[发明专利]一种柔性配气凸轮曲线的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种凸轮位移曲线的设计方法，具体涉及一种柔性配气凸轮位移曲线的设计方法，属于发动机设计技术领域。 

背景技术

四冲程发动机广泛采用气门-凸轮式配气机构，即通过凸轮控制气门的开启和闭合进而控制其进气和排气，配气机构设计的好坏对发动机的性能有着重要影响。由于凸轮式配气机构是由凸轮驱动气门实现配气的，因此配气机构的性能在很大程度上取决于凸轮曲线的设计。 

一般来说，配气机构一方面应该具有良好的换气性能，这可以通过增大从动件升程曲线的时间-面积值（简称时面值）来达到（对从动件而言，升程值即为其位移）；另一方面还应该具有良好的动态性能，即运动平稳，振动噪声小，不产生强烈的冲击磨损等问题，这一般可以通过控制从动件的正负加速度峰值来实现。因此在凸轮曲线设计中，应保证从动件具有较大的时面值、较小的正、负加速度峰值。但是这三者之间往往不能同时达到最优，如时面值增大时，正负加速度峰值也会增大；减小正负加速度峰值时，时面值也会减小。因此只能以这三者为设计目标，寻找出此多目标优化问题的Pareto最优解集。 

国内外针对配气凸轮曲线的优化开展过大量研究，如谢宗法通过对高次多项式凸轮的正负加速度峰值与时面值三者关系进行研究，提出了一种通过控制最大速度和最大加速度位置的凸轮曲线优化设计方法。复旦大学的尚汉冀教授指出在同样的最大正负加速度限制下，以等加速凸轮的时面值最大。理论分析表明：对于具有相同正负加速度峰值的任何凸轮曲线，等加速凸轮的时面值最大；在时面值一定的情况下，等加速凸轮的加速度峰值最小。所以在以正负加速度峰值和时面值为目标的配气凸轮优化中，总会存在一条或多条等加速凸轮曲线，它的这三个目标值都比其他任何形式的凸轮曲线要好，由不同等加速凸轮曲线构成的集合就是所要求得的非劣解集（Pareto最优解）。 

但上述分析没有考虑对加速度及跃度连续性的约束，而等加速凸轮曲线存在加速度的突变点——此时跃度无穷大，为了控制横越冲击对跃度值往往会有一定限制，所以在实际设计中一般不采用等加速凸轮曲线，只要使凸轮加速度曲线接近等加速曲线，也能得到与之相近的效果。而梯形加速度凸轮曲线与等加速凸轮曲线非常相似，并且加速度曲线连续，如图2 所示，因此如果同时考虑加速度的连续性，那么梯形加速度凸轮曲线就成了Pareto最优解。 

进一步对梯形加速度凸轮的时面值、正负加速度峰值与各加速度段时长之间的关系进行分析表明：增大正加速度段（包括正加速上升段、平直段以及下降段）的时长，正加速度峰值和时面值均减小，负加速度峰值增大；而在正加速度段时长不变时，增大负加速度段（包括平直段和上升段）的时长，正、负加速度峰值以及时面值均会减小。因此，要提高梯形加速度凸轮的时面值，可以通过减小正加速度段或负加速度段的时长来实现，但这样会造成正加速度峰值或正、负加速度峰值的增大；同理，要减小正、负加速度峰值，可以通过增大正、负加速度段的时长来实现，但这样会使得凸轮的时面值也减小。 

但梯形加速度凸轮曲线的跃度是不连续的，而样条曲线可以达到高阶连续并且能够逼近任意形式的凸轮曲线，目前已越来越多的运用到凸轮曲线的优化设计中。 

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种柔性配气凸轮曲线的设计方法，通过该方法得到的凸轮曲线具有时面值大、正负加速度峰值小的特点，并且具有高阶连续性，可以较好地满足发动机对配气凸轮机构的换气性能和动态性能要求。 

所述凸轮曲线通过与凸轮匹配的从动件的位移曲线来表示。该方法直接在与梯形加速度凸轮匹配的从动件的位移曲线上选取N个点作为型值点集，进行5次B样条拟合，得到5次B样条凸轮曲线，所述N为大于等于20的整数；所述梯形加速度凸轮指与所述凸轮匹配的从动件具有梯形加速度曲线的凸轮。 

所述与梯形加速度凸轮匹配的从动件的位移曲线获得方法为： 

所述从动件的位移曲线包括上升段和下降段，其上升段和下降段的位移曲线设计过程相同，所述从动件上升段位移曲线的设计步骤为： 

步骤一：将所述从动件的位移、时间、速度、加速度及跃度表示为无量纲的形式： 

设所述从动件的最大升程值为h_max，从动件上升段凸轮所转过的角度为，则采用式（1）所示的无量纲化定义： 

其中：T为无量纲的时间，S为无量纲的位移，V为无量纲的速度，A为无量纲的加速度，J分别为无量纲的跃度，为从动件上升段任意一时刻凸轮的转角，h为从动件上升段任意一时刻的升程值；