配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、北京汽車北京汽車文章編號(hào)：1002-4581（2008）05-0024-04配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)余志敏，羅馬吉，于佳，張超建，顏伏伍，（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院湖北武漢；江蘇江淮動(dòng)力股份有限公司江蘇鹽城）摘要：應(yīng)用軟件對(duì)某柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，以便對(duì)配氣凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過氣門豐滿系數(shù)、凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力和潤滑效果、氣門落座時(shí)是否出現(xiàn)反跳、氣門彈簧是否出現(xiàn)并圈來評(píng)價(jià)凸輪型線的可行性。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；配氣機(jī)構(gòu)；凸輪型線；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：0引言凸輪型線的設(shè)計(jì)已從靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)展到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

2、設(shè)計(jì)考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形，可更精確地描述配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并統(tǒng)一考慮機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與凸輪型線，從而實(shí)現(xiàn)凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)。提供了配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算及配氣凸輪型線改進(jìn)設(shè)計(jì)模塊。本文使用該軟件對(duì)某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)建立配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，并分析計(jì)算結(jié)果，通過氣門豐滿系數(shù)，凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力和潤滑效果、氣門落座時(shí)是否出現(xiàn)反跳、氣門彈簧是否出現(xiàn)并圈來評(píng)價(jià)凸輪型線的可行性。1配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型的建立根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用軟件建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，建立的進(jìn)氣部分動(dòng)力學(xué)模型如圖所示。排氣部分動(dòng)力學(xué)模型與進(jìn)氣部分類似，而運(yùn)

3、動(dòng)學(xué)模型就是在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上減少凸輪軸轉(zhuǎn)速激勵(lì)單元和支撐單元。計(jì)算模型中將實(shí)際的配氣機(jī)構(gòu)描述成一個(gè)串連的質(zhì)量系統(tǒng)，大部分零件都可以描述成由彈簧、阻尼、質(zhì)量三部分組成的元素，參數(shù)設(shè)置完全按照該款發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際參數(shù)輸入。圖配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣部分動(dòng)力學(xué)模型2凸輪型線設(shè)計(jì)方法發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線的設(shè)計(jì)也就是對(duì)凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)。 從動(dòng)件升程規(guī)律的·配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)···北京汽車北京汽車微小差異會(huì)引起加速度規(guī)律的很大變動(dòng)，在確定從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律最為重要。凸輪型線設(shè)計(jì)包括工作段設(shè)計(jì)和緩沖段設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法通常用其工作段運(yùn)動(dòng)規(guī)律來命

4、名。（）工作段設(shè)計(jì)工作段是配氣凸輪型線的關(guān)鍵部分，直接影響到配氣機(jī)構(gòu)的性能。氣門最大升程由發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)性能要求決定，而凸輪的最大升程是由氣門最大升程和氣門間隙決定的。軟件提供了三種常用的配氣凸輪工作段設(shè)計(jì)方法：氣門多項(xiàng)動(dòng)力凸輪（）、氣門等加速凸輪（）、氣門分段加速度函數(shù)凸輪（組合多項(xiàng)式型中的一種）。多項(xiàng)動(dòng)力凸輪基本工作段的氣門升程曲線是由高次多項(xiàng)式來設(shè)計(jì)的，然后考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形來進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)，特點(diǎn)是氣門升程曲線取某種高次多項(xiàng)式，這種凸輪具有良好的高速適應(yīng)性，考慮了配氣機(jī)構(gòu)存在的彈性變形。對(duì)于高次多項(xiàng)式，其冪指數(shù)選取對(duì)氣門升程的豐滿程度以及加速度曲線形狀等均有直接影響。本文凸輪型線的優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)采用了氣門多項(xiàng)動(dòng)力凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。（）緩沖段設(shè)計(jì)凸輪型線上的緩沖段高度主要是用于消除氣門間隙和配氣機(jī)構(gòu)彈性形變。凸輪所對(duì)應(yīng)的挺柱升程曲線在上升段和下降段各有一緩沖段，目前所見到的多數(shù)設(shè)計(jì)其上升和下降緩沖段取成相同的。緩沖段基本曲線類型要兼顧到緩沖段高度和緩沖段末段速度，其所占凸輪轉(zhuǎn)角一般在°°之間，高度一般為之間。在本次凸輪型線設(shè)計(jì)中采用的是相同的上下緩沖段，緩沖段曲線型式為等加速等速緩沖段，上升和下降緩沖段高度取為，緩沖段末段速度取為。3運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算由于配氣機(jī)構(gòu)常常具有較大的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和相對(duì)較小的機(jī)構(gòu)剛度，故在運(yùn)行中往往會(huì)產(chǎn)生較大的變形和強(qiáng)烈的彈性振動(dòng)，使氣門不能按照

