泛亞C14發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)單閥系動(dòng)力學(xué)分析

許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張加麗 薄關(guān)鋒

1.引言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是否優(yōu)越，工作是否可靠，噪音與振動(dòng)能否控制在較低的限度，常常與其配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理有密切關(guān)系。特別是在高速情況下，要保證其在較惡劣的條件下仍能平穩(wěn)可靠的工作。模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究是內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)研究?jī)煞N重要手段[1]。

2.C14發(fā)動(dòng)機(jī)單閥系配氣機(jī)構(gòu)（SVT）模型的建立

C14發(fā)動(dòng)機(jī)單閥系的建?？紤]在升程方向的拉壓彎變形（單自由度模型），模型中的所有元件都有一個(gè)自由度——即氣門(mén)升程方向，模型中主要考慮的是旋轉(zhuǎn)慣性力，不考慮重力的影響[2-3]。C14發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)屬于帶機(jī)械式平面挺柱的頂置凸輪軸氣門(mén)頂置式配氣機(jī)構(gòu)（OHC），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 C14配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

用AVL TYCON軟件將其轉(zhuǎn)化成多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型[4-6]，如圖2所示。

圖2 C14配氣機(jī)構(gòu)TYCON多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型

3.C14發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的分析

3.1 C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200 rpm和6500rpm下進(jìn)排氣凸輪與挺柱間接觸應(yīng)力的數(shù)據(jù)分析

C14發(fā)動(dòng)機(jī)在6200rpm轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣凸輪與挺柱間最大接觸應(yīng)力為834.541MPa，排氣凸輪與挺柱間最大接觸應(yīng)力為702.955MPa，在許用接觸應(yīng)力范圍內(nèi)。C14發(fā)動(dòng)機(jī)在6500rpm轉(zhuǎn)速下，進(jìn)氣凸輪與挺柱間最大接觸應(yīng)力為665.961MPa，在許用接觸應(yīng)力范圍內(nèi)；排氣凸輪與挺柱間最大接觸應(yīng)力為1238.85MP，超過(guò)許用接觸應(yīng)力，接觸應(yīng)力峰值與排氣背壓的加載有很大關(guān)系。

3.2 C14發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪與挺柱間的飛脫問(wèn)題的數(shù)據(jù)分析

由C14發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力，可以看出C14發(fā)動(dòng)機(jī)均有明顯的飛脫現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)速由6200rpm升至6500rpm，凸輪與挺柱間的飛脫問(wèn)題尤其嚴(yán)重。造成飛脫的原因可能有：

（1）凸輪型線設(shè)計(jì)過(guò)陡，減速過(guò)大，導(dǎo)致平面挺柱慣性力加大，使得挺柱的慣性力大于氣門(mén)彈簧力（FSpring=FPrel+k△l）。可以修改凸輪型線以降低負(fù)加速度大??；

（2）閥系剛度不足以抵消零件慣性的影響。車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)閥系總剛度Ctotal為：

其中：Ctotal為閥系總剛度，C1，C2…..Cn為閥系各部件剛度。

由于C14發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧在自由長(zhǎng)度下的剛度只有18.02N/mm，故導(dǎo)致閥系總剛度偏低，可適當(dāng)增大氣門(mén)彈簧的剛度以增加整個(gè)閥系剛度或增大彈簧預(yù)緊力，凸輪與挺柱間飛脫問(wèn)題可有大大改善。

（3）由于凸輪與挺柱發(fā)生飛脫是因?yàn)橥χ膽T性力大于氣門(mén)彈簧力，故可以適當(dāng)加大彈簧預(yù)緊力，可以改善飛脫現(xiàn)象，但過(guò)大的彈簧力會(huì)使氣門(mén)落座力增大，加劇其磨損。

3.3 C14發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑效果的數(shù)據(jù)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑效果的評(píng)價(jià)主要考察潤(rùn)滑油膜厚度。潤(rùn)滑油膜厚度用來(lái)評(píng)價(jià)凸輪與平面挺柱間的液體動(dòng)力學(xué)潤(rùn)滑條件，凸輪與平面挺柱間的最小潤(rùn)滑油膜厚度可由Dowson’s and Higginson’s公式導(dǎo)出：

其中：平面R——接觸點(diǎn)處凸輪的曲率半徑，RB——基圓半徑，z0——平面挺柱升程（凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門(mén)升程）。

