CN110374706B - 发动机对称式配气凸轮型线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发动机对称式配气凸轮型线，包括分别呈轴对称分布的第一基圆段与第二基圆段、上升缓冲段与下降缓冲段、上升工作段和下降工作段，所述的第一基圆段、第二基圆段、上升缓冲段、下降缓冲段、上升工作段和下降工作段的轮廓均采用统一的有理三次Bezier模型建模，实现该发动机对称式配气凸轮型线各段交接点的G2连续拼接，降低气门落座的冲击、磨损和噪声，保证配气机构工作的平稳性和耐久性，提高发动机性能及使用寿命。

Description

发动机对称式配气凸轮型线
技术领域
本发明涉及发动机配气部件技术领域，更确切地说涉及一种发动机对称式配气凸轮型线。
背景技术
配气机构是发动机结构中最复杂、工作最繁重的部件之一，配气凸轮型线的设计对发动机配气机构的性能起着决定性的作用。为保证发动机的使用性能及寿命，要求配气凸轮驱动的气门应具有良好的升程、速度、加速度等运动变化规律。现有的等加速凸轮、组合多项式凸轮、高次多项式凸轮等配气凸轮结构形式，在交接点处凸轮外形曲率半径突变，较难满足配气机构的工作平稳性和耐久性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种发动机对称式配气凸轮型线，保证配气凸轮基圆段、缓冲段和工作段交接点G2连续的凸轮型线，以降低由凸轮型线高阶不连续引起的配气机构振动和冲击，提高发动机性能及使用寿命。
本发明的技术解决方案是，提供一种发动机对称式配气凸轮型线，包括分别呈轴对称分布的第一基圆段(1)与第二基圆段(6)、上升缓冲段(2)与下降缓冲段(5)、上升工作段(3)和下降工作段(4)，所述的第一基圆段(1)、第二基圆段(6)、上升缓冲段(2)、下降缓冲段(5)、上升工作段(3)和下降工作段(4)的轮廓均采用统一的有理三次Bezier模型建模，各段曲线的公式表述如下：
公式1中，pi(u)为凸轮型线上各点的坐标值，单位mm；Bj,3(u)分别为各段有理三次Bezier曲线的控制顶点和基函数；
所述的Bezier控制点分别为：
公式2中，型值点V0为上升缓冲段始点，型值点V1为上升缓冲段终点，型值点V2为上升工作段终点，型值点V3为下降工作段终点，型值点V4为下降缓冲段终点，型值点V5为基圆段最低点；各型值点Vi的坐标根据基圆半径r0、缓冲段包角α0、缓冲段高度h0、工作段半包角α1、最大气门升程Hmax确定，具体公式表述如下：
V0＝[-r0sin(α0+α1),r0cos(α0+α1)] 公式3-1；
V1＝[-(r0+h0)sin(α1),(r0+h0)cos(α1)] 公式3-2；
V2＝[0,r0+h0+Hmax] 公式3-3；
V3＝[(r0+h0)sin(α1),(r0+h0)cos(α1)] 公式3-4；
V4＝[r0sin(α0+α1),r0cos(α0+α1)] 公式3-5；
V5＝[0,-r0]，V6＝V0，V7＝V1，V8＝V2 公式3-6；
公式2中，Qi为过型值点Vi和Vi+1的切矢和/>的交点；λi、μi为待定常数；
切矢
切矢交点Qi：
公式4与公式5中，V6＝V0，V7＝V1，V8＝V2；
公式4中ti为切矢调节参数，且0＜ti＜1，此外t6＝t0，t7＝t1，具体约束如下：
切矢调节参数t0满足：
切矢调节参数t1：由配气凸轮型线速度、加速度等边界条件确定；
切矢调节参数t2满足：
切矢调节参数t3：由对称性，得t3＝1-t1；
切矢调节参数t4满足：
切矢调节参数t5满足：
分别影响切矢调节参数t0和t5的和/>是基圆段(1)的三次Bezier曲线中间控制点：
公式5中，
分别影响切矢调节参数t4和t5的和/>是基圆段(6)的三次Bezier曲线中间控制点：
待定常数λi满足：f(λi)＝(κi/Ai)2(1-λi)4-2κi/Bi(1-λi)2-Bi/κi+1λi+1＝0公式9；
公式6中，
公式6中，κi为型值点处的曲率参数，具体表述如下：
曲率参数κi：κ0＝e0min{A0,B5}，κi＝eimin{Ai,Bi-1}(i＝1,2,...,5) 公式11；
公式7中，ei为曲率调节变量，且0＜ei＜1；
待定常数μi满足：
