工学院

本科生毕业设计（论文）

开题报告

            

课题名称： 基于 ADAMS 配气机构的动力学仿真分析              

所属系别：    车辆工程                     

班    级：    车辆112        　　　　　　　

学    号：  1107070219          

学生姓名：     李  远       

指导教师：     李淑艳        

一、立论依据

1.1  研究背景与意义

当前，世界正面临能源危机和环境保护问题，环保和能源已经是全世界的主题。近年来，我国的汽车产业发展迅速，汽车购买量逐年增长，相应的也带来了日益严峻的环保和能源问题。发动机是汽车、船舶、飞机等交通工具的主要动力来源。预计在今后的相当长时间内，内燃机因其独特的优势依然会广泛应用。

随着科技的发展，内燃机的设计水平也提到了一个新的高度。内燃机技术正在向高功率密度、低燃油消耗、低污染、低噪声、高可靠性的方向发展。这就对广大内燃机设计人员提出了更高的要求，这就加大了设计难度，反方面也促使发动机的设计和技术水平取得了很大的进展。所以，发动机设计的时候一定要从提高其各项性能指标出发，保证其工作的稳定性和可靠性，降低排放，提高零部件寿命。

配气机构作为内燃机的重要部件，对内燃机的工作过程有着很重要的影响，它控制着整机的换气过程，其设计的合理与否与换气性能和动力性能的好坏直接相关。在配气机构设计时，要保证充量更完善，动力性好，噪声小。配气机构设计的合理与否则直接影响发动机的动力性、经济性、排放性以及噪声振动等。在配气机构中，各零部件之间因为存在接触应力，会产生一定的弹性变形，严重的情况下导致气门的振动加剧，出现落座反跳，飞脱以及弹簧并圈等现象，严重影响发动机的正常运行。

在配气机构设计的过程中，配气机构的动力学特性是很重要的一点，不仅影响到发动机的性能，还直接影响到其自身的可靠性。设计人员需要对配气机构进行理论计算，主要是动力学计算，目的在于求解各个转速下配气机构各零部件的升程、速度、加速度、相互接触力等。方法在于把机构中的一个零件或多个零件简化成质点，把各个零件间的联系简化成弹簧和阻尼，考虑到弹性变形及作用力的效果，建立气门运动微分方程，计算结果能够达到一定的精度。能够分析配气机构工作中各零部件的真实受力情况和运动情况。

配气机构动力学的计算研究是配气机构设计的基础性工作之一，是进行配气机构设计的前提。而在动力学计算中，使计算机技术参与其中可以大大提高设计效率是毋庸置疑的。在通常设计中，没有实际物理样机，或者在物理样机上进行实验很麻烦，我们更希望可以在一种简便的环境下对复杂的机构进行性能和运动规律分析，于是动力学仿真是非常必要的。多体动力学理论和计算机技术为虚拟样机技术的法阵提供了良好的基础。采用虚拟样机技术对实际物体模拟仿真是非常便捷和直观的 ，不仅仅可以进行仿真还可以同时提供多种设计方案，缩短产品开发时间，减少研发费用。因此，采用虚拟样机技术进行配气机构的计算机动力学仿真计算与分析是非常有必要的。这样不但能够较好地描述配气机构动力学特性，而且具有极佳的可视化效果，能够为提高今后产品的自主开发管理起到积极的作用。

1.2  国内外研究现状及发展趋势

1.2.1  配气机构动力学研究方法

配气机构的动力学计算研究已经有很长的历史了。在发动机发展初期，进行配气机构气门运动规律的计算时，把配气机构各零部件看作完全刚性的，不考虑弹性变形和载荷问题，因而只进行运动学计算。但是，实际的配机机构时弹性系统，在高速工作状况下，配气机构的弹性变形是不容忽视的。他影响到气门的运动规律使运动学计算分析的结果严重偏离事实。因此需要建立新的计算模型和计算方法，动力学计算的产生便应运而生。

