CN112926151B - 一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质，所述确定气门活塞运动距离的方法包括：获取发动机基本结构参数；根据所述发动机基本结构参数和活塞是否偏心，计算得到活塞运动曲线，设计和分配各零部件尺寸公差；确定可变气门气门升程曲线和可变气门正时系统的工作范围；确定可变气门正时系统的系统布置和公差分配；获取零部件热膨胀量和积碳数据；以及将所述气门升程曲线和所述活塞运动曲线的横坐标统一转化至相同曲轴转角，并以所述曲轴转角的上止点为零点状态，计算在所述可变气门正时系统最大工作范围时气门活塞之间的第一最小运动间隙。本发明能快速、准确的计算出最小气门活塞运动距离，省时省力。

Description

一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储 介质
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质。
背景技术
活塞和气门是发动机性能得以实现的重要部件，通过气门的开启和活塞的往复运动的配合，实现发动机的性能。
活塞和气门机构是发动机设计中最关键的运动机构。活塞连杆机构关系发动机结构参数，是发动机前期设计的主要参数。气门机构不仅是发动机结构参数，也是发动机关键性能参数，尤其是进排气门的调整相位。气门机构由曲轴系统驱动，其与活塞配合运动，且运动速度极高，所以，气门和活塞直接的运动间隙或运动距离，必须反复校对，不允许两者产生相互干涉碰撞的情况。
目前的设计中，首先是根据整机性能和发动机结构目标，各系统，如缸体、缸盖、曲柄连杆、配气等，独立对标，或通过经验来分析设计，通常为各系统参数独立考量，然后手工计算和处理数据，找出最小的气门活塞运动距离，并且检查过程十分繁琐，耗时耗力，且计算结果错误的风险较高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质，以快速准确地计算出气门活塞最小运动距离。
本发明的目的之二在于提供一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质，以一次性输出多个计算结果。
本发明的目的之三在于提供一种确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质，以在一次性输出多个计算结果的同时，提高计算结果的准确性。
本发明首先提供一种确定气门活塞运动距离的方法，包括：获取发动机基本结构参数，所述发动机基本结构参数包括以下参数中的多个或全部：曲柄半径、连杆长度、进排气门倾斜角度、曲柄偏心尺寸、活塞偏心尺寸、进排气门和活塞上止点的初始距离；根据所述发动机基本结构参数和活塞是否偏心，计算得到活塞运动曲线，设计和分配各零部件尺寸公差；确定可变气门气门升程曲线和可变气门正时系统的工作范围；确定可变气门正时系统的系统布置和公差分配；获取零部件热膨胀量和积碳数据；以及将所述气门升程曲线和所述活塞运动曲线的横坐标统一转化至相同曲轴转角，并以所述曲轴转角的上止点为零点状态，计算在所述可变气门正时系统最大工作范围时气门活塞之间的第一最小运动间隙；获取气门活塞出现所述第一最小运动间隙时对应的第一曲轴转角；判断所述第一最小运动间隙标准值是否大于预定阈值；以及，在所述第一最小运动间隙标准值大于预定阈值时，获取发动机各零部件的尺寸公差和可变气门正时系统的装配公差，计算名义极限状态时气门活塞之间的第二最小运动间隙，并得到出现最小运动间隙时对应的第二曲轴转角。
进一步，所述确定气门活塞运动距离的方法，还包括：获取气门活塞出现第二最小运动间隙时对应的第二曲轴转角；基于统计学，综合发动机各零部件的尺寸公差和可变气门正时系统的装配公差，计算统计学极限状态时，气门活塞之间的第三最小运动间隙，并得出所述第三最小运动间隙时对应的第三曲轴转角；判断所述第三最小运动间隙标准值是否大于预定阈值；以及在所述第三最小运动间隙标准值大于预定阈值时，确定发动机各零部件的结构参数和可变气门正时系统的系统参数。
进一步，所述统计学采用了每个参数的实际Cpk值和Rand函数。
进一步，所述可变气门正时系统的系统参数包括气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图。