与现有技术相比，本发明的发动机对称式配气凸轮型线有以下优点：
1、本发明的发动机对称式配气凸轮型线两侧关于凸轮径向中心线对称，每侧均由凸轮基圆段、缓冲段和工作段组成，通过有理三次Bezier曲线实现凸轮型线各段交接点的G2连续拼接，保证配气机构工作的平稳性和耐久性。
2、本发明的发动机对称式配气凸轮型线气门速度曲线连续，加速度曲线在连接点没有大的突变，缓冲段末速度和加速度跃度远小于要求值，有利于降低气门落座的冲击、磨损和噪声。
3、本发明的发动机对称式配气凸轮型线在型值点处的曲率和切矢可适当修改，便于构造不同动力性能要求的发动机配气机构。
优选的，在确定待定常数λi、μi时，采用公式2，λ4、μ4可直接由第二基圆段(6)的中间控制点和/>确定，具体表述如下：
λ5、μ5可直接由第一基圆段(1)的中间控制点和/>确定，具体表述如下：
优选的，选定本发明的发动机对称式配气凸轮型线的基本设计参数如下，
对应上述基本设计参数，本发明的所述发动机对称式配气凸轮型线的有理三次Bezier模型参数如下：
对应前述发动机对称式配气凸轮型线的基本设计参数与有理三次Bezier模型参数，本发明的所述的发动机对称式配气凸轮型线控制的挺柱升程数值如下：
附图说明
图1为本发明的发动机对称式配气凸轮型线示意图。
图2为本发明的发动机对称式配气凸轮型线构造过程示意图。
图3为本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的气门挺柱升程曲线。
图4为本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的气门速度曲线。
图5为本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的气门加速度曲线。
图6为本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的气门跃度曲线。
具体实施方式
为了更好得理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包含”“包括”、“具有”、“包含”、“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整体、步骤、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“…至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修改列表中的单独元件。
如图1所示，本发明的发动机对称式配气凸轮型线包括分别呈轴对称分布的第一基圆段1、上升缓冲段2、上升工作段3、下降工作段4、下降缓冲段5、第二基圆段6。
如图2所示，本发明的发动机对称式配气凸轮型线在构造过程中，型值点Vi为所述发动机对称式配气凸轮型线各段的连接点，为过型值点Vi的切矢，Qi为切矢/>和/>的交点，/>为第一基圆段1的三次Bezier曲线中间控制点，/>为第二基圆段6的三次Bezier曲线中间控制点。
所述的第一基圆段1、上升缓冲段2、上升工作段3、下降工作段4、下降缓冲段5、第二基圆段6的轮廓均采用统一的有理三次Bezier模型建模，各段曲线的公式表述如下：
公式1中，pi(u)为凸轮型线上各点的坐标值，单位mm；Bj,3(u)分别为各段有理三次Bezier曲线的控制顶点和基函数；
所述的Bezier控制点分别为：
公式2中，型值点V0为上升缓冲段2始点，型值点V1为上升缓冲段2终点，型值点V2为上升工作段3终点，型值点V3为下降工作段4终点，型值点V4为下降缓冲段5终点，型值点V5为基圆段的最低点；
各型值点Vi的坐标根据基圆半径r0、缓冲段包角α0、缓冲段高度h0、工作段半包角α1、最大气门升程Hmax确定，具体公式表述如下：
V0＝[-r0sin(α0+α1),r0cos(α0+α1)] 公式3-1；
V1＝[-(r0+h0)sin(α1),(r0+h0)cos(α1)] 公式3-2；
V2＝[0,r0+h0+Hmax] 公式3-3；
V3＝[(r0+h0)sin(α1),(r0+h0)cos(α1)]公式3-4；
V4＝[r0sin(α0+α1),r0cos(α0+α1)] 公式3-5；