开始初期，主要是采用运动弹性动力学的研究方法。把配气机构当成一个系统，用质量和阻尼代替零件之间的连结，更能符合配气机构的实际运动情况。随着计算机技术发展，基于多体系统运动学数值原理的多体系统研究方法产生，基于此理论的这种模型能更加精确地描述其运动规律和动力学特性。

1.2.1.1  运动弹性动力学方法

运动弹性力学方法将配气机构简化为由理想弹簧和阻尼连接的质点，根据系统的受力情况和约束条件建立动力学微分方程组，求解得到各质点运动规律。按照系统简化质点的多少，可以分为单质量、二质量模型和多质量模型。这是一种传统的研究方法。

单质量模型将配气机构的所有凸轮从动件质量等效为集中质量，并把摇臂与凸轮之间的从动件整体刚度作为系统刚度，把整体阻尼系数座位系统阻尼，分别等效为弹簧和阻尼单元并与凸轮相连，把气门弹簧简化为另一弹簧单元且一端固定。单质量模型系统参数可以由试验测定，也可由经验公式估算，它结构简单，易于计算。

最单质量模型最早是由M.W.Dudley教授建立的，他在进行发动机配气机构试验时发现，气门与挺柱运动情况有差异，即气门运动异常。他认为是由配气机构的弹性变形引起的，并且提出了考虑弹性变形的研究方法。1948年，Hrones建立了简单的弹簧质量系统，用它来做配气机构的动力学分析，这也是第一次提出凸轮-从动件系统的动力学模型。Barken在1954年提出了一种配气机构单质量模型，将系统中损失的能量利用库伦摩擦和粘性阻尼来处理，使利用该模型分析所得出的结果与实际的动力学情况很接近。Hundal在1963年将动力学系统中各种线性和非线性摩擦引起的损失的能量用一个等效的阻尼来替代，同时，还计算分析了配气机构的飞脱现象。Sakai在1970年建立了顶置式气门配气机构的单质量模型，此模型的特点在于利用一个粘性阻尼和弹簧来表示气门座，并研究了等效推杆的迟滞阻尼作用和气门杆-气门导管之间的干摩擦。同时，将仿真结果与实测结果进行直接比较，发现了当转速小于4200r/min时，模型的计算结果与实验数据的偏差很小。

单质量模型存在运动方程数少，忽略各部件之间的分离、碰撞等异常情况，与实际情况存在较大的出入，而且只能从宏观上反应气门的大致运动规律，当人要进一步了解配气机构其他各零部件的真实运动情况，分析某一部件的运动状态并得出动力学响应时，单质量模型已经不能满足要求了，随后出现了多质量模型。多质量模型把配气机构各部件简化为多个集中质量，集中质量之间通过弹簧和阻尼连接，弹簧和阻尼单元用来表示各部件的结构钢度和阻尼以及各部件之间的接触刚度和阻尼等。

发动机转速越来越高，目前汽油机最高转速高达6000r/min,轿车柴油机转速高达4000r/min,重型柴油机转速也可达到2500r/min.为顺应这种趋势，在20世纪80年代，Johnson提出了汽车发动机顶置气门机构的多质量模型，分析了气门间隙对气门落座反跳、机构中零部件的飞脱、气门弹簧的颤振等机构动力学特性的影响。Subramaniam在1978年提出的三质量模型中，用三个集中质量模块分别表示了气门组、摇臂和挺住，它们之间的连接是靠性阻尼器和等效弹簧，通过零件的自振频率来确定等效弹簧的刚度。在这种模型中，主要通过经验法来调试模型的参数，最终取得合适的参数，这样才能使仿真结果与测试结果基本一致。1981年Akiba提出了二自由度模型，各个质量分别集中于于挺柱侧侧和气门侧。挺柱侧的集中质量替代了摇臂、推杆和挺住，气门侧的集中质量则替代了除了气门弹簧以外的气门组总成。两个集中质量之间由等效阻尼器和等效弹簧连接，用3个集中质量来代替气门弹簧。通过此模型得出的仿真结果能准确描述配气机构零部件的跳动现象，但对气门落座反跳现象的预测效果不好。1987年，Chan提出了6自由度模型，利用赫兹接触理论来计算各零部件的线性刚度系数，这是第一次在配气机构的动力计算中利用这种方法，同时考虑了液力挺柱效应。1990年，Kim和David提出了3自由度模型，气门组和挺柱、推杆由两个集中质量来代替，气门弹簧由分布质量模型表示，摇臂利用刚体转动惯量来描述。假定气门运动是对气门弹簧的唯一激励，用经验法获取各零部件的刚度和阻尼系数，该模型能计算的转速可达9000r/min以上。

