基于175F柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析

朱海鋒，陳聰，譚楊，謝亞軍，王澤湘

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

175F型柴油機(jī)作為一種通用動(dòng)力源在湖南地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但對(duì)其配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行的動(dòng)力學(xué)研究較少。此型柴油機(jī)采用底置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)決定了其進(jìn)排氣特性，繼而影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程，它的設(shè)計(jì)是否優(yōu)良最終影響了內(nèi)燃機(jī)的各項(xiàng)性能。通過(guò)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模擬能了解到其各個(gè)零件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況、所受載荷變化規(guī)律；或者預(yù)知飛脫、反跳等不正常工況，判斷設(shè)計(jì)是否合理，工作是否可靠，從而在不進(jìn)行實(shí)機(jī)驗(yàn)證的情況下對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。因此對(duì)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析的工作是必要的。

1 175F柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)組成

175F型機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門(mén)、氣門(mén)彈簧及鎖夾等零部件組成。采用下置式凸輪軸結(jié)構(gòu)、每缸二氣門(mén)型式、一體式進(jìn)排氣凸輪軸，通過(guò)實(shí)體測(cè)繪后使用Pro/E軟件建立了該機(jī)構(gòu)的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 三維幾何模型

2 175F柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的仿真分析

2.1 建模準(zhǔn)備工作

底置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)其主要部件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)由三維軟件Pro/E計(jì)算得到。部件幾何位置關(guān)系，也有Pro/E計(jì)算得到。剛度、阻尼等由試驗(yàn)測(cè)得。動(dòng)力學(xué)建模不同于運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，將搖臂與氣門(mén)接觸處的曲線——曲線約束解除，而代之以碰撞力；氣門(mén)與氣門(mén)座之間，也定義一對(duì)碰撞力，模擬氣門(mén)落座力；搖臂的支撐鉸鏈解除，代之以柔性襯套；此外還定義氣門(mén)與機(jī)體間的彈簧力。為考察仿真過(guò)程中參數(shù)的變化，還要預(yù)先定義凸輪壓力角、凸輪與搖臂間相對(duì)滑移、搖臂與氣門(mén)間相對(duì)滑移等參數(shù)，以便以后處理時(shí)觀察仿真結(jié)果。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)及其配氣機(jī)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 在ADAMS中定義仿真模型

ADAMS/Engine是MSC與FEV和國(guó)際領(lǐng)先的發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā)的軟件包，用于功能數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)?；贏DAMS動(dòng)力學(xué)仿真，ADAMS/Engine提供了一整套標(biāo)準(zhǔn)化的仿真工具和方法，允許設(shè)計(jì)、測(cè)試、研發(fā)等各部門(mén)共享發(fā)動(dòng)機(jī)模型和數(shù)據(jù)，同時(shí)基于模板的軟件環(huán)境中獲取發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)專家知識(shí)。在這里模型的配置按照以下步驟進(jìn)行:

①創(chuàng)建配氣子系統(tǒng)，即創(chuàng)建推桿-搖臂型子系統(tǒng)。②替換氣門(mén)彈簧，選擇系統(tǒng)配置的“Vspring_mms”氣門(mén)彈簧。③修改板的半徑，“ModifyPlate”對(duì)話框中配置參數(shù)“16”。④修改配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)，在“ParameterVariable”文本框中輸入測(cè)量值設(shè)定彈簧安裝長(zhǎng)度、挺柱高度、推桿長(zhǎng)度。⑤氣門(mén)系統(tǒng)創(chuàng)建，選擇默認(rèn)的“_MDI_SVT_TESTRIG”作為試驗(yàn)臺(tái)。⑥修改凸輪包角，通過(guò)菜單把包角設(shè)為“90°”。⑦執(zhí)行分析，在彈出的“SingleValveTrain Analysis:SteadyState”對(duì)話框中輸入如圖2所示的分析參數(shù)。