V5＝[0,-r0]，V6＝V0，V7＝V1，V8＝V2 公式3-6；
公式2中，Qi为过型值点Vi和Vi+1的切矢和/>的交点；λi、μi为待定常数；
切矢
切矢交点Qi：
公式4与公式5中，V6＝V0，V7＝V1，V8＝V2；
公式4中ti为切矢调节参数，且0＜ti＜1，此外t6＝t0，t7＝t1，具体约束如下：
切矢调节参数t0满足：
切矢调节参数t1：由配气凸轮型线速度、加速度等边界条件确定，可以取经验值0.5；
切矢调节参数t2满足：
切矢调节参数t3：由对称性，得t3＝1-t1；
切矢调节参数t4满足：
切矢调节参数t5满足：
分别影响切矢调节参数t0和t5的和/>第一是基圆段1的三次Bezier曲线中间控制点：
公式5中，
分别影响切矢调节参数t4和t5的和/>是第二基圆段6的三次Bezier曲线中间控制点：
待定常数λi满足：f(λi)＝(κi/Ai)2(1-λi)4-2κi/Bi(1-λi)2-Bi/κi+1λi+1＝0 公式9；
公式6中，
公式6中，κi为型值点处的曲率参数，具体表述如下：
曲率参数κi：κ0＝e0min{A0,B5}，κi＝eimin{Ai,Bi-1}(i＝1,2,...,5) 公式11；
公式7中，ei为曲率调节变量，且0＜ei＜1；
待定常数μi满足：
在确定待定常数λi、μi时，采用公式2，λ4、μ4直接由第二基圆段6的中间控制点和确定，具体表述如下：
λ5、μ5直接由第一是基圆段1的中间控制点/>和/>确定，具体表述如下：
参考当前成熟的发动机性能参数，选定本发明的发动机对称式配气凸轮型线设计参数如下：
基圆半径r0(mm) 15.5
缓冲段包角α0(deg) 25
工作段半包角α1(deg) 60
缓冲段高度h0(mm) 0.25
气门最大升程Hmax(mm) 7.14
上升缓冲段终点速度v0(mm/rad) 0.344～1.432
气门跃度J(mm/rad3) <1000
对应上述的基本设计参数，本发明的发动机对称式配气凸轮型线的有理三次Bezier模型参数如下：
对应前述发动机对称式配气凸轮型线的基本设计参数与有理三次Bezier模型参数，，本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的挺柱升程数值如下：
图3至图6为本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的气门运动规律曲线，其中，图3为挺柱升程曲线，图4为气门速度曲线，图5为气门加速度曲线，图6为气门跃度曲线。气门速度曲线表征了挺柱升程曲线的一阶导数，气门加速度曲线表征了挺柱升程曲线的二阶导数，而气门跃度曲线则表征了挺柱升程曲线的三阶导数。图中可以看出，本发明的发动机对称式配气凸轮型线控制的气门速度曲线连续，加速度曲线在连接点没有大的突变，缓冲段末速度和加速度跃度都远小于目标值，采用本发明的发动机对称式配气凸轮型线有利于降低气门落座的冲击、磨损和噪声。

Claims (3)

1.一种发动机对称式配气凸轮型线，包括分别呈轴对称分布的第一基圆段(1)与第二基圆段(6)、上升缓冲段(2)与下降缓冲段(5)、上升工作段(3)和下降工作段(4)，其特征在于：所述的第一基圆段(1)、第二基圆段(6)、上升缓冲段(2)、下降缓冲段(5)、上升工作段(3)和下降工作段(4)的轮廓均采用统一的有理三次Bezier模型建模，各段曲线的公式表述如下：
公式1中，pi(u)为凸轮型线上各点的坐标值，单位mm；Bj,3(u)分别为各段有理三次Bezier曲线的控制顶点和基函数；
所述的Bezier控制点分别为：
公式2中，型值点V0为上升缓冲段始点，型值点V1为上升缓冲段终点，型值点V2为上升工作段终点，型值点V3为下降工作段终点，型值点V4为下降缓冲段终点，型值点V5为基圆段最低点；各型值点Vi的坐标根据基圆半径r0、缓冲段包角α0、缓冲段高度h0、工作段半包角α1、最大气门升程Hmax确定，具体公式表述如下：
V0＝[-r0sin(α0+α1),r0cos(α0+α1)] 公式3-1；
V1＝[-(r0+h0)sin(α1),(r0+h0)cos(α1)] 公式3-2；
V2＝[0,r0+h0+Hmax] 公式3-3；