国内学者们也对配气机构的动力学计算做出了一些研究。董锡明等分别采用了“4+N”（4指挺柱、推杆、摇臂、气门的集中质量数，N指弹簧划分的集中质量数）质量模型和单质量模型对某高增压四冲程柴油机的配气机构进行了动力学分析，并且与实测结果对比，研究表明单质量模型在气门弹簧不颤振的情况下描述配气机构具有足够精度。同时还分析了不同的凸轮型线、气门间隙、机构刚度、气门弹簧刚度对气门落座冲击和机构零部件弹跳的影响，发现改进凸轮型线是改善配气机构动力学特性的最有效措施之一。袁兆成等采用多质量模型对6113柴油机的配气机构进行了动力学计算，研究了气门落座和气门飞脱现象与发动机转速、凸轮型线、零部件的刚度对的影响。由计算结果可以发现，当提高零部件的刚度以后，气门的落座冲击、零部件发生飞脱的可能性都有所减轻，而发动机转速并不是和落座速度成正比。发动机转速、凸轮型线、零部件刚度三者之间存在最佳匹配关系。樊久铭等采用“4+N”质量模型CA488汽油机的配气机构做了动力学计算，主要分析了气门-气门座冲击力的变化规律以及转速的变化与气门落座力之间的关系。刘忠民等则提出了用气门理论升程与实际升程之间的差作为衡量4质量模型、二质量模型与单质量模型的计算稳定性的标准，确定了在动力学计算中最佳计算步长范围。

弹性动力学模型建立之后可以我们进行动力学仿真，还可以根据仿真结果分析配气机构部件弹性对机构运动的影响。不过这种分析方法存在一定的缺点，在建模之前我们假定各个零件之间传动关系比较简单，但实际配气机构部件间不同的接触位置的等效刚度，等效阻尼是变化的，这种弹性运动模型并不能准确的对实验结果评估。

1.2.1.2  多体系统动力学方法

多体系统是指多个存在相互运动的物体彼此通过运动副相联的系统，包括多刚体系统和多柔体系统。多刚体动力学系统可看作多质量动力学模型与刚体运动模型的耦合，在刚体运动的同时，其模型中的刚度和阻尼施加在约束关节节点上。

目前多体系统动力学理论已经基本发展成熟，70年代末80年代初，多刚体系统动力学计算机辅助分析软件系统在国外已经达到商品化水平，广泛应用于各领域的动力学与控制形态的优化与设计。

然而工程问题的复杂性不是一成不变的，随着研究的深入，多体系统的运行速度加快，运行的精度越来越高，部件做刚体假设的多刚体系统动力学已经无法解释系统复杂的动力学特性，因此考虑到部件大范围运动和构件本身的变形，在多刚体论的基础上形成了多柔体系统理论。多柔体系统模型建立的过程也是把多刚体系统模型柔性化的过程。通常在配气机构中将弹簧和推杆柔性化，即将柔性体看做有限元模型的节点的集合，其变形视为模态振型的线性叠加。刚柔耦合的动力学系统模型更能全面反映系统的变形，振动等情况。

