汽車用配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

汽車用配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

空氣表是發(fā)動機(jī)的重要組成部分。空氣表的性能直接影響到發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，對發(fā)動機(jī)的噪聲和振動有直接影響。近年來，隨著發(fā)動機(jī)低排放和速度傳播的發(fā)展，對其性能指標(biāo)的要求越來越高。在高速行駛條件下，它們?nèi)匀豢梢苑€(wěn)定可靠地工作。因此，對空氣表的設(shè)計要求越來越高。應(yīng)用專用于空氣表的模擬計算軟件，建立空氣表的運(yùn)動學(xué)和動態(tài)模型，進(jìn)行相關(guān)計算，評估運(yùn)動學(xué)和動態(tài)性能，為進(jìn)一步優(yōu)化空氣設(shè)計奠定基礎(chǔ)。應(yīng)用奧地利AVL公司配氣機(jī)構(gòu)模擬計算軟件TYCON,建立車用發(fā)動機(jī)下置式配氣凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型,進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算,并分析了計算結(jié)果,指出可以通過凸輪型線優(yōu)化設(shè)計來改善配氣機(jī)構(gòu)性能.1原油管道模型的構(gòu)建1.1配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模型結(jié)合配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu),應(yīng)用AVLTYCON軟件,簡化配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)部件設(shè)置,建立單閥系運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算模型.發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為下置凸輪軸4氣門機(jī)構(gòu)(2進(jìn)2出),由凸輪、平面挺柱、推桿、搖臂、氣門橋、氣門、氣門彈簧以及氣門座、彈簧鎖夾等組成.根據(jù)AVLTYCON軟件建立的配氣機(jī)構(gòu)計算模型,選取和設(shè)置各部件質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)及發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算分析.建立的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣部分運(yùn)動學(xué)模型如圖1所示.排氣部分運(yùn)動學(xué)模型基本結(jié)構(gòu)與進(jìn)氣部分類似,而排氣部分氣門彈簧為雙彈簧,在運(yùn)動學(xué)模型基礎(chǔ)上再增加凸輪軸轉(zhuǎn)速激勵單元和支撐單元可以得到配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)、排氣部分動力學(xué)模型.1.2氣動剛度分析模型中各部件質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)通過三維軟件UG軟件和有限元軟件ANSYS分析獲取,剛度另外還可以通過實測的方法得到.計算中氣門系統(tǒng)等效為二質(zhì)量當(dāng)量系統(tǒng),包括氣門側(cè)質(zhì)量和凸輪側(cè)質(zhì)量.二質(zhì)量單元由一根代表氣門系統(tǒng)剛度的彈簧相連,氣門彈簧使兩質(zhì)量與上述彈簧保持接觸.1搖臂分量質(zhì)量及確定根據(jù)簡化模型,則氣門側(cè)的有效質(zhì)量為:me=mV+mSR+mS/3+mRE+mP/2r2+mb.各質(zhì)量單元如表1所列.其中:搖臂當(dāng)量質(zhì)量由其慣性矩計算,mRE=Il2?ImRE=Ιl2?Ι為搖臂慣性矩,根據(jù)其三維模型由UG軟件求得,l為搖臂氣門側(cè)長度;r為搖臂比,即氣門側(cè)長度與凸輪側(cè)長度之比.凸輪側(cè)的有效質(zhì)量為整個挺柱質(zhì)量與半個推桿質(zhì)量之和:mC=mT+mP/2,mT為挺柱質(zhì)量,mP為推桿質(zhì)量.2氣體配氣機(jī)構(gòu)剛度計算當(dāng)一定負(fù)荷作用于搖臂的氣門端時,此端上就要產(chǎn)生氣門系統(tǒng)的變形,以總變形去除負(fù)荷所得之商,即為氣門系統(tǒng)的剛度.文中采用有限元軟件ANSYS,通過部件模型,加載求其變形量的方法獲取配氣機(jī)構(gòu)各部件剛度,再按下面公式求得氣門系統(tǒng)剛度.1CVt=1Ccam+1CTappet+1Cp+1CRE+1Cbridge+1CV1CVt=1Ccam+1CΤappet+1Cp+1CRE+1Cbridge+1CV式中:CVt為氣門系統(tǒng)總剛度;Ccam,CTappet,Cp,CRE,Cbridge,CV分別為凸輪、挺柱、推桿、搖臂、氣門橋、氣門的剛度.2標(biāo)定轉(zhuǎn)速下配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析針對該6缸車用發(fā)動機(jī)4氣門配氣機(jī)構(gòu)為對象進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析.采用運(yùn)動學(xué)計算可以得到,發(fā)動機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下氣門運(yùn)動規(guī)律,以及配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)性能指標(biāo),表2列出了配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)特性參數(shù).進(jìn)、排氣門在發(fā)動機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速下的升程、速度、加速度變化曲線如圖2所示.