李丽锋开题报告最新.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：李丽锋学 号：0801024224学 院、系：机电工程学院车辆与动力工程系专 业：热能与动力工程设 计 题 目：发动机凸轮轴参数化建模分析指导教师:王英2012年 3 月 7 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述引言1.1 本课题的目的及意义凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能与质量直接影响着发动机整体性能。因此凸轮轴的材料及其加工工艺均有特殊要求，合理的加工工艺对于控制凸轮质量、降低加工成本、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产线具有很大的现实意义。因此对于汽车凸轮轴拥有十分广阔的发展前景和市场1。 1.2本选题在国内外的研究现状和发展趋势研究报告依据国家统计局、国家海关总署、商务部、中国汽车工业协会、汽车零部件行业协会、海外500多种相关报纸杂志的信息以及我中心对全国各地区的市场调查获得的第一手资料，对我国汽车凸轮轴行业的市场规模与前景、供给与需求状况及各种汽车凸轮轴市场进行了分析，并重点分析了汽车凸轮轴市场状况，探讨了汽车凸轮轴业发展现状，并对行业内重点企业的经营策略和发展动向进行了深入分析，对汽车凸轮轴行业的技术发展趋势和业内企业发展策略进行了研判，是汽车凸轮轴生产企业、科研单位、经销企业等单位准确了解目前汽车凸轮轴行业发展动态，把握企业定位和发展战略不可多得的决策参考2。2.1.1凸轮轴对发动机的影响因素凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位3。凸轮轴的主体是一根与汽缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴 凸轮轴的一端是轴承支撑点，另一端与驱动轮相连接。凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其它严重后果4。2.1.2凸轮轴分类汽车发动机按照顶置凸轮轴的数目，分为顶置单凸轮轴和顶置双凸轮轴。当每缸采用两个以上气门时，气门排列形式一般有两种：一是进气门和排气门混合排列在一根凸轮轴上，即顶置单凸轮轴（SOHC），另一种是进气门与排气门分列在两根凸轮轴上。前者的所有气门由一根凸轮轴通过顶杆驱动，但因气门在进气道中所处位置不同，所以不能保持动作的精确性，效果要稍差一些，而后者则无此缺点，可以获得更好的性能，但需多配备一根凸轮轴，这就是顶置式双凸轮轴（DOHC），近年来推出的新型发动机多采用这种形式。一般来说，DOHC的运动性比较高，F1赛车应用较多，但是由于制造工艺复杂，成本较高；SOHC的相对配置较简易、使用耐久性较好，既可以适应一般客户的动力性要求，也可以适应其对经济性的要求6-7。2.1.3凸轮轴配置和技术要求发动机上凸轮轴的有几个不同配置。我们来谈谈几个通用部件。你可能听到过这些术语：顶置凸轮轴(SOHC)、双顶置式凸轮轴(DOHC)、推杆。 顶置凸轮轴的配置这一配置相当于一个发动机每头有一个凸轮。如果是一个单列式四气缸或单列式六气缸发动机，这里会有一个凸轮。如果是V-6或V-8发动机，这里会有二个凸轮。凸轮开动摇臂按到阀门上，打开它们。弹簧使阀门回到它们闭合的位置。这些弹簧必须相当坚固因为发动机速度很快，阀门被按下很快，弹簧必须使摇臂与这些阀门接触。如果弹簧不是很坚固，阀门可能会脱离摇臂同时迅速跳回。这将导致凸轮和摇臂额外的磨损。 在顶置凸轮轴和双顶置式凸轮轴发动机上，凸轮由凸轮轴驱动，通过一根到皮带或链条，称为正时皮带或正时链8。这些皮带和链子在固定间隔必须被更换或调整。如果正时皮带断了，凸轮会停止旋转，活塞会撞到排气阀上。 双顶置式凸轮轴的配置一个双顶置式凸轮轴发动机每头有两个凸轮。所以单列式发动机有两个凸轮，V发动机有四个凸轮。通常双顶置式凸轮轴用于每个气缸有四个或更多阀门的发动机上一个凸轮轴不能驱动所有的阀门。采用双顶置式凸轮轴的主要原因是可以使用更多的进气和排气阀。更多的阀门意味着进气和排气流动更自由，因为它有更多可以流通的升程。这就增加了发动机的功率。