圖2 對(duì)話框圖

圖3 氣門(mén)升程曲線

2.3 仿真結(jié)果分析

圖4 氣門(mén)速度曲線

（1）氣門(mén)升程及速度曲線分析。氣門(mén)升程及速度曲線分析。如圖3和圖4所示分別為氣門(mén)升程曲線和氣門(mén)速度曲線，其光滑連續(xù)，配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)不連續(xù)的情況，說(shuō)明氣門(mén)無(wú)飛脫現(xiàn)象產(chǎn)生。一般對(duì)于合金鋼材料的氣門(mén)座圈，其落座速度應(yīng)小于0.6m/s,對(duì)于鑄鐵及粉末冶金材料的氣門(mén)座圈，其落座速度應(yīng)小于0.3m/s,由氣門(mén)速度曲線可以得到最大氣門(mén)落座速度為0.25m/s小于許用落座速度，氣門(mén)升程曲線連續(xù)且在閉合處無(wú)波動(dòng)，氣門(mén)落座速度也無(wú)跳動(dòng)，表明氣門(mén)不存在反跳現(xiàn)象。

（2）氣門(mén)加速度曲線分析。氣門(mén)加速度是衡量配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性的重要參數(shù)，加速度曲線應(yīng)該比較平順不能出現(xiàn)突變。在凸輪型線設(shè)計(jì)中，常將其正向加速度峰值和反向加速度峰值作為約束條件，控制凸輪接觸應(yīng)力以及防止機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生氣門(mén)飛脫。由加速度圖4可以看出，進(jìn)氣門(mén)加速度圖可以看出，加速度最大值為27888m/s2,在允許的范圍內(nèi)。圖4表示了2600r/min時(shí)氣門(mén)加速度曲線，該曲線表明氣門(mén)最大正負(fù)加速度均未超出許可值范圍，說(shuō)明氣門(mén)具有較好平穩(wěn)性，沒(méi)有發(fā)生反跳和飛脫等現(xiàn)象。

（3）凸輪與挺柱接觸力和接觸應(yīng)力。圖5與圖6分別為凸輪挺柱

圖5 凸輪挺柱接觸力

圖6 凸輪挺柱接觸應(yīng)力曲線

接觸力和接觸應(yīng)力曲線。從圖中可以看出凸輪和搖臂工作接觸過(guò)程中無(wú)脫離現(xiàn)象。在配氣機(jī)構(gòu)組成零件中凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力最為嚴(yán)重。二者是發(fā)動(dòng)機(jī)中一對(duì)重要的摩擦副，很容易發(fā)生過(guò)早磨損、刮傷、點(diǎn)蝕、甚至碎裂等故障，因此在設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行校核計(jì)算。

凸輪與挺柱接觸表面的工作可靠性一般用接觸面的最大接觸應(yīng)力來(lái)估算一般用接觸面的最大接觸應(yīng)力來(lái)估算，由于凸輪與挺柱使用不同材料，二者之間允許接觸應(yīng)力大小不一樣，因此必須選擇恰當(dāng)?shù)呐鋵?duì)材質(zhì)、熱處理和表面處理方式，以及合適的挺柱型式，使接觸應(yīng)力低于許用應(yīng)力范圍，就可以緩解二者之間的磨損。

在2600r/min時(shí)，該種結(jié)構(gòu)型式下凸輪與挺柱接觸應(yīng)力情況，如上圖6所示。由曲線分析可以得出:最大接觸應(yīng)力為，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該種結(jié)構(gòu)型式下的最大接觸應(yīng)力不超過(guò)常見(jiàn)值范圍（一般小于600MPa），那么凸輪與挺柱皆具有良好的抗磨損、抗刮傷和抗點(diǎn)蝕的性能，因此這對(duì)摩擦副的可靠性較高。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)175F柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)繪，建模，利用ADAMS/Engine模塊，獲得了十分有價(jià)值的仿真結(jié)果，通過(guò)對(duì)這些結(jié)果的分析，在設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分的提高了設(shè)計(jì)效率。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也表面，配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算是一種有效、可靠及準(zhǔn)確度高的設(shè)計(jì)方法，它為凸輪型線和配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)，使內(nèi)燃機(jī)具有更好的外特性，不僅功率和扭矩得到提升，而且還可以降低配氣機(jī)構(gòu)零部件磨損，提高柴油機(jī)性能和使用壽命。使用ADAMS/Engine模塊對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，獲得了該柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的主要?jiǎng)恿W(xué)性能參數(shù):凸輪——挺柱接觸壓力、應(yīng)力，氣門(mén)升程，氣門(mén)速度和加速度曲線，并根據(jù)仿真結(jié)果評(píng)價(jià)了該型柴油機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能，為后續(xù)改進(jìn)提供了參考。

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