1999年5月 机械设计与制造工程 第28卷 第3期
33
内燃机配气凸轮的计算机辅助设计
林 江 (杭州应用工程技术学院 杭州 310012)
摘 要 提出了一种凸轮计算机辅助设计的方法。在设计计算的同时, 考虑了凸轮机构的运动学和动力学特性。根据设计所得的结果, 提供可视化的计算结果表格, 同时也提供了计算数据的转换接口, 实现了配气凸轮机构的三维动画模拟, 为进一步实现CA D/CA M 的集成建立了基础。
关键词 凸轮 计算机辅助设计 可视化设计
一种, 它的基本段挺杆升程函数是高次多项式, 其项数和幂次的选取有一定的任意性, 数学表达式如下:
h( ) =h 0+nn +c p x p +c q x q +c r x r +c s x s
x =1- - 0
b
(2)
0 引 言
凸轮机构由于能实现各种简单、复杂的运动规律, 在夹
具、自动控制、内燃机配气机构与供油系统、以及大量将主动件的等速运动转变为从动件的间歇运动等方面得到广泛的应用。本文主要涉及内燃机配气凸轮的计算机辅助设计, 对应用广泛的高次方凸轮、多项动力凸轮和样条拟合型凸轮的设计进行了研究探索, 并对挺杆速度、加速度和挺杆与凸轮接触处合力及应力的极限值分别进行校核。1 内燃机配气凸轮设计概述
内燃机配气凸轮所对应的挺杆升程函数一般
由两部分组成, 一部分是缓冲段, 另一部分是基本段。理想的设计能使气门在上升到缓冲段终点(即基本段始点) 时开启, 并在基本段终点气门关闭。但由于机构实际变形等因素的影响, 气门实际启闭的时刻与理想状态存在误差, 因此, 设计中必须控制此误差在允许的范围之内。图1所示为配气凸轮机构示意图。1 1 缓冲段设计
图1 配气凸轮机构
示意图
式中:h 0为缓冲段升程; nn 为基本段升程; p 、q 、r 、s 均为正整数, 一般取p=2, q=2n, r =2(n+m) , s=2n+4m, m 和n 为正整数, 取值范围为3∀n ∀9, 1∀m ∀10; c p 、c q 、c r 、c s 为常数, 由边界条件来确定; b 为基本段包角。
1 2 2 多项动力凸轮
由于配气机构存在弹性变形, 挺杆的升程与气门的开量不可能完全吻合, 即存在误差:
=h( ) -y ( ) 式中:h( ) 为挺杆的升程, y( ) 为气门开量。
确定气门升程曲线y( ) , 即:
y ( ) =y max +c 0x 2+c 4x 4+c p x p +c q x q +c r x r +c s x s 式中:y max 为基本段净升程; c 0、c 4、c p 、c q 、c r 、c s 为常数, 由边界条件来确定;
cc +cc 11mmw 2d 2y
h( ) =[x 0+( ) +]
k cc cc d 式中:cc 为配气机构的刚度; cc 1为气门的弹簧刚度; mm 为气门当量质量; k 为摇臂比; x 0为气门间隙; 为凸轮轴转角; 为凸轮轴角速度。1 2 3 样条拟合法
所谓样条拟合法就是根据凸轮轴转角 的一系列节点 0、 1、 2、##、 n-1、 n 给出对应从动件升程h 0、h 1、h 2、##、h n-1、h n , 本文通过三次样条插值得到升程函数h( ) 的近似解析表达式。其主要步骤如下:
1 给出原始的凸轮从动件升程表和其它必要的原始数据;
2 对升程表进行预光顺;
用各节点上升程的一阶差商和二阶差商来代替速度和加速度, 即:
h( i+1) -h( i-1) =
d = 1i+1- i-1
h( 2i+1) -2h ( i ) +h( i-1)
=2d = i ( i+1- i-1)
3 对预光顺后的升程表采取回弹法进行精光顺, 从而得到三次值样条函数h( ) 。
配气凸轮机构所对应的挺杆升程曲线在上升和下降过
程中各有一缓冲段, 这里采用等加速! 等速缓冲方式, 数学表达式如下:
h ( ) =B (0∀ ∀ 1) h ( ) =B 0+B 1 ( 1∀ ∀ 0)
2
(1)
式中:B 、B 0、B 1为常数, 由边界条件来确定; 0为缓冲段包角; 1为缓冲段等加速与等速分界点的包角。
对h( ) 求一阶和二阶导数可以分别得到在缓冲段的速度及加速度规律。