就像顶置式凸轮轴发动机和双顶置式凸轮轴发动机，在推杆发动机阀门位于顶部，在气缸的上面。在推杆发动机的关键区别是凸轮位于发动机气缸体内部而不是在气缸的顶部。凸轮驱动推杆经过气缸箱体并进入气缸顶部移动摇臂。这些推杆又增加了系统的质量，从而增加了阀门弹簧的载荷。这能限制推杆发动机速度；顶置式凸轮轴发动机在系统取消了推杆，从而使更快速度的发动机成为可能。推杆发动机中的凸轮通常由齿轮或短链驱动。齿轮驱动通常与皮带驱动相比不易断裂，所以在顶置式凸轮轴发动机经常看到10。 可变式气门正时 这里有几种凸轮制造商改变气门正时的办法。用在本田发动机上的一个系统称为可变气门正时和升程电子控制系统（VTEC）13。 可变气门正时和升程电子控制系统（VTEC）是本田发动机上一个电子机械系统，它能允许发动机有多个凸轮轴。VTEC发动机有一个额外的进气凸轮并有一个与之相连的摇臂。凸轮的形状能使进气阀升程比其它凸轮形状大。在发动机速度较低时，这个摇臂不与任何阀门相连。在高速时，活塞锁住额外摇臂，让两个摇臂控制两个进气阀。 一些汽车采用先进的气门正时装置。这不会使阀门升程更大，它打开和闭合它们更迟。它通过旋转凸轮几度来实现。 如果进气阀通常在活塞到达上止点(TDC)旋转10度，并在到达上止点(TDC)后旋转90度关上，总的持续时间为200度。打开和关闭的时间可以通过在凸轮旋转时旋转到前面一点的机构转移。所以可以在活塞到达上止点(TDC)旋转10度，并在到达上止点(TDC)后旋转210度关上。在随后20度时关闭阀门是好的，但如果它能在进气阀打开时增加持续时间会更好14。但已经有一个做到一点的好方法。凸轮在发动机上有一个三维形状可以随凸轮的长度而变化。在凸轮的一端是一个较不灵巧的凸轮形状，而在另一端是一个灵巧的凸轮形状。凸轮平稳地把这两种形状结合在一起。一个机构能侧面地滑动整个凸轮从而使阀门能采用凸轮的不同的部分。轴仍然像普通凸轮一样旋转但随着发动机速度和载荷增加逐渐侧面地滑动凸轮，从而气门正时被优化。一些发动机制造商正在试验气门正时无限可变系统。比如，想象每个阀门有一个电磁开关，它能过计算机而不是凸轮控制打开和关闭阀门。有了这类系统，你就能在发动机每个转速时达到最大的发动机性能15。表1.1 凸轮轴的技术要求主要项目一般性要求支撑轴承尺寸（mm）表面粗糙度（m）圆柱度（mm）IT5IT60.45级精度0.40.060.0230凸轮轴表面粗糙度（mm）中间轴颈相对于两端轴颈的跳动(mm)相邻两轴颈的径向跳动(mm)凸轮轴对称中心平面对正时齿轮键槽中心平面或定位销轴线的角度偏差（）2.2.1参数化建模的背景一般应用在优化技术上，通过将模型参数化，优化过程中不断对其进行迭代而求出最佳解。参数化建模是参数（变量）而不是数字建立和分析的模型，通过简单的改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型。 参数化建模的参数不仅可以是几何参数，也可以是温度、材料等属性参数。 在参数化的几何造型系统中，设计参数的作用范围是几何模型。但几何模型不能直接用于进行分析计算，需要将其转化为有限元模型，才能为分析优化程序所用。因此，如果希望以几何模型中的设计参数作为形状优化的设计变量，就必须将设计参数的作用范围延拓至有限元模型，使有限元模型能够根据设计变量的变化，实现有限元模16。2.2.2参数化建模的发展一般的CAD系统，确定图形元素尺寸和定位的是坐标，这不是参数化，为了提高绘图效率，在上述功能基础上可以定义规则来自动生成一些图形，例如复制、阵列、垂直、平行等，这也不是参数化。道理很简单，这样生成的两条垂直的线，其关系是不会被系统自动维护的，用户编辑其中的一条线，另外一条不会随之变化； 在CAD系统基础上，开发对于特殊工程项目（例如水池）的参数化自动设计应用程序，用户只要输入几个参数（例如直径、高度等），程序就可以自动生成这个项目的所有施工图、材料表等，这还不是参数化。讲两点原因：其一，这个过程是单向的，生成的图形和表格已经完全没有智能（这个时候如果修改某个图形，其他相关的图形和表格不会自动更新）；其二，这种程序对能处理的项目限制极其严格，也就是说，嵌入其中的专业知识极其有限。 为了使通用的CAD系统更好地服务于某个行业或专业，定义和开发面向对象的图形实体（被称之为“智能对象”），然后在这些实体中存放非几何的专业信息（例如墙厚、墙高等），这些专业信息可用于后续的统计分析报表等工作，这仍然不是参数化。