进一步，所述零部件包括：曲轴、连杆、衬套、活塞、缸垫、缸体、缸盖、气门。
进一步，所述尺寸公差包括制造公差和装配公差。
进一步，所述确定可变气门正时系统的系统布置和公差分配的步骤，包括确定以下参数中的多个或全部：是否带有VVT定位销，凸轮轴、气门、链条/皮带身长，以及系统装配进排气相位角度的影响。
本发明还提供一种确定气门活塞运动距离的系统，包括：存储器、处理器、通信总线以及存储在所述存储器上的确定气门活塞运动距离的程序；所述通信总线用于实现处理器与存储器间的通信连接；所述处理器用于执行所述确定气门活塞运动距离的程序，以实现上述任一项所述的确定气门活塞运动距离的方法的步骤。
本发明再一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有确定气门活塞运动距离的程序，所述确定气门活塞运动距离的程序被处理器执行时，实现上述任一项所述的确定气门活塞运动距离的方法的步骤。
本发明提供的确定气门活塞运动距离的方法、系统及计算机可读存储介质，能快速、准确的计算出最小气门活塞运动距离，并且能将全系统参数进行内部计算，一次性输出气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图等结果，大幅提高了计算的准确性，省时省力。
附图说明
图1为本发明的硬件应用场景的示意图。
图2显示本发明活塞和气门的运动方向。
图3显示本发明第一实施例的确定气门活塞运动距离的方法。
图4显示本发明第二实施例的确定气门活塞运动距离的方法。
图5显示本发明第三实施例的确定气门活塞运动距离的方法。
图6显示本发明第四实施例的确定气门活塞运动距离的系统。
图7显示本发明确定气门活塞运动距离的方法通过VBA程序进行实验得到的仿真数据。
图8显示本发明确定气门活塞运动距离的方法通过VBA程序进行实验得到的仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明 的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
第一实施例
请参阅图1和图2，本发明在系统考量的基础上，提出一种进行发动机基本结构参数和性能设计的控制策略。图1显示本发明的硬件应用场景，图 2显示本发明活塞和气门的运动方向。如图1所示，本发明方法可以应用于的硬件机构包括进气门101、排气门103、缸盖105、缸垫107、缸体109、活塞111和曲柄连杆113，基准点是曲柄中心。可以参考图2，进气门101、排气门103、和活塞111分别沿进气门轴线102、排气门轴线104和活塞轴线 112相对运动。
下述公式是本发明计算气门活塞最小运动间隙的一个依据。
C＝C0+C1+C2+C3+C4+C5+C6
C：气门活塞最小运动间隙
C0：上止点时活塞和气门的距离；
C1：气门升程；
C2＝X*CosA：C2-活塞沿气门轴线方向的移动距离，X-活塞距离方程 (pistondistance equation)；A-气门夹角；
C3：活塞系统零部件公差；
C4：零部件热膨胀量；
C5：积碳；
C6：可变正时系统的曲轴转角动态公差(Dynamic tolerance CA,VVT system)。
请参阅图3，本发明第一实施例提供一种确定气门活塞运动距离的方法，包括：
步骤S101，获取发动机基本结构参数，所述发动机结构参数包括以下参数中的多个或全部：曲柄半径、连杆长度、进排气门倾斜角度、曲柄偏心尺寸、活塞偏心尺寸、进排气门和活塞上止点的初始距离；
进排气门和活塞上止点的初始距离可以结合缸盖和缸垫的初始参数获得。依据上述获得的参数，可以进一步计算得到曲柄/连杆比，活塞偏心/连杆比等数值。
步骤S103，根据所述发动机基本结构参数和活塞是否偏心，计算得到活塞运动曲线，设计和分配各零部件尺寸公差；
首先，根据步骤S101中获得的发动机基本结构参数和活塞是否偏心，计算得到活塞运动曲线，活塞偏心和不偏心时，依据的计算公式不同；
接着，根据计算得到的活塞运动曲线和步骤S101中获得的发动机基本结构参数，设计和分配各零部件尺寸公差，所述零部件主要涵盖：曲轴、连杆、衬套、活塞、缸垫、缸体、缸盖、气门等，所述尺寸公差包括零部件制造公差和装配公差；
步骤S102，确定可变气门气门升程曲线和可变气门正时系统的工作范围；