1 2 基本段设计
基本段是配气凸轮升程曲线的主要部分。配气凸轮分为二大类, 即几何凸轮和函数凸轮, 函数类凸轮的设计方法是根据挺杆的升程函数h( ) 确定凸轮的几何外形, 本文开发的应用程序涉及了高次方凸轮、多项动力凸轮和样条拟合凸轮的设计。1 2 1 高次方凸轮
34
∃计算机应用∃ 林 江 内燃机配气凸轮的计算机辅助设计
把内燃机配气凸轮设计所需要的原始参数填入表内。图4所示为高次方多项凸轮设计时的输入参数表例, 图5为多项动力凸轮设计时的输入参数表例。
设计计算! ! ! 提供三种内燃机配气凸轮(高次方程法、多项动力法和实测参数法) 的设计计算, 计算结果写入数据库。
校核计算! ! ! 该模块对设计计算所得的结果进行极值计算和校核计算, 对于不合格的设计给以提示, 结果均写入数据库, 便于查阅。
图2
凸轮计算机辅助设计系统
数据转换! ! ! 根据设计计算中得到的有关廓形和升程数据, 自动生成完整的DXF 格式文件, 为图形的显示和打印输出作好准备。
图形显示! ! ! 该模块用于显示运动曲线和凸轮轮廓图形, 使设计计算所得的凸轮参数可视化。
打印输出! ! ! 该模块提供各种设计计算的数据文件及图形的打印输出。
设计数据浏览! ! ! 为设计人员提供了设计计算数据的浏览, 便于查找在计算中出现的错误, 及时更正。
3 计算举例
这里以高次方多项凸轮的设计为例。表1为原始设计参数数据库结构(GAO. DBF ) , 表2为设计计算结果数据库结构(GAO RESU. DBF) 。图6所示为设计计算结果的数据显示。
图3
凸轮计算机辅助设计系统树形结构
表1 高次方多项凸轮原始设计参数数据库结构
字段名Name p q r s r 4alf0altb h 0y max n r gg1k cc cc1mm
数据类型Type
N N N N N N N N N N N N N N N
字段宽Width [**************]
小数值Dec [**************]
注释
多项式函数幂指数多项式函数幂指数多项式函数幂指数多项式函数幂指数
四次方系数缓冲段包角基本段包角缓冲段净升程基本段净升程凸轮轴转速缓冲段分割系数
摇臂比配气机构刚度气门弹簧刚度气门当量质量
内燃机配气凸轮计算机辅助设计系统的网状结构和树形结构如图2和图3所示。
主控模块! ! ! 提供了系统的主要工作界面, 用户通过
主菜单调用下一级功能模块。
图4
高次方多项凸轮设计参数输入表
表2 高次方多项凸轮计算结果数据库结构
图5 多项动力凸轮参数输入表
! ! ! 提供, 设计
35
图6 高次方多项凸轮设计计算结果数据可视化显示
4 小 结
本文对多项动力凸轮、高次方凸轮、实测参数凸轮等三种常用的内燃机配气凸轮初步实现了计算机辅助设计。该系统提供的设计计算结果为进一步实现内燃机配气凸轮计算机辅助制造建立了基础。
参 考 文 献
1 尚汉冀 内燃机配气凸轮机构设计与计算 上海:复旦大学出
版社
2 周 苏, 陈敏玲 软件工程及其应用 天津:天津科学技术出版
社
林 江 女, 1963年6月生, 杭州应用工程技术学院讲师。1983年7月毕业于云南工业大学。主要研究领域为机械设计、CAD/CAM 等。已发表论文5篇。
收修改稿日期:1999! 03! 10
710071)
Abstract T he paper introduces the development of com puter aided desig n system for centrifugal compr essor (L Y CAD). It explains t he o ver all structure, design principle, r eal ization of key techniques for t he system. T he integration of t he desig n process, calculat ing process and draw ing process are r ealized in LY CA D system. An example is given also.
