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汽車發動機氣門彈簧的最優化設計與計算分析論文
0引言
配氣機構是汽車發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、質量要輕、彈力要小以及避免在工作時發生顫振現象。本文對氣門彈簧設計的變量、目標函數及約束條件進行了分析，提出了氣門彈簧優化設計的數學模型，并進行實例驗證數學模型的可行性，旨在克服傳統設計方法耗費大量人力物力的缺陷，降低制造成本，提高產品的市場核心竟爭力。
1氣門彈簧最優化設計數學原理
1.1最優化參數的確定
圓柱形螺旋氣門彈簧設計時，除選材料及規定熱處理要求外，主要是根據最大工作載荷、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n、節距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n為最優化設計的設計變量。
1. 2建立最優目標函數
目標函數可根據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最大作為最優化設計的目標;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化設計的目標，本文以彈簧彈力最小作為最優化設計的目標。
1 .3最優化設計數學模型的確定
由上述得到的最優化條件和約束條件，其數學模型可以歸結。
2氣門彈簧實例設計計算
設對江鈴某一小型柴油發動機氣門彈簧進行優化，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化后的彈簧則整臺發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動機的輸出功率。與傳統的彈簧設計方法相比，提高了發動機的燃油經濟效益，從而大大提高了市場競爭力。
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