利用TYCON軟件進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析，得出的數(shù)據(jù)：C14發(fā)動(dòng)機(jī)在6200rpm下進(jìn)氣凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑油膜厚度最小值為39.3088μm>15μm，排氣凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑油膜厚度最小值為32.2543μm>15μm，潤(rùn)滑效果符合要求。C14發(fā)動(dòng)機(jī)在6500rpm下進(jìn)氣凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑油膜厚度最小值為17.0131μm>15μm，排氣凸輪與挺柱間的潤(rùn)滑油膜厚度最小值為24.705μm>15μm，潤(rùn)滑效果符合要求。

3.4 C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200 rpm和6500rpm下進(jìn)排氣閥落座反跳情況、進(jìn)排氣閥面受力和氣閥落座力情況的數(shù)據(jù)分析

由TYCON軟件模擬得到的C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200rpm和6500rpm下進(jìn)氣閥位移和速度可以看出進(jìn)排氣閥落座時(shí)沒(méi)有明顯的反跳現(xiàn)象。進(jìn)氣閥面受力和閥面落座力均在限值范圍，而對(duì)于C14排氣閥，氣閥落座力驟然增加是由于排氣背壓作用于閥面上，大大增加了氣門(mén)落座力。

3.5 C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200 rpm和6500rpm下進(jìn)排氣閥落座速度的數(shù)據(jù)分析

C14發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)落座速度均在1.0m/s范圍之內(nèi)，即使對(duì)于排氣閥，有背壓的加載雖然使得氣門(mén)速度曲線有較大波動(dòng)，但排氣閥落座速度也＜1.0m/s。

3.6 C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200 rpm和6500rpm下進(jìn)排氣門(mén)彈簧各有效圈動(dòng)力特性及彈簧力的數(shù)據(jù)分析

由TYCON軟件模擬得到的C14進(jìn)排氣門(mén)彈簧各有效圈的位移以及氣門(mén)彈簧各圈的幾何位置可以判斷C14發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧各有效圈在6200rpm和6500rpm轉(zhuǎn)速下均無(wú)并圈現(xiàn)象。C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200rpm和6500rpm下進(jìn)排氣門(mén)彈簧力，其最大值為339.793N（C14發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為6200rpm下的最大進(jìn)氣門(mén)彈簧力），在許用彈簧力范圍之內(nèi)。

3.7 C14發(fā)動(dòng)機(jī)豐滿(mǎn)系數(shù)ζ的分析

由氣門(mén)升程的豐滿(mǎn)系數(shù)公式：

可以分別計(jì)算出C14發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣氣門(mén)升程的豐滿(mǎn)系數(shù)。

或由TYCON軟件中Cam Design功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)C14發(fā)動(dòng)機(jī)豐滿(mǎn)系數(shù)ζ的計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果為：C14進(jìn)氣門(mén)升程豐滿(mǎn)系數(shù)ζ=0.5829；C14排氣門(mén)升程豐滿(mǎn)系數(shù)ζ=0.58128。均大于0.55，氣門(mén)升程豐滿(mǎn)系數(shù)符合要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

以上利用TYCON軟件分別分析評(píng)價(jià)了C14配氣機(jī)構(gòu)中凸輪與平面挺柱之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，包括：凸輪與挺柱接觸應(yīng)力、飛脫以及潤(rùn)滑油膜厚度的評(píng)價(jià)；氣閥落座情況包括：氣閥落座反跳、氣閥落座力和氣門(mén)閥面受力以及氣閥落座速度的評(píng)價(jià)；氣閥彈簧各有效圈動(dòng)力特性包括：氣閥彈簧并圈、共振以及氣門(mén)彈簧力過(guò)大和沖擊等。

[1]覃文潔,賀建強(qiáng),李志輝.基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的某V型發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)總成的動(dòng)態(tài)仿真研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009(10):869-872.

[2]楊曉,郭濤.基于ADAMS的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[J].裝備制造技術(shù),2010(9):7-9．

[3]劉曉勇,董小瑞.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007(12):50．

[4]景麗萍.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[D].山東大學(xué),2006．

[5]徐小明.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及其振動(dòng)特性分析[D].華中科技大學(xué),2007.

[6]馮仁華.發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué),2009．