Key w ords Centr ifugal compressor CAD Parametric drawing Object or iented technique
nosis
%
Key words Exper t system Er ror sources Error diag
The Study on Improvement of Hard Alloy Tough ness
Yin Zuohu(Wux i Y inx in Group, Wux i, Jiang su, 214072) Fu Hanguang (Beijing R esearch Institute of M etallur gical E quipment, Beijing, 100029)
Abstract T he hard alloy w orkpiece made from hard al loy-cast steel composite casting technique has high tough ness, low production cost and g ood use effect. T his technique is w ell worth spreading.
Key words Hard alloy Composite cast T oughness Wear resistance
Hot Saw Mechanism Design by Computer Aided Animation
L i L ijuan L iu Feng (Guangdong U niv ersity of T echnology, G uang zhou, 510500)
Z hu Hongliang (Shang hai T yre &Rubber Ltd. , Shang hai, 200092)
Abstract It presents how to desig n the hot saw mecha nism with the help of computer animation. T his precise method can avoid t he error caused by gr aphics or exper iment and does not need modeling. It w ill be also well adapted to ot her mechanism design.
Key words Hot saw mechanism A DS Computer ani mation
Research on Machinability and Measurement Tech nique of Bio -Ceramic
Wang Huimin T ie Weilin(Shenyang U niver sity , Shenyang , 110044)
Qin Xiaomei(Northeast U niv ersity, Shenyang, 110006)
Abstract T he paper investigates the machinabilities of 14bio-ceramic mater ials compared with cast iron and Q 235in the drilling metho d of constant axial force. It studies the in fluences of differ ent bio-ceramic framew orks on machinabili t ies of t hem in or der to find suitable mater ials for implant us ag e.
Key words M achinability Bio-ceramics Implant
A Computer Aided Design of Cam on Internal Com bustion Engine
L in Jiang (Hangzhou Institute o f Applied Engineering, Hang zhou, 310012)
Abstract I t describes a method o n computer aided de sign of cam. T he characteristics o f kinematics and dy namics about the cam mechani sm must be taken into account. A c cording to t he r esult, it shows the tables of calculating data. T he paper provides an interface from calculating data to 3D animated drawing, and establishes the foundation for cam CAD/CAM.
Key words Cam CAD V isual design
SHS Technology Application in Manufacturing of Metal -ceramic Composite
Wang Shuangxi Wang Jianjiang L i Junshou Zhang Long (Institute of Ordnance Engineering, Shijiazhuang, Hebei, 050003)
Abstract It introduces the principle o f SHS and applica t ion state in manufacture of metal-ceramic composites. Wit h traditional technique this new technology has been compared in such process.
Key words SHS M etal-ceramic composite
The Expert System for Error Sources Analysis and Diagnosis in Machining Process
F u Xiaojin Zhang Xinhua(Shaox ing College of Arts and Sci ence, Shaox ing, Zejiang, 312000)
Abstract It puts for wards an expert system using artifi cial intellig ence in error sources analysis and diag nosis during machining process. Based on analysis of err or produced in t he process, t he paper discusses the possible sources of machining erro r, the cause about the error is approached and eliminated. T he machining er ror can be finally recognized.