V3＝[(r0+h0)sin(α1),(r0+h0)cos(α1)] 公式3-4；
V4＝[r0sin(α0+α1),r0cos(α0+α1)] 公式3-5；
V5＝[0,-r0] 公式3-6；
公式2中，Qi为过型值点Vi和Vi+1的切矢和/>的交点；λi、μi为待定常数；
切矢
切矢交点Qi：
公式4与公式5中，V6＝V0，V7＝V1，V8＝V2；
公式4中ti为切矢调节参数，且0＜ti＜1，此外t6＝t0，t7＝t1，具体约束如下：
切矢调节参数t0满足：
切矢调节参数t1：由配气凸轮型线速度、加速度等边界条件确定；
切矢调节参数t2满足：
切矢调节参数t3：由对称性，得t3＝1-t1；
切矢调节参数t4满足：
切矢调节参数t5满足：
分别影响切矢调节参数t0和t5的和/>是第一基圆段(1)的三次Bezier曲线中间控制点：
公式6中，
分别影响切矢调节参数t4和t5的和/>是第二基圆段(6)的三次Bezier曲线中间控制点：
待定常数λi满足：f(λi)＝(κi/Ai)2(1-λi)4-2κi/Bi(1-λi)2-Bi/κi+1λi+1＝0 公式9；
公式9中，
公式9中，κi为型值点处的曲率参数，具体表述如下：
曲率参数κi：κ0＝e0min{A0,B5}，κi＝eimin{Ai,Bi-1}(i＝1,2,...,5) 公式11；
公式11中，ei为曲率调节变量，且0＜ei＜1；
待定常数μi满足：
2.根据权利要求1所述的发动机对称式配气凸轮型线，其特征在于：
采用公式2，λ4、μ4可直接由第二基圆段(6)的中间控制点和/>确定，具体表述如下：
λ5、μ5可直接由第一基圆段(1)的中间控制点和/>确定，具体表述如下：
3.根据权利要求1或2所述的发动机对称式配气凸轮型线，其特征在于：所述发动机对称式配气凸轮型线的基本设计参数如下，基圆半径r0为15.5mm、缓冲段包角α0为25deg、工作段半包角α1为60deg、缓冲段高度h0为0.25mm、气门最大升程Hmax为7.14mm、上升缓冲段终点速度v0为0.344～1.432mm/rad、气门跃度J为<1000mm/rad3；
所述发动机对称式配气凸轮型线的有理三次Bezier模型参数如下，切矢调节参数ti中，i分别为0、1、2、3、4、5、6、7时，对应的ti值依次为0.0678、0.73、0.5、0.27、0.9322、0.5、0.0678、0.73；待定常数λi中，i分别为0、1、2、3、4、5时，对应的λi依次为0.3205、0.6795、0.6795、0.3205、0.4624、0.4624；待定常数μi中，i分别为0、1、2、3、4、5时，对应的μi依次为0.3205、0.6795、0.6795、0.3205、0.4624、0.4624；
所述的发动机对称式配气凸轮型线控制的挺柱升程数值如下，凸轮转角分别为95°、100°、105°、110°、115°、120°、125°、130°、135°、140°、145°、150°、155°、160°、165°、170°、175°、180°、185°、190°、195°、200°、205°、210°、215°、220°、225°、230°、235°、240°、245°、250°、255°、260°、265°时，挺柱升程依次为0mm、0.0303915mm、0.0965168mm、0.1679772mm、0.2234911mm、0.25mm、0.276669mm、0.3982634mm、0.6932617mm、1.2055983mm、1.9361093mm、2.8447349mm、3.8611462mm、4.8977917mm、5.8605824mm、6.6557182mm、7.1934177mm、7.39mm、7.1934177mm、6.6557182mm、5.8605824mm、4.8977917mm、3.8611462mm、2.84473493mm、1.9361093mm、1.2055983mm、0.6932617mm、0.3982634mm、0.276669mm、0.25mm、0.2234911mm、0.1679772mm、0.09651683mm、0.0303915mm、0mm。
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