根据预先设计的发动机性能要求，设计可变气门正时系统的参数，确定可变气门升程曲线和可变气门正时系统的工作范围。可变气门正时系统的参数要预先由计算人员主动输入系统，系统获取后确定气门升程曲线。可变气门正时系统的工作范围包括进气提前角和排气滞后角。
步骤S104，确定可变气门正时系统的系统参数和公差分配；
步骤S104实际与步骤S103同时实施，根据步骤S103的需求，确定整个可变气门正时系统的系统参数和公差分配；
在本发明中，确定的整个可变气门正时系统的系统参数和公差分配包括以下参数中的多个或全部：是否带有VVT定位销，凸轮轴、气门、链条/皮带身长，以及系统装配进排气相位角度的影响。
步骤S105，获取零部件热膨胀量和积碳数据；
根据系统零部件结构、材料，以及发动机的温度计算零部件膨胀量，尤其是铝合金活塞。同时结合极端工况，统计积碳的厚度，例如低速耐久实验活塞和气门头部积碳厚度可至0.3mm。系统零部件结构、材料，以及发动机的温度可以预先输入并存储于系统。
步骤S106，将所述气门升程曲线和所述活塞运动曲线的横坐标统一转化至相同曲轴转角，并以所述曲轴转角的上止点为零点状态，计算在所述可变气门正时系统最大工作范围时气门活塞之间的第一最小运动间隙。
将上气门升程曲线和活塞运动曲线，横坐标统一转化至相同曲轴转角，并以上止点为起点，0°CA，状态，计算在VVT系统最大工作范围时，即最危险的状态，活塞和气门之间的最小运动间隙，沿气门轴线方向，并得到出现最小运动间隙时的曲轴转角。
第二实施例
请参阅图4，本发明第二实施例提供的确定气门活塞运动距离的方法与上述第一实施例的区别在于，在本实施例中，所述确定气门活塞运动距离的方法还包括：
步骤S201，获取气门活塞出现所述第一最小运动间隙时对应的第一曲轴转角；
步骤S201可以是在步骤S106之后。
步骤S203，判断所述第一最小运动间隙标准值是否大于预定阈值；
预定阈值可以是0.03mm至0.05mm之间的任一值，优选为0.05mm。
步骤S205，在所述第一最小运动间隙标准值大于预定阈值时，获取发动机各零部件的尺寸公差和可变气门正时系统的装配公差，计算名义极限状态时气门活塞之间的第二最小运动间隙，并得到出现最小运动间隙时对应的第二曲轴转角。否则，返回至步骤S101和步骤S102。
第三实施例
请参阅图5，本发明第三实施例提供的确定气门活塞运动距离的方法与上述第一实施例的区别在于，在本实施例中，所述确定气门活塞运动距离的方法还包括：
步骤S301，获取气门活塞出现第二最小运动间隙时对应的第二曲轴转角；
步骤S303，基于统计学，综合发动机各零部件的尺寸公差和可变气门正时系统的装配公差，计算统计学极限状态时，气门活塞之间的第三最小运动间隙，并得出所述第三最小运动间隙时对应的第三曲轴转角；
详细而言，统计学采用了每个参数的实际Cpk(Complex Process Capabilityindex；过程能力指数)值和Rand函数。Rand函数即随机函数。cpk值即过程能力指数值，指过程能力满足产品质量标准要求的程度，也称工序能力指数，是指工序在一定时间里，处于控制状态下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。这里所指的工序，是指操作者、机器、原材料、工艺方法和生产环境等五个基本质量因素综合作用的过程，也就是产品质量的生产过程。
发动机各零部件的尺寸公差可以由操作人员预先输入，存储于系统中。若有实际尺寸能力值，则用实际尺寸能力值，即真实能力值；若没有，则可以用RAND函数正态拟合。
步骤S305，判断所述第三最小运动间隙标准值是否大于预定阈值；
预定阈值可以是0.03mm至0.05mm之间的任一值，优选为0.05mm。
步骤S307，在所述第三最小运动间隙标准值大于预定阈值时，确定发动机各零部件的结构参数和可变气门正时系统的系统参数；否则返回至步骤 S101和步骤S102。
第四实施例
请参阅图6，本发明第四实施例提供一种确定气门活塞运动距离的系统，图6是本发明实施例确定气门活塞运动距离的方法涉及的硬件运行环境的设备结构示意图。
本发明实施例终端可以是PC，也可以是智能手机、平板电脑、便携计算机等终端设备。