Discuss about Wrapping Technique Improvement of the Spring
Yang Q ing(F oshan School of M achinery &Electron, Fushan, Guangdong, 528000)
Abstract It giv es the mechanic model o f the springs wit h the yield str ength and the quantifictional r elatio nship be tw een geometr ic parameter and diameter of them. And it de tr udes formula for the mandrel size of wr apped springs. T his
1999年5月 机械设计与制造工程 第28卷 第3期
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内燃机配气凸轮的计算机辅助设计
林 江 (杭州应用工程技术学院 杭州 310012)
摘 要 提出了一种凸轮计算机辅助设计的方法。在设计计算的同时, 考虑了凸轮机构的运动学和动力学特性。根据设计所得的结果, 提供可视化的计算结果表格, 同时也提供了计算数据的转换接口, 实现了配气凸轮机构的三维动画模拟, 为进一步实现CA D/CA M 的集成建立了基础。
关键词 凸轮 计算机辅助设计 可视化设计
一种, 它的基本段挺杆升程函数是高次多项式, 其项数和幂次的选取有一定的任意性, 数学表达式如下:
h( ) =h 0+nn +c p x p +c q x q +c r x r +c s x s
x =1- - 0
b
(2)
0 引 言
凸轮机构由于能实现各种简单、复杂的运动规律, 在夹
具、自动控制、内燃机配气机构与供油系统、以及大量将主动件的等速运动转变为从动件的间歇运动等方面得到广泛的应用。本文主要涉及内燃机配气凸轮的计算机辅助设计, 对应用广泛的高次方凸轮、多项动力凸轮和样条拟合型凸轮的设计进行了研究探索, 并对挺杆速度、加速度和挺杆与凸轮接触处合力及应力的极限值分别进行校核。1 内燃机配气凸轮设计概述
内燃机配气凸轮所对应的挺杆升程函数一般
由两部分组成, 一部分是缓冲段, 另一部分是基本段。理想的设计能使气门在上升到缓冲段终点(即基本段始点) 时开启, 并在基本段终点气门关闭。但由于机构实际变形等因素的影响, 气门实际启闭的时刻与理想状态存在误差, 因此, 设计中必须控制此误差在允许的范围之内。图1所示为配气凸轮机构示意图。1 1 缓冲段设计
图1 配气凸轮机构
示意图
式中:h 0为缓冲段升程; nn 为基本段升程; p 、q 、r 、s 均为正整数, 一般取p=2, q=2n, r =2(n+m) , s=2n+4m, m 和n 为正整数, 取值范围为3∀n ∀9, 1∀m ∀10; c p 、c q 、c r 、c s 为常数, 由边界条件来确定; b 为基本段包角。
1 2 2 多项动力凸轮
由于配气机构存在弹性变形, 挺杆的升程与气门的开量不可能完全吻合, 即存在误差:
=h( ) -y ( ) 式中:h( ) 为挺杆的升程, y( ) 为气门开量。
确定气门升程曲线y( ) , 即:
y ( ) =y max +c 0x 2+c 4x 4+c p x p +c q x q +c r x r +c s x s 式中:y max 为基本段净升程; c 0、c 4、c p 、c q 、c r 、c s 为常数, 由边界条件来确定;
cc +cc 11mmw 2d 2y
h( ) =[x 0+( ) +]
k cc cc d 式中:cc 为配气机构的刚度; cc 1为气门的弹簧刚度; mm 为气门当量质量; k 为摇臂比; x 0为气门间隙; 为凸轮轴转角; 为凸轮轴角速度。1 2 3 样条拟合法
所谓样条拟合法就是根据凸轮轴转角 的一系列节点 0、 1、 2、##、 n-1、 n 给出对应从动件升程h 0、h 1、h 2、##、h n-1、h n , 本文通过三次样条插值得到升程函数h( ) 的近似解析表达式。其主要步骤如下:
1 给出原始的凸轮从动件升程表和其它必要的原始数据;
2 对升程表进行预光顺;
用各节点上升程的一阶差商和二阶差商来代替速度和加速度, 即:
h( i+1) -h( i-1) =
d = 1i+1- i-1
h( 2i+1) -2h ( i ) +h( i-1)
=2d = i ( i+1- i-1)
3 对预光顺后的升程表采取回弹法进行精光顺, 从而得到三次值样条函数h( ) 。