6、凸輪所給定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生配氣機(jī)構(gòu)故障：機(jī)構(gòu)脫離、彈跳，氣門落座速度過大，機(jī)構(gòu)各部件間沖擊力大，彈簧振動(dòng)大及疲勞破壞。配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，是根據(jù)作用在彈性系統(tǒng)中各零件上力的平衡關(guān)系，考慮系統(tǒng)中的阻尼、間隙、脫離、落座等各種因素，建立氣門運(yùn)動(dòng)的微分方程，求解一定轉(zhuǎn)速下氣門及其傳動(dòng)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況和受力情況，為設(shè)計(jì)和改進(jìn)配氣機(jī)構(gòu)提供依據(jù)。（）運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算采用運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算可以得到氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)所建立的配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)用多項(xiàng)動(dòng)力凸輪方法進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)、排氣門的升程、速度、加速度變化曲線如圖、圖所示，可以看出氣門升程曲線、加速度曲線連續(xù)光滑，加速度曲線在氣門落座時(shí)速度出現(xiàn)小幅跳動(dòng)。

7、圖進(jìn)氣門升程、速度、加速度曲線圖排氣門升程、速度、加速度曲線為了保證凸輪與從動(dòng)件之間良好潤滑效果，一般用流體動(dòng)力評(píng)定特性數(shù)判定：R 式中為接觸點(diǎn)處凸輪型線曲率半徑，R 為凸輪基圓半徑，h 為挺柱升程， 此特性數(shù)即為文·配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)···北京汽車北京汽車中所指的油膜潤滑系數(shù)。由的定義可以知道最小油膜系數(shù)發(fā)生在凸輪桃尖區(qū)域，最小油膜系數(shù)要求保持在之間。進(jìn)、排氣凸輪與挺柱之間油膜系數(shù)曲線如圖、圖所示。在進(jìn)、排氣凸輪桃尖區(qū)可以看出該設(shè)計(jì)的最小油膜系數(shù)分別為、，都在合適的范圍內(nèi)，表明進(jìn)、排氣部分凸輪與挺柱潤滑效果良好。凸輪與挺柱間接觸應(yīng)力大

8、小以及凸輪與挺柱間油膜潤滑效果對(duì)凸輪與挺柱間磨損情況有直接影響，保證合適的接觸應(yīng)力和合理的潤滑效果，才能緩解凸輪與挺柱間的磨損情況。圖進(jìn)氣凸輪與挺柱之間油膜系數(shù)曲線圖排氣凸輪與挺柱之間油膜系數(shù)曲線（）動(dòng)力學(xué)計(jì)算根據(jù)建立的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，在配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，考慮了每個(gè)零件的彈性變形，計(jì)算了氣門及其傳動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)和受力情況。動(dòng)力學(xué)結(jié)果評(píng)價(jià)主要考察氣門落座力，氣門彈簧受力以及氣門是否存在反跳，凸輪和從動(dòng)件之間是否存在飛脫現(xiàn)象。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的計(jì)算結(jié)果，把優(yōu)化得到的凸輪升程數(shù)據(jù)導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型中，配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到進(jìn)氣門實(shí)際升程曲線、進(jìn)氣門速度、進(jìn)氣門內(nèi)外彈簧各圈受力情