如图6所示的确定气门活塞运动距离的系统200可以包括处理器202、存储器204和通信总线203。其中，通信总线203用于实现处理器202和存储器204之间的连接通信。存储器204可以是高速RAM存储器，也可以是 NVM(non-volatile memory；非易失存储器)，例如磁盘存储器，还可以是独立于前述处理器202的存储装置。
可选地，确定气门活塞运动距离的系统200还可以包括用户接口206、 WiFi模块等等。用户接口206可以包括显示屏、输入单元比如键盘，可选用户接口206还可以包括标准的有线接口、无线接口。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的确定气门活塞运动距离的系统并不构成对本发明确定气门活塞运动距离的系统的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
如图6所示，作为一种计算机存储介质的存储器204中可以包括操作系统、网络通信模块以及系统评估程序。操作系统是管理和控制智能评估系统硬件和软件资源的程序，支持系统评估程序以及其它软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储器204内部各组件之间的通信，以及与确定气门活塞运动距离的系统中其它硬件和软件之间通信。
在图6所示的确定气门活塞运动距离的系统中，处理器202用于执行存储器204中存储的确定气门活塞运动距离的程序，所述确定气门活塞运动距离的程序用于实现上述任一种确定气门活塞运动距离的方法。
图7和图8显示确定气门活塞运动距离的方法通过VBA程序进行实验得到的仿真结果。图7显示本发明计算得到的发动机基本结构参数表。如图7 所示，在完成基本数据输入的基础上，本发明根据输入的发动机的基本结构参数，例如图7中输入的发动机基本信息，将全系统参数进行内部计算，一次性输出气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图等结果，大幅提高了计算的准确性，省时省力。如图7所示，本发明根据步骤S101输入的发动机的基本结构参数和步骤S104输入的可变气门正时系统的参数，可以于步骤S103和S105得到活塞运动曲线和零部件热膨胀量和积碳数据，进一步于步骤S201、S205和S303获得多组输出数据。输出数据包括发动机各零部件的结构参数和可变气门正时系统的系统参数，例如曲轴、连杆、衬套、活塞、缸垫、缸体、缸盖、气门等的零部件制造公差和装配公差，以及气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图等。图8显示本发明输出的活塞运动曲线图。如图所示，L101是进气门名义运动曲线，L102是进气门工作范围曲线，L103是排气门名义曲线，L104是排气门工作范围曲线。L111 是活塞名义运动曲线，L112是活塞工作范围运动曲线。图8是图7的直观表示，显示了采用本发明技术方案得到的计算结果是合格的，而且能一次计算若干个参数，计算过程快，系统稳健性强。
本发明确定气门活塞运动距离的方法也可以通过其他计算机语言编写的程序实现。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有至少一个程序，所述程序可被至少一个处理器执行以实现上述的确定气门活塞运动距离的方法。
综上所述，本发明为快速、准确的计算出最小气门活塞运动距离，为设计过程节省人力，且避免手工处理数据的错误，考虑到如下两个问题：(1) 如何系统考量发动机的性能要求、发动机基本结构参数、气门&活塞运动轨迹，如图1和2所示的进气门101与排气门103、零部件热膨胀和零部件积碳等因素，来指导发动机结构和性能设计的控制策略；(2)如何采用通用程序，将全系统参数进行内部计算，输出气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图等结果，避免手工处理数据的错误。为解决前述两个问题，本发明创新性的提出了如下两点来解决上述技术问题：(1)系统考量发动机基本结构参数、气门&活塞运动轨迹、零部件热膨胀、积碳等因素和数据，设计工程师仅需要输入和校核基本的结构参数，来指导发动机结构和性能设计的控制策略。并加入统计学的校核方法；(2)在完成基本数据输入的基础上，采用VBA(Visual Basic for Application；Visual Basic应用)程序将全系统参数进行内部计算，一次性输出气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图等结果，大幅提高了计算的准确性，省时省力。