郝勇刚等人利用MSC.Adams建立了多刚体系统动力学模型，并进一步建立刚柔耦合柔体系统动力学模型。该模型能很好的分析配气机构的动力学特性，也能利用模态综合法计算导入的柔性体气门弹簧的动态刚度和动态剪切应力。吴广全等以6102Q柴油机为基础，建立了柔性多体动力学模型，研究发现当凸轮轴转速1400r/min时，推杆力与气门加速度的仿真规律与试验结果吻合良好。

多体系统动力学分析的目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。机械系统动力学分析与仿真也随着计算机技术的发展而不断成熟。计算机技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上不断应用，产生了以ADAMS、DADS为代表的多体动力学仿真分析软件。还有一些专门针对某些特定对象如发动机模拟仿真软件，如AVL的TYCON，国内也有人基于这个软件进行动力学分析。也有一些研究人员采用AVL-Excite Timing Drive软件建立多质量模型进行分析，但是不能全面反映出零件的变形情况。

ADAMS是以近20年来发展起来的多体系统动力学理论为基础而开发出的目前世界范围内使用最广泛的大型机械系统仿真分析软件，它具有交互式图形界面和零件库、约束库、力库，求解器采用多刚体系统理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对系统进行运动学和动力学分析。很适合发动机配气系统的分析研究，尤其是用于分析配气机构各个零件的受力和运动学特性。

1.2.2 虚拟样机技术

虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。利用虚拟样机可替代物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本，改进设计质量，提高设计效率。

虚拟样机技术的实现，需要成熟商品化系统软件系统的支持。在虚拟样机的各种特性分析中，机械系统动力学分析占据了重要的位置。正是由于机械系统动力学仿真分析技术的成熟，CAE技术才真正进入系统层次上的分析。

虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，以确定系统及其构件在任意时刻的位置、速度、加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其构件运动所需的作用力与反作用力。如下图1是参考文献中获得的基于多体动力学理论虚拟样机技术仿真分析步骤。

1.2.4  研究现状总结

CA488发动机配气机构的结构图如图2所示。它采用滚子式冲压摇臂和液压间隙调节器（HLA）以及单顶置凸轮轴（OHC），

目前国内已经有樊久铭等人建立了CA488发动机的“4+N”多质量模型，但是还没有人为其建立多体系统动力学模型，对已有气门机构进行仿真可以根据结果分析，提出改进。并且液压间隙调节器的性能对配气机构动力学特性也有一定的影响，要进行液压间隙调节器的性能仿真，并研究液压间隙调节器参数改变对动力学分析结果的影响。

 

图1虚拟样机技术仿真分析步骤

 

图2.CA488配气机构结构示意图

1.3  主要参考文献

[1] Hornes,J.A,et al.An analysis of the dynamic forces in a cam driven system [J].ASME,1948:473-482]

[2] Barkan P,et al.Calculation of high speed valve motion with a flexible overhead linkage[C]SAE,1954,61:687-700

[3] Hundal M.S,et al.Aid of didital computer in the analysis of rigid spring-loaded valve mechanisms[C].Applications of computers in Valve Gear Design,SAE,1963:4-8.

[4]H.Sakai,And K.Tsuda.Analysis of Valve Motion In Overhead Valve Linkage[J].Bulletin of the JSME,1970,13(55):120-128

[5]A.K.Subramniam.Evaluation of Internal Combustion Engine valve Trains by an empirically Tuned simulation Model[J].ASME.78-DGP-9

[6]Akiba.K.and Shiizu A.A comprehensive simulation of high speed driven valve trains[C].SAE,810865

[7]Chan.C.andPisano.A Dynamic model of a fluctuating rocker arm ratio cam system[J].ASME,1987,109:356-365