9、況如圖、圖、圖、圖所示。圖進(jìn)氣門實(shí)際升程曲線圖進(jìn)氣門速度曲線圖進(jìn)氣門外彈簧各圈受力情況圖進(jìn)氣門內(nèi)彈簧各圈受力情況根據(jù)氣門的速度曲線可以看出氣門關(guān)閉落座有輕微反跳，但波動(dòng)幅度很小，在允許范圍內(nèi)，可以忽略。從內(nèi)外彈簧的受力情況可以看出，進(jìn)氣門內(nèi)外彈簧均未出現(xiàn)并圈現(xiàn)象。另外根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可以得到凸輪和挺柱之間的接觸應(yīng)力在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中始終大于零，說明兩者之間沒有飛脫現(xiàn)象。對(duì)比運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算的氣門升程數(shù)據(jù)，可以看出，在運(yùn)動(dòng)學(xué)下的氣門最大升程和在動(dòng)力學(xué)下的氣門最大升程之間存在差異，動(dòng)力學(xué)計(jì)算出來的氣門升程比運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出來的氣門升程小，這主要是配氣機(jī)構(gòu)本身的剛度相對(duì)較小，部件熱脹冷縮，且運(yùn)動(dòng)部件本身在運(yùn)

10、動(dòng)過程中的彈 性變形導(dǎo)致實(shí)際的氣門并不是按照理論設(shè)計(jì)的·配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)···北京汽車北京汽車從表和圖中看出，除第一、二階模態(tài)和第十階模態(tài)誤差相對(duì)較大外，其余都基本一致。4討論通過有限元方法和試驗(yàn)方法，分別得到了白車身模態(tài)的計(jì)算值和試驗(yàn)值，二者對(duì)比結(jié)果顯示，試驗(yàn)和計(jì)算值之間頻率的誤差控制在之內(nèi)，并且振型基本一致，證明建模方法基本正確，分析造成其中較大誤差的原因主要有如下幾種：（）測量自由度與有限元模型中的自由度不一致。（）實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)數(shù)據(jù)組不完整。（）噪聲侵染了測量。（）阻尼沒有被準(zhǔn)確地包含在有限元模型中。對(duì)于上述問題可以借助模型修正技術(shù)

11、予以有效解決或改進(jìn)。模型修正技術(shù)可以根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)并校正有限元模型，模型修正分析的結(jié)果是一個(gè)用以進(jìn)一步預(yù)測的更為精確的有限元模型，可以作為后一階段所要做的工作。參考文獻(xiàn)張平轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車技術(shù)，（）：沃德·海倫，斯蒂芬·拉門茲，波爾·薩斯模態(tài)分析理論與試驗(yàn)北京理工大學(xué)出版社，收稿日期：階數(shù)固有頻率模態(tài)振型描述誤差（）試驗(yàn)計(jì)算車身繞軸扭轉(zhuǎn)和平移組合模態(tài)車身繞軸一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)車身繞軸扭轉(zhuǎn)和局部模態(tài)車身繞軸一階彎曲模態(tài)；頂部反向振動(dòng)車身繞軸的二階彎曲模態(tài)車身繞軸的二階彎曲；車身頭部局部模態(tài)車身頭部局部模態(tài)車身繞軸二階扭轉(zhuǎn)及車身后部局部模態(tài)車身頭部扭轉(zhuǎn)及

12、后部局部模態(tài)車身扭轉(zhuǎn)及彎曲組合及后部局部模態(tài)表1分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較曲線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)計(jì)算的氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律更接近實(shí)際情況。4結(jié)論（）通過建立柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)過計(jì)算分析，優(yōu)化了凸輪型線，并從氣門豐滿系數(shù)、凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力和潤滑效果、氣門落座時(shí)是否出現(xiàn)反跳、氣門彈簧是否出現(xiàn)并圈來評(píng)價(jià)該凸輪型線可行性。為了在實(shí)際情況中檢驗(yàn)此次凸輪型線的設(shè)計(jì)是否合理，需要進(jìn)行有關(guān)性能試驗(yàn)。（）應(yīng)用軟件所采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)仿真方法，能使配氣機(jī)構(gòu)具有較佳的充氣性能和良好的動(dòng)態(tài)性能。運(yùn)用系統(tǒng)仿真的方法，可在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)性能影響的仿真實(shí)驗(yàn)，在新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)或改進(jìn)設(shè)計(jì)過程中，大幅度提高其設(shè)計(jì)