一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法技术

本发明专利技术公开一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法，根据柱塞运动升程曲线、泵端燃油压力特性曲线、与凸轮所匹配的滚子直径和设定的基圆半径初始值，计算得到凸轮的压力角、曲率半径与接触应力；通过逐步增大基圆半径进行迭代计算直到压力角、曲率半径与接触应力满足压力角、曲率半径与受力情况设计准则，获得满足凸轮型线设计准则的最小基圆半径；根据柱塞运动过程的升程曲线、最小基圆半径和与凸轮所匹配的滚子直径得到最终确定的凸轮型线，本发明专利技术能够快速获取适用于该凸轮升程曲线的最小凸轮基圆半径，从而能够快速得到一个完整的供油凸轮。

【技术实现步骤摘要】
一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法
本专利技术属于发动机设计的
，具体涉及一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法。
技术介绍
电控单体泵高压喷射燃油系统，作为第三代脉动式电控喷油系统，其供油规律主要受供油凸轮型线影响。在供油系统结构参数一定的条件下，其充油过程、建压过程以及喷射过程的性能表现都与供油凸轮型线的合理匹配存在直接关系。基于供油系统对凸轮型线的需求，可以提出供油凸轮型线设计准则的数学表达式，在此约束下，可以建立凸轮机构运动规律的数学表达式，实现凸轮型线的参数化设计，进而获得凸轮型线的准确数学表达式。同时，传统的供油凸轮型线设计方法参数繁多，且计算方程复杂，而其主要设计目的更多的是满足于动力学以及加工工艺性能，并未充分考虑到供油系统以及柴油机本身的性能要求，由此在实际设计过程中往往采用提高安全系数的方法来保证可靠性，导致凸轮轴直径过大、系统紧凑性下降。因此供油凸轮型线的设计需借助参数化设计方法，在保证动力学和加工工艺要求的条件下，简化设计过程，同时实现最小的基圆半径求解，便能够解决传统供油凸轮型线所带来的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术基于能够快速准确的设计发动机供油凸轮型线的要求，旨在通过参数化柱塞运动规律的凸轮升程型线基础上，能够快速获取适用于该凸轮升程曲线的最小凸轮基圆半径，从而能够快速得到一个完整的供油凸轮。实现本专利技术的技术方案如下：一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法，包括以下步骤：步骤一、根据满足柱塞运动规律设计准则的柱塞运动升程曲线、泵端燃油压力特性曲线、与凸轮所匹配的滚子直径和设定的基圆半径初始值，计算得到凸轮的压力角、曲率半径与接触应力；步骤二、通过逐步增大基圆半径进行迭代计算直到压力角、曲率半径与接触应力满足压力角、曲率半径与受力情况设计准则，获得满足凸轮型线设计准则的最小基圆半径；所述凸轮型线设计准则包括柱塞运动规律设计准则和压力角、曲率半径与受力情况设计准则；步骤三、根据柱塞运动过程的升程曲线、最小基圆半径和与凸轮所匹配的滚子直径得到最终确定的凸轮型线。进一步地，所述柱塞运动升程曲线的计算过程为：根据柱塞运动规律设计准则得到柱塞加速度表达式，对加速度表达式进行积分运算获得柱塞运动升程曲线。进一步地，所述泵端燃油压力特性曲线通过对柱塞运动规律进行仿真计算获得。进一步地，所述泵端燃油压力特性曲线通过试验获得。进一步地，凸轮的压力角、曲率半径与接触应力的计算如下：其中，θ为压力角，H为柱塞运动升程曲线；R为凸轮基圆半径，r为滚子半径，α为凸轮转角；其中，Rc为曲率半径，ρ'和ρ”分别是ρ的一阶和二阶导数；其中，σH为滚子与凸轮之间的接触应力，Rc、r分别为接触点凸轮曲率半径与滚子半径；b为凸轮与滚子的接触线长度；μ1、μ2分别为凸轮与滚子材料的泊松比，E1、E2分别为凸轮与滚子材料的弹性模量，Fn为实际接触应力。有益效果：1、本专利技术在已获得的参数化柱塞运动升程曲线的基础上，进一步进行参数化计算得到凸轮最小基圆半径，从而快速得到一个确定的供油凸轮。2、本专利技术的运用能够极大的缩短发动机供油凸轮设计的时间，提高工作效率，降低成本。附图说明图1为理想供油凸轮型线加速度曲线；图2为符合设计准则要求的供油柱塞加速度曲线；图3为经过数学解析求得的供油柱塞速度曲线；图4为经过数学解析求得的供油柱塞升程曲线；图5为满足设计要求的等压喷射压力预测曲线；图6为滚子与凸轮接位置关系示意图；图7为凸轮机构组件受力分析图；图8为凸轮与滚子之间赫兹接触示意图；图9为供油凸轮最小基圆半径计算逻辑；图10为凸轮升程与柱塞升程对比；图11为供油凸轮压力角；图12为供油凸轮的曲率半径；图13为凸轮与滚子接触应力示意图；图14为设计的完整凸轮型线。