[8]袁兆成，王建华.用多质量系统模型研究配气机构的动态特性[J].农业工程学报，1998,14（3）：48-52

[9]樊久铭，徐斌，程东明.配气机构多质量动力学模拟[J].哈尔滨工业大学学报，1999,31（2）:52-54

[10]董锡明 李圣华 罗杰敏等.内燃机配气机构动力学的研究[J].中国铁道科学，1979,1（1）:35-50

[11]刘忠民 俞小莉 沈瑜铭.配气机构动力学模拟的比较研究[J].浙江大学学报,2005,39（12）:1941~1945

[12]郝勇刚.基于多体系统的配气机构动力学特性研究.浙江大学硕士学位论文，2006

[13]吴广全 李惠珍 乐俊秉.用多体系统动力学研究内燃机的配气机构[J].内燃机学报，1992

[14]顾铭 洪明 宋鸣.虚拟样机技术及其在ADAMS中的应用[J].成都电子机械高等专科学校学报,2005

二、研究方案

2.1  研究目标

本课题主要是采用虚拟样机技术,应用 UG 软件和 ADAMS 软件针对CA488汽油机这一带气门液压间隙调节器的配气机构的各部件进行建模与仿真,通过仿真分析的结果得到整个配气机构协调运作下的运动规律和动力学特性，将其与实际数据对比，验证仿真模型的正确性和客观性。根据仿真结果曲线研究该配气机构是否存在诸如气门飞脱，凸轮挺柱接触应力超过规定值等问题，验证该配气机构设计的合理性，并且在发现问题之后为配气机构系统的优化提供基础和方向。同时还要进行液压间隙调节器的性能仿真。

2.2  研究内容

1. 查阅专业文献和资料，了解配气机构设计方法和配气机构动力学知识。

2.应用 UG 建立某配气机构各零部件的三维数模及装配。

3.建立气门液压间隙调节器的模型并进行性能仿真。选择合适的气门液压间隙调节器模型，并分析其性能。

4.将配气机构三维数模装配模型导入 ADAMS 软件，建立配气机构仿真模型。结合实际，建立配气机构的拓扑结构，定义好约束，驱动、载荷，最终得到配气机构多刚体动力学模型。

5.利用虚拟样机技术对配气机构进行仿真。ADAMS虚拟样机仿真可以提供大量的动力学和力学参数结果，用于分析机构运动特性，缩短开发周期和降低开发试制及试验费用具有相当积极的作用。

6.在以上仿真、分析的基础上，得到可靠性、耐久性综合评估，根据仿真和实验结果，提出配气机构系统存在的问题及优化的方向，改善配气机构的性能。 2.3  拟采用的研究方法

根据查阅文献和实际情况，本研究主要以多体动力学为理论基础，采用虚拟样机技术，应用ADAMS软件进行CA488柴油机配气机构的建模与仿真。主要步骤即先利用UG软件建立三维模型完成装配等工作，再把三维模型导入ADAMS中去，利用动力学原理和拓扑结构，施加运动约束和形位约束，建立多体动力系统仿真模型，形成虚拟样机，之后进行仿真分析，并且通过试验数据验证仿真模型。

2.4  技术路线

图3 技术路线图

2.5可行性分析

阅读众多文献后，可以发现多体系统动力学在配气机构动力学分析与研究中的应用已经非常广泛。采用多体动力学模型可以更全面真实地反应配气机构各个零部件的动力学特性。

2.6 预期研究进度

1周 学习UG和ADAMS软件的操作，了解多体系统理论。

2-3周 仔细阅读文献，了解其他研究人员具体怎么做的。

4-5周 按照图纸，完成CA488汽油机配气机构的三维建模

6-7周 建立气门间隙调节器的模型，进行性能仿真

8-9周 将三维数模导入ADAMS中，建立多体动力学模型，并进行仿真。

10-11周 结果分析和模型验证，发现问题，提出改进设计的方向

12-13周 完成毕业论文的写作

14-15周  准备答辩以及改进优化论文