本发明系统考量发动机基本结构参数和性能设计的控制策略，并采用 VBA程序将全系统参数进行内部计算，一次性输出多个计算结果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于，包括：
获取发动机基本结构参数，所述发动机基本结构参数包括以下参数中的多个或全部：曲柄半径、连杆长度、进排气门倾斜角度、曲柄偏心尺寸、活塞偏心尺寸、进排气门和活塞上止点的初始距离；
根据所述发动机基本结构参数和活塞是否偏心，计算得到活塞运动曲线，设计和分配各零部件尺寸公差；
确定可变气门气门升程曲线和可变气门正时系统的工作范围；
确定可变气门正时系统的系统布置和公差分配；
获取零部件热膨胀量和积碳数据；
将所述气门升程曲线和所述活塞运动曲线的横坐标统一转化至相同曲轴转角，并以所述曲轴转角的上止点为零点状态，计算在所述可变气门正时系统最大工作范围时气门活塞之间的第一最小运动间隙；
获取气门活塞出现所述第一最小运动间隙时对应的第一曲轴转角；
判断所述第一最小运动间隙标准值是否大于预定阈值；以及
在所述第一最小运动间隙标准值大于预定阈值时，获取发动机各零部件的尺寸公差和可变气门正时系统的装配公差，计算名义极限状态时气门活塞之间的第二最小运动间隙，并得到出现最小运动间隙时对应的第二曲轴转角。
2.根据权利要求1所述的确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于，还包括：
获取气门活塞出现第二最小运动间隙时对应的第二曲轴转角；
基于统计学，综合发动机各零部件的尺寸公差和可变气门正时系统的装配公差，计算统计学极限状态时，气门活塞之间的第三最小运动间隙，并得出所述第三最小运动间隙时对应的第三曲轴转角；
判断所述第三最小运动间隙标准值是否大于预定阈值；以及
在所述第三最小运动间隙标准值大于预定阈值时，确定发动机各零部件的结构参数和可变气门正时系统的系统参数。
3.根据权利要求2所述的确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于，所述统计学采用了每个参数的实际Cpk值和Rand函数。
4.根据权利要求2所述的确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于，所述可变气门正时系统的系统参数包括气门活塞最小运动距离、对应曲轴转角、结果曲线图。
5.根据权利要求1或2所述的确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于：所述零部件包括：曲轴、连杆、衬套、活塞、缸垫、缸体、缸盖、气门。
6.根据权利要求1所述的确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于，所述尺寸公差包括制造公差和装配公差。
7.根据权利要求1所述的确定气门活塞运动距离的方法，其特征在于，所述确定可变气门正时系统的系统布置和公差分配的步骤，包括确定以下参数中的多个或全部：是否带有VVT定位销，凸轮轴、气门、链条/皮带身长，以及系统装配进排气相位角度的影响。
8.一种确定气门活塞运动距离的系统，其特征在于，所述确定气门活塞运动距离的系统包括：存储器、处理器、通信总线以及存储在所述存储器上的确定气门活塞运动距离的程序；所述通信总线用于实现处理器与存储器间的通信连接；所述处理器用于执行所述确定气门活塞运动距离的程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的确定气门活塞运动距离的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有确定气门活塞运动距离的程序，所述确定气门活塞运动距离的程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7任一项所述的确定气门活塞运动距离的方法的步骤。
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