某發(fā)動機(jī)單閥系運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

韋善景 周正群 梁稱邦

【摘 要】某增壓發(fā)動機(jī)在開發(fā)過程中出現(xiàn)高轉(zhuǎn)速性能下降、排氣門座圈磨損的問題。為分析其原因，基于valdyn軟件對發(fā)動機(jī)單閥系進(jìn)行一維建模并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，彈簧力小造成氣門反跳從而加大氣門與氣門座之間的應(yīng)力是造成該問題的主要原因。在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，發(fā)動機(jī)性能得到相應(yīng)改善。由此可知，氣門彈簧是閥系系統(tǒng)中的重中之重，單閥系運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真可以對閥系能否正常工作進(jìn)行評估，預(yù)知設(shè)計(jì)缺陷并及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，縮短開發(fā)周期。

【關(guān)鍵詞】增壓發(fā)動機(jī)；valdyn；運(yùn)動學(xué)；動力學(xué)；氣門彈簧

【中圖分類號】U464.13 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）04-0052-04

0 前言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，也是發(fā)動機(jī)振動與噪聲來源之一。閥系動力學(xué)的好壞直接影響配氣機(jī)構(gòu)的振動、噪聲乃至機(jī)構(gòu)本身的強(qiáng)度[1]。由于配氣機(jī)構(gòu)的整個(gè)傳動鏈具有一系列的幾何形狀、剛度和質(zhì)量，工作時(shí)就會產(chǎn)生彈性變形，使位于傳動鏈末端氣門處的運(yùn)動產(chǎn)生很大畸變，從而改變配氣機(jī)構(gòu)內(nèi)部零件之間的相互作用力，造成飛脫、反跳、應(yīng)力過大等一系列問題。因此，有必要對內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算，以便對其動力性能進(jìn)行評價(jià)，并為配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[2]。本文針對某增壓發(fā)動機(jī)出現(xiàn)性能下降、氣門燒蝕等問題，基于valdyn軟件，建立單閥系一維模型，對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行仿真計(jì)算并評估，找出失效原因并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 失效描述及原因分析

某增壓汽油發(fā)動機(jī)在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速性能下降，后經(jīng)拆機(jī)發(fā)現(xiàn)排氣側(cè)氣門座磨損嚴(yán)重（如圖1所示），查找原因發(fā)現(xiàn)氣門彈簧沿用同排量自然吸氣發(fā)動機(jī)彈簧（之前經(jīng)過經(jīng)典公式計(jì)算，滿足要求），推測為彈簧力不足造成配氣機(jī)構(gòu)無法正常工作。后經(jīng)一維建模，進(jìn)行單閥系動力學(xué)模擬仿真。結(jié)果顯示：氣門有反跳跡象，表明氣門彈簧力不足，造成氣門反跳和氣門關(guān)閉不嚴(yán)，從而造成漏氣現(xiàn)象，同時(shí)加大氣門落座力和氣門座圈磨損。

2 一維模型建立

2.1 搭建運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型

運(yùn)動學(xué)主要分析計(jì)算在凸輪型線和彈簧作用下氣門的運(yùn)動規(guī)律，以及在運(yùn)動過程中各連接件之間的潤滑效果。按圖2搭建單閥系運(yùn)動學(xué)模型。動力學(xué)是將各相對運(yùn)動件的質(zhì)量、剛度，相互之間的阻尼和力對系統(tǒng)運(yùn)動過程中的影響反映到仿真計(jì)算中，這樣能更加準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)運(yùn)動的真實(shí)性。按圖3所示搭建發(fā)動機(jī)單閥系模型。

2.2 參數(shù)輸入

運(yùn)動學(xué)輸入?yún)?shù)主要是輸入零件的幾何尺寸和相對位置關(guān)系，而動力學(xué)輸入?yún)?shù)主要是氣門、凸輪軸、挺柱等的當(dāng)量質(zhì)量、剛度，以及各運(yùn)動件之間的阻尼。此外，在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計(jì)算中，潤滑油的特性也是考慮范圍。在本文中，各零件質(zhì)量及幾何尺寸在UG中測量，零件的剛度和阻尼采用了經(jīng)典公式計(jì)算，潤滑油黏度為機(jī)油黏度，即0.008 pa.s，氣門最大升程為7.58 mm，彈簧預(yù)緊力為156 N，彈簧工作剛度為17.02 N/mm。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 運(yùn)動學(xué)計(jì)算結(jié)果及分析

3.1.1 緩沖段速度

緩沖段末端速度大小是影響閥系NVH性能和耐久的重要因素。緩沖段末端速度過大，氣門在上升階段所受撞擊大，NVH差，凸桃磨損大；如果速度太小，則造成氣門打開慢，不利于進(jìn)排氣。經(jīng)仿真計(jì)算，緩沖段末端開啟側(cè)和關(guān)閉側(cè)速度均為0.234 m/s@5 400 rpm。滿足要求。

3.1.2 凸桃與挺柱之間最大接觸應(yīng)力

這是評價(jià)閥系在相對運(yùn)動過程中的受力影響，最大接觸應(yīng)力大小直接影響凸桃的磨損，一般情況下將其控制在700 MPa最為理想。經(jīng)計(jì)算得知：最大接觸應(yīng)力為623 MPa。

3.1.3 凸桃潤滑

（1）“0.4（2）桃尖“D&W”值、油膜厚度。桃尖一般是整個(gè)凸桃受力最大的地方，桃尖潤滑極為重要。計(jì)算結(jié)果顯示：桃尖“D&W”值為0.152；油膜厚度為0.031 9 um @1 000 rpm。滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，閥系運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果滿足要求。

3.2 動力學(xué)計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.1 動力學(xué)分析

（1）彈簧安全系數(shù)。彈簧安全系數(shù)是評價(jià)彈簧在閥系運(yùn)動過程中是否會因強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生失效的方法之一。

（2）氣門關(guān)閉后彈簧中點(diǎn)位移。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中氣門關(guān)閉后彈簧中點(diǎn)位移不宜太大。位移太大會導(dǎo)致彈簧預(yù)緊力的波動，使得氣門有重新開啟的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也將影響彈簧和彈簧座的耐久性。

（3）氣門落座速度。氣門落座速度增大到一定程度就會出現(xiàn)氣門反跳及對氣門座產(chǎn)生沖擊，氣門反跳會加快氣門與氣門座之間的磨損，影響氣門的密封性能。

（4）氣門反跳高度。閥系系統(tǒng)具有一定的剛度和質(zhì)量，氣門落座之后都會發(fā)生不同程度的反跳，為了減小磨損和改善NVH性能，必須將反跳高度控制在一定的范圍內(nèi)。

（5）挺柱分離高度。挺柱分離高度是評價(jià)挺柱與凸桃之間是否發(fā)生“飛脫”現(xiàn)象的重要依據(jù)。

（6）氣門落座力。氣門落座力的大小直接影響氣門與氣門之間的磨損，一般情況下，要將其控制在6倍彈簧預(yù)緊力之下。

3.2.2 動力學(xué)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖4～圖10所示。

結(jié)果顯示：氣門落座之后，氣門升程發(fā)生輕微跳動，這就使得氣門座受力大幅度波動，主要出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，其他結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。分析認(rèn)為，這是由于彈