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线确定方法，具体包括以下步骤：在进行最小基圆凸轮型线的设计之前，首先要得到符合设计准则的参数化的柱塞运动升程曲线，参数化的柱塞运动升程曲线的计算过程为：针对凸轮柱塞系统工作的性能要求，提出凸轮型线设计准则；根据柱塞运动规律设计准则得到柱塞加速度表达式，对加速度表达式进行积分运算获得柱塞运动升程曲线；所述凸轮型线设计准则包括柱塞运动规律设计准则和压力角、曲率半径与受力情况设计准则。凸轮型线的设计准则主要包括(1)其所属供油系统优异的供油特性、(2)平稳的工作特性、(3)较高的可靠性以及(4)良好的工艺性。其中优异的供油特性要求供油系统在发动机不同转速时供油压力能够满足性能要求；平稳的工作特性要求供油凸轮在整个工作转速范围内不产生飞脱反跳现象，同时在凸轮回程段(即吸油过程)工作平稳，避免吸空和气穴生成；较高的可靠性要求尽量减小与滚子之间的接触应力，同时凸轮型线参数化方程中加速度曲线连续可导，避免由于阶跃突变所带来的冲击问题；良好的工艺性要求凸轮型线的设计需要符合现有的加工工艺条件，例如，凸轮的负曲率不能太大等。以上设计准则中，(2)、(3)可通过压油柱塞加速度特性曲线来进行直接表征，例如图1为供油凸轮型线加速度理想曲线形式，得到该加速度曲线的过程如下：在建压过程中凸轮运动，推动柱塞上升，从而建立起压力，速度增加的越快，建压时间就越短，加速度的面积(即积分)为速度，由于接触应力的限制，在限定最大加速度Amax的条件下，矩形面积最大，即最大速度Vmax最大，这意味着供油系统所产生的峰值压力越大；当系统达到峰值压力后，为了实现等压方式供油，需要整个喷油过程中供油能力等于喷油能力，而传统切线凸轮及等速凸轮均不能实现等压方式喷射，因此喷射过程需要实现随喷油持续期增加，凸轮速度不断减低，即加速度小于零的方式，泄压过程与建压过程类似，速度降低的越快，泄压时间越短，而为防止凸轮与滚轮发生飞脱和吸油过程产生气穴，在限定最大负加速度Amin为条件下，采用矩形方式达到最大负速度Vmin所用时间最短；当吸油过程结束后，凸轮回到升程起点。将上述凸轮型线的设计准则用数学表达式表达出来为：[数学式1]由数学式1所示的约束条件中：L1为最大正加速度Amax约束，此值过大会导致凸轮机构受力过大。在设计时必须限制该值，[Amax]为最大正加速度的极限值，此约束条件由设计准则(3)得到；L2为最大负加速度Amin约束，为了防止凸轮与滚轮飞脱，负加速度产生的惯性力必须小于弹簧作用力与运动件重力之和，[Amin]为最大负加速度的极限值，此约束条件由设计准则(2)得到；L3为峰值供油压力约束，为了保证良好的供油特性，峰值油压要足够高，这就需要从动件有足够高的峰值速度Vmax。[Vmax]为从动件的峰值速度极限值，此约束条件由设计准则(1)得到。L4为了防止充油过程中柱塞腔中产生气穴，回程段期间，从动件速度过快将会导致柱塞腔中压力低于空气分离压力，使得燃油中的空气析出，进而影响单体泵的建压过程，因此要对最大柱塞负速度Vmin进行限制，[Vc]为燃油气液分离的极限速度，此约束条件由设计准则(2)得到；L5为边界约束条件，柱塞升程H需满足最大升程约束，[Hmax]为柱塞升程的最大值；L6为凸轮滚轮接触应力σc约束，凸轮与滚轮的最大接触应力影响机构的可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据满足柱塞运动规律设计准则的柱塞运动升程曲线、泵端燃油压力特性曲线、与凸轮所匹配的滚子直径和设定的基圆半径初始值，计算得到凸轮的压力角、曲率半径与接触应力；步骤二、通过逐步增大基圆半径进行迭代计算直到压力角、曲率半径与接触应力满足压力角、曲率半径与受力情况设计准则，获得满足凸轮型线设计准则的最小基圆半径；所述凸轮型线设计准则包括柱塞运动规律设计准则和压力角、曲率半径与受力情况设计准则；步骤三、根据柱塞运动过程的升程曲线、最小基圆半径和与凸轮所匹配的滚子直径得到最终确定的凸轮型线。

【技术特征摘要】
1.一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据满足柱塞运动规律设计准则的柱塞运动升程曲线、泵端燃油压力特性曲线、与凸轮所匹配的滚子直径和设定的基圆半径初始值，计算得到凸轮的压力角、曲率半径与接触应力；步骤二、通过逐步增大基圆半径进行迭代计算直到压力角、曲率半径与接触应力满足压力角、曲率半径与受力情况设计准则，获得满足凸轮型线设计准则的最小基圆半径；所述凸轮型线设计准则包括柱塞运动规律设计准则和压力角、曲率半径与受力情况设计准则；步骤三、根据柱塞运动过程的升程曲线、最小基圆半径和与凸轮所匹配的滚子直径得到最终确定的凸轮型线。2.如权利要求1所述的一种基于参数化柱塞运动规律的最小基圆凸轮型线设计方法，其特征在于，所述柱塞运动升程曲线的计算过程为：所述柱塞运动升程曲线的计算过程为：根据柱塞运动规律设计准则得到柱塞加速度表达式，对加速度表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福水，杨子明，胡若，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11