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汽車發(fā)動機氣門彈簧的最優(yōu)化設計與計算分析論文
0引言
配氣機構是汽車發(fā)動機最重要的組成部分之一，而氣門彈簧是配氣機構氣門組的重要零件，其功用是保證氣門關閉時能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，并克服在氣門開啟時配氣機構產(chǎn)生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不相互脫離。因此，氣門彈簧應具有合適的剛度、足夠的抗疲勞強度、質(zhì)量要輕、彈力要小以及避免在工作時發(fā)生顫振現(xiàn)象。本文對氣門彈簧設計的變量、目標函數(shù)及約束條件進行了分析，提出了氣門彈簧優(yōu)化設計的數(shù)學模型，并進行實例驗證數(shù)學模型的可行性，旨在克服傳統(tǒng)設計方法耗費大量人力物力的缺陷，降低制造成本，提高產(chǎn)品的市場核心竟爭力。
1氣門彈簧最優(yōu)化設計數(shù)學原理
1.1最優(yōu)化參數(shù)的確定
圓柱形螺旋氣門彈簧設計時，除選材料及規(guī)定熱處理要求外，主要是根據(jù)最大工作載荷、最大變形以及結構要求等來確定彈簧的鋼絲直徑d,中徑Dz、工作圈數(shù)n、節(jié)距t或螺旋升角a和高度H等。通常取彈簧鋼絲直徑d，彈簧中徑D:和彈簧工作圈數(shù)n為最優(yōu)化設計的設計變量。
1. 2建立最優(yōu)目標函數(shù)
目標函數(shù)可根據(jù)彈簧的工作特點和對它的專門要求來建立。例如，對于因工作特點極易導致疲勞損壞的彈簧，則應以疲勞安全系數(shù)最大作為最優(yōu)化設計的目標;對于安裝空間很緊、要求盡量減小輪廓尺寸的彈簧，則應以其外徑或高度最小，從而得到最小安裝尺寸作為最優(yōu)化設計的目標，本文以彈簧彈力最小作為最優(yōu)化設計的目標。
1 .3最優(yōu)化設計數(shù)學模型的確定
由上述得到的最優(yōu)化條件和約束條件，其數(shù)學模型可以歸結。
2氣門彈簧實例設計計算
設對江鈴某一小型柴油發(fā)動機氣門彈簧進行優(yōu)化，其不同工況的轉速為:怠速850 r/min;中速時2 500 r/min;高速(額定轉速)時3 600 r/min其氣門彈簧材料采用65Mn.剪切彈簧性模量G=81 340 MPa，最大變形量d =31. 17 mm，工作溫度T=126 0C，彈簧結構:2.5 mm<d<6 60="" c="(Dld)" mm.30="" n2="2.">60。對于單目標多約束的優(yōu)化設計的計算方法很多，本文以彈力最小為目標，采用遺傳算法進行優(yōu)化設計計算。
3結論
通過分析與計算可以看出，采用遺傳算法對氣門彈簧進行最優(yōu)化設計，在保證氣門彈簧工作性能要求的同時減小了彈簧的彈簧力，如果全車都使用這種優(yōu)化后的彈簧則整臺發(fā)動機在配氣機構上消耗的功率會減少，進而間接地提高了發(fā)動機的輸出功率。與傳統(tǒng)的彈簧設計方法相比，提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟效益，從而大大提高了市場競爭力。
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