根據(jù)建立的配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型,進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)計算,主要考察氣門落座力、氣門彈簧受力等情況,以及氣門是否存在反跳現(xiàn)象.運(yùn)動學(xué)計算是在假設(shè)配氣機(jī)構(gòu)為剛性前提下進(jìn)行的,而動力學(xué)計算則考慮到機(jī)構(gòu)彈性變形,結(jié)果更接近實際狀況.采用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算凸輪與平面挺柱間接觸應(yīng)力有一定差別.一般運(yùn)動學(xué)計算作為設(shè)計時的參考,最后都要經(jīng)過動力學(xué)分析來驗證.經(jīng)動力學(xué)計算,進(jìn)氣部分凸輪與挺柱間最大接觸應(yīng)力為669.4N/mm2,排氣部分凸輪與挺柱最大接觸應(yīng)力為704.5N/mm2.由計算的結(jié)果來看,進(jìn)、排氣門落座平穩(wěn),氣門彈簧無并圈現(xiàn)象,氣門無反跳現(xiàn)象.3運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)結(jié)果的分析3.1潤滑特性的測定由進(jìn)氣部分運(yùn)動學(xué)計算得到氣門運(yùn)動規(guī)律曲線及其相關(guān)性能指標(biāo)來看,氣門升程曲線的豐滿系數(shù)為0.5243,豐滿系數(shù)不高,進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的充氣性能,有待提高.由于凸輪采用45號鋼材料,而平面挺柱采用冷激鑄鐵,其允許最大接觸應(yīng)力值為650N/mm2,計算得凸輪與平面挺柱間接觸應(yīng)力為669.4N/mm2,超過了允許的應(yīng)力范圍.氣門加速度變化率最大值即最大Jerk值,是評價氣門運(yùn)動平穩(wěn)性的參數(shù),這里最大Jerk值為722.2mm/rad3,沒有超過理想的范圍,表明氣門運(yùn)動是平穩(wěn)的.考查凸輪和平面挺柱間潤滑效果,由凸輪和平面挺柱之間最小油膜厚度計算公式δmin=k0(R0+hT)|2(ρR0+hT)2?(ρR0+hT)|?????????????????√δmin=k0(R0+hΤ)|2(ρR0+hΤ)2-(ρR0+hΤ)|,引入量綱一的凸輪潤滑特性參數(shù)——流體動力評定特性參數(shù)Nr,其定義為Nr=ρR0+hTΝr=ρR0+hΤ,其中R0為凸輪基圓半徑,mm;hT為挺柱升程,mm;ρ為接觸點處凸輪廓線曲率半徑,mm.此特性數(shù)Nr即型線設(shè)計中所指的油膜潤滑系數(shù).為了保證凸輪與挺柱間良好潤滑效果,在凸輪桃尖區(qū)域,最小油膜系數(shù)要求保持在0.15~0.35之間.計算得到進(jìn)氣凸輪與挺柱間油膜系數(shù)最小為0.182,并且在桃尖區(qū)域油膜系數(shù)保持在合理范圍內(nèi),表明進(jìn)氣部分凸輪與平面挺柱潤滑效果良好.凸輪與平面挺柱間接觸應(yīng)力大小以及凸輪與挺柱間油膜潤滑效果對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,才能緩解凸輪與平面挺柱間的磨損狀況.3.2排氣門加速度變化率對排氣部分而言,排氣門升程曲線的豐滿系數(shù)為0.5415,豐滿系數(shù)不夠大,有待提高.凸輪與平面挺柱間接觸應(yīng)力為704.5N/mm2,超過允許的接觸應(yīng)力范圍.排氣門加速度變化率最大值即最大Jerk值為513.2mm/rad3,沒有超過合適的范圍,排氣門運(yùn)動平穩(wěn).在凸輪桃尖區(qū)域,凸輪與平面挺柱間的油膜系數(shù)最小為0.433,超過理想范圍,凸輪與平面挺柱間的潤滑效果不佳,有待改善.由動力學(xué)計算結(jié)果可以看出,排氣門落座平穩(wěn),無反跳現(xiàn)象,氣門彈簧無并圈現(xiàn)象.4配氣機(jī)構(gòu)模擬計算測試在應(yīng)用AVLTYCON軟件進(jìn)行計算分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)部件受力測試.在推桿及搖臂適當(dāng)部位粘貼應(yīng)變片,與動態(tài)應(yīng)變儀橋盒形成半橋或全橋橋路,對需要測試的進(jìn)、排氣推桿及搖臂進(jìn)行了標(biāo)定,形成部件受力與橋路輸出電壓間對應(yīng)關(guān)系.測試時通過記錄動態(tài)應(yīng)變儀輸出的電壓,來獲得部件受力值.圖3為配氣機(jī)構(gòu)受力測試系統(tǒng)示意圖.貼好應(yīng)變片的推桿及搖臂與動態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字示波器連接起來,組成測試系統(tǒng).在發(fā)動機(jī)自由端安裝角標(biāo)傳感器獲取上止點信號及角度信號.保證測試的推桿及搖臂受力與模擬計算結(jié)果保持對應(yīng)關(guān)系.根據(jù)測試得到的進(jìn)、排氣推桿及搖臂受力與相應(yīng)計算受力曲線對比,可以看出,模擬計算與受力測試結(jié)果基本是一致的.確認(rèn)了配氣機(jī)構(gòu)模擬計算的有效性.圖4列出了在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣推桿受力計算與受力測試對比曲線.5潤滑系數(shù)優(yōu)化文中通過對車用發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)排氣部分進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算,分析了該車用發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性,可以得出:(1)進(jìn)氣部分豐滿系數(shù)不夠大,有待提高,凸輪與平面挺柱間最大接觸應(yīng)力偏大,有一定優(yōu)化空間;凸輪與挺柱間油膜潤滑系數(shù)合適,潤滑效果較好;氣門落座平穩(wěn),無反跳現(xiàn)象;(2)排氣部分豐滿系數(shù)不夠大,有待提高,凸輪與平面挺柱間最大接觸應(yīng)力偏大,有待降低;凸輪與平面挺柱間潤滑系數(shù)偏大,潤滑效果不好,