配气凸轮机构所对应的挺杆升程曲线在上升和下降过
程中各有一缓冲段, 这里采用等加速! 等速缓冲方式, 数学表达式如下:
h ( ) =B (0∀ ∀ 1) h ( ) =B 0+B 1 ( 1∀ ∀ 0)
2
(1)
式中:B 、B 0、B 1为常数, 由边界条件来确定; 0为缓冲段包角; 1为缓冲段等加速与等速分界点的包角。
对h( ) 求一阶和二阶导数可以分别得到在缓冲段的速度及加速度规律。
1 2 基本段设计
基本段是配气凸轮升程曲线的主要部分。配气凸轮分为二大类, 即几何凸轮和函数凸轮, 函数类凸轮的设计方法是根据挺杆的升程函数h( ) 确定凸轮的几何外形, 本文开发的应用程序涉及了高次方凸轮、多项动力凸轮和样条拟合凸轮的设计。1 2 1 高次方凸轮
34
∃计算机应用∃ 林 江 内燃机配气凸轮的计算机辅助设计
把内燃机配气凸轮设计所需要的原始参数填入表内。图4所示为高次方多项凸轮设计时的输入参数表例, 图5为多项动力凸轮设计时的输入参数表例。
设计计算! ! ! 提供三种内燃机配气凸轮(高次方程法、多项动力法和实测参数法) 的设计计算, 计算结果写入数据库。
校核计算! ! ! 该模块对设计计算所得的结果进行极值计算和校核计算, 对于不合格的设计给以提示, 结果均写入数据库, 便于查阅。
图2
凸轮计算机辅助设计系统
数据转换! ! ! 根据设计计算中得到的有关廓形和升程数据, 自动生成完整的DXF 格式文件, 为图形的显示和打印输出作好准备。
图形显示! ! ! 该模块用于显示运动曲线和凸轮轮廓图形, 使设计计算所得的凸轮参数可视化。
打印输出! ! ! 该模块提供各种设计计算的数据文件及图形的打印输出。
设计数据浏览! ! ! 为设计人员提供了设计计算数据的浏览, 便于查找在计算中出现的错误, 及时更正。
3 计算举例
这里以高次方多项凸轮的设计为例。表1为原始设计参数数据库结构(GAO. DBF ) , 表2为设计计算结果数据库结构(GAO RESU. DBF) 。图6所示为设计计算结果的数据显示。
图3
凸轮计算机辅助设计系统树形结构
表1 高次方多项凸轮原始设计参数数据库结构
字段名Name p q r s r 4alf0altb h 0y max n r gg1k cc cc1mm
数据类型Type
N N N N N N N N N N N N N N N
字段宽Width [**************]
小数值Dec [**************]
注释
多项式函数幂指数多项式函数幂指数多项式函数幂指数多项式函数幂指数
四次方系数缓冲段包角基本段包角缓冲段净升程基本段净升程凸轮轴转速缓冲段分割系数
摇臂比配气机构刚度气门弹簧刚度气门当量质量
内燃机配气凸轮计算机辅助设计系统的网状结构和树形结构如图2和图3所示。
主控模块! ! ! 提供了系统的主要工作界面, 用户通过
主菜单调用下一级功能模块。
图4
高次方多项凸轮设计参数输入表
表2 高次方多项凸轮计算结果数据库结构
图5 多项动力凸轮参数输入表
! ! ! 提供, 设计
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图6 高次方多项凸轮设计计算结果数据可视化显示
4 小 结
本文对多项动力凸轮、高次方凸轮、实测参数凸轮等三种常用的内燃机配气凸轮初步实现了计算机辅助设计。该系统提供的设计计算结果为进一步实现内燃机配气凸轮计算机辅助制造建立了基础。
参 考 文 献
1 尚汉冀 内燃机配气凸轮机构设计与计算 上海:复旦大学出
版社
2 周 苏, 陈敏玲 软件工程及其应用 天津:天津科学技术出版
社
林 江 女, 1963年6月生, 杭州应用工程技术学院讲师。1983年7月毕业于云南工业大学。主要研究领域为机械设计、CAD/CAM 等。已发表论文5篇。
收修改稿日期:1999! 03! 10
710071)
Abstract T he paper introduces the development of com puter aided desig n system for centrifugal compr essor (L Y CAD). It explains t he o ver all structure, design principle, r eal ization of key techniques for t he system. T he integration of t he desig n process, calculat ing process and draw ing process are r ealized in LY CA D system. An example is given also.
