combustion engine. This
thesis devise the parts shape and dimension for the valve train, obtain the 3D assembly
diagrambase on model entities by pro-engineer. Importing the valve traintoADAMS
software, thencreating the constraints and adding drives. Sequentially, analyze the whole
organizationperformance, after get the various data curve fromvalve train be capable
simulation inADAMS software. Finally, obtain the optimum design of valve trainaccording
to various data analysis.
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Key words: Internal combustion engine? Valve train VPT? Virtual prototyping technology?
Modeling?Simulation
目
录
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ
第 1 章 绪论………………………………………………………………………………1
1.1 课题研究的目的和意义…………………………………………………………1
1.1.1 设计的目的……………………………………………………………… 1
1.1.2 设计的意义……………………………………………………………… 1
1.2 柴油机配气机构现状……………………………………………………………1
1.3 设计内容…………………………………………………………………………2
1.4 用计算机辅助配气机构设计分析………………………………………………3
1.5 本文研究内容………………………………………………………………………3
第 2 章 配气机构零部件设计…………………………………………………5
2.1 气门………………………………………………………………………………5
2.1.1 气门设计的基本要求…………………………………………………… 5
2.1.2 气门的工作条件分析及材料的选择…………………………………… 5
2.1.3 气门头的设计…………………………………………………………… 6
2.1.4 气门杆的设计…………………………………………………………… 7
2.1.5 气门的主要损坏形式和预防措施……………………………………… 8
2.2 气门弹簧的设计……………………………………………………………………9
2.2.1 气门弹簧的设计要求…………………………………………………… 9
2.2.2 弹簧介绍………………………………………………………………… 9
2.2.3 气门弹簧的有关计算……………………………………………………11
2.3 摇臂的设计………………………………………………………………………13
2.3.1 摇臂的工作原理…………………………………………………………13
2.3.2 摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算………………………………14 2.4 推杆的设计………………………………………………………………………14
3
2.4.1 推杆的功能结构形式……………………………………………………14
2.4.2 尺寸设计…………………………………………………………………14
2.5 挺柱的设计……………………………………………………………………16
2.5.1 挺柱的结构………………………………………………………………16
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
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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
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达到希望的效果图 。
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 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
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