理由如下： 用户自己不能定义对象（例如一种新的门），这个工作必须通过API编程才能实现； 用户不能定义对象之间的关系（例如把两个对象组装起来变成一个新的对象） 非几何信息附着在图形实体（智能对象）上，几何信息和非几何信息本质上是分离的，因此需要专门的工作或工具来检查几何信息和非几何信息的一致性和同步，当模型大到一定程度以后，这个工作慢慢变成实际上的不可能。 图形由坐标确定，这些坐标可以通过若干参数来确定。例如要确定一扇窗的位置，我们可以简单地输入窗户的定位坐标，也可以通过几个参数来定位：例如放在某段墙的中间、窗台高度900、内开，这样这扇窗在这个项目的生命周期中就跟这段墙发生了永恒的关系，除非被重新定义。而系统则把这种永恒的关系记录了下来17。参数化建模是用专业知识和规则（而不是几何规则，用几何规则确定的是一种图形生成方法，例如两个形体相交得到一个新的形体等）来确定几何参数和约束的一套建模方法，宏观层面我们可以总结出参数化建模的如下几个特点：参数化对象是有专业性或行业性的，例如门、窗、墙等，而不是纯粹的几何图元；（因此基于几何元素的CAD系统可以为所有行业所用，而参数化系统只能为某个专业或行业所用）； 这些参数化对象（在这里就是建筑对象）的参数是由行业知识（Dimain Knowledge）来驱动的，例如，门窗必须放在墙里面，钢筋必须放在混凝土里面，梁必须要有支撑等；行业知识表现为建筑对象的行为，即建筑对象对内部或外部刺激的反应，例如层高变化楼梯的踏步数量自动变化等；参数化对象对行业知识广度和深度的反应模仿能力决定了参数化对象的智能化程度，也就是参数化建模系统的参数化程度。微观层面，美国乔治亚理工学院的Ghang Lee等人认为参数化模型系统应该具备下列特点：可以通过用户界面（而不是像传统CAD系统那样必须通过API编程接口）创建形体，以及对几何对象定义和附加参数关系和约束，创建的形体可以通过改变用户定义的参数值和参数关系进行处理； 用户可以在系统中对不同的参数化对象（例如一堵墙和一扇窗）之间施加约束； 对象中的参数是显式的，这样某个对象中的一个参数可以用来推导其他空间上相关的对象的参数； 施加的约束能够被系统自动维护（例如两墙相交，一墙移动时，另一墙体需自动缩短或增长以保持与之相交）。 应该是3D实体模型； 应该是同时基于对象和特征的。传统的CAD技术都是用尺寸值定义几何元素，输入的每一条线都有确定的位置，要想修改图形，必须删除原有线条后重画。但是，设计时不可避免的要修改图形，同时对于系列产品设计，则要求同一类产品具有不同的结构尺寸，包括装配图和零件图。因此，八十年代，发展参数化CAD技术。早期的参数化CAD技术基本上是通过编程方法实现的，这种参数化方法既复杂，又不方便，而且要求设计师熟悉编程技术。CAD 技术的进一步发展是三维实体造型技术。80年代，基于体素造型的实体造型技术已进入实用化阶段。为了实现三维实体造型的参数化，出现了以参数化变量化特征设计为基础的新一代三维实体造型软件PRO/ENGINEER18。然而，这种参数化设计技术主要是针对二维轮廓进行的，它还不是工程图。虽然许多三维系统可以通过投影直接生成二维图形，但是它离最终的工程图纸的要求还差得很远。特别是尺寸，它可以通过投影控制特征参数在二维图形上的投影，但却无法对工程图的最终尺寸进行真正的参数化设计型的参数化。参考文献：1 杨昂岳.梁术.汽车发动机主要零部件技术水平及发展动向J;汽车工业究; 1994年06期;46-51.2 WH克劳斯汽车发动机设计M 北京:人民交通出版社,1986,12315.4 王先逵.机械制造工艺学M.北京清华大学.1995,586.5 何七荣,潘展,徐琳.凸轮轴型面简易数控磨削技术J;新技术新工艺;2004年12期;40.6 韦于.凸轮轴实测数据光顺处理J.广西:微车情报网,1999.7 刘永福.凸轮评定公差标准问题探讨M.北京精密制造与自动化.2002,1517.8 赵新.多参数在线检测设备的温度补偿机理M.天津.天内科技.2002,2125.9 谢存嬉等.机电一体化生产系统设计M.北京.机械出版社.1999.10 GuaglianoM , Terranova A ,VerganiL. 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