Key w ords Centr ifugal compressor CAD Parametric drawing Object or iented technique
nosis
%
Key words Exper t system Er ror sources Error diag
The Study on Improvement of Hard Alloy Tough ness
Yin Zuohu(Wux i Y inx in Group, Wux i, Jiang su, 214072) Fu Hanguang (Beijing R esearch Institute of M etallur gical E quipment, Beijing, 100029)
Abstract T he hard alloy w orkpiece made from hard al loy-cast steel composite casting technique has high tough ness, low production cost and g ood use effect. T his technique is w ell worth spreading.
Key words Hard alloy Composite cast T oughness Wear resistance
Hot Saw Mechanism Design by Computer Aided Animation
L i L ijuan L iu Feng (Guangdong U niv ersity of T echnology, G uang zhou, 510500)
Z hu Hongliang (Shang hai T yre &Rubber Ltd. , Shang hai, 200092)
Abstract It presents how to desig n the hot saw mecha nism with the help of computer animation. T his precise method can avoid t he error caused by gr aphics or exper iment and does not need modeling. It w ill be also well adapted to ot her mechanism design.
Key words Hot saw mechanism A DS Computer ani mation
Research on Machinability and Measurement Tech nique of Bio -Ceramic
Wang Huimin T ie Weilin(Shenyang U niver sity , Shenyang , 110044)
Qin Xiaomei(Northeast U niv ersity, Shenyang, 110006)
Abstract T he paper investigates the machinabilities of 14bio-ceramic mater ials compared with cast iron and Q 235in the drilling metho d of constant axial force. It studies the in fluences of differ ent bio-ceramic framew orks on machinabili t ies of t hem in or der to find suitable mater ials for implant us ag e.
Key words M achinability Bio-ceramics Implant
A Computer Aided Design of Cam on Internal Com bustion Engine
L in Jiang (Hangzhou Institute o f Applied Engineering, Hang zhou, 310012)
Abstract I t describes a method o n computer aided de sign of cam. T he characteristics o f kinematics and dy namics about the cam mechani sm must be taken into account. A c cording to t he r esult, it shows the tables of calculating data. T he paper provides an interface from calculating data to 3D animated drawing, and establishes the foundation for cam CAD/CAM.
Key words Cam CAD V isual design
SHS Technology Application in Manufacturing of Metal -ceramic Composite
Wang Shuangxi Wang Jianjiang L i Junshou Zhang Long (Institute of Ordnance Engineering, Shijiazhuang, Hebei, 050003)
Abstract It introduces the principle o f SHS and applica t ion state in manufacture of metal-ceramic composites. Wit h traditional technique this new technology has been compared in such process.
Key words SHS M etal-ceramic composite
The Expert System for Error Sources Analysis and Diagnosis in Machining Process
F u Xiaojin Zhang Xinhua(Shaox ing College of Arts and Sci ence, Shaox ing, Zejiang, 312000)
Abstract It puts for wards an expert system using artifi cial intellig ence in error sources analysis and diag nosis during machining process. Based on analysis of err or produced in t he process, t he paper discusses the possible sources of machining erro r, the cause about the error is approached and eliminated. T he machining er ror can be finally recognized.
Discuss about Wrapping Technique Improvement of the Spring
Yang Q ing(F oshan School of M achinery &Electron, Fushan, Guangdong, 528000)
Abstract It giv es the mechanic model o f the springs wit h the yield str ength and the quantifictional r elatio nship be tw een geometr ic parameter and diameter of them. And it de tr udes formula for the mandrel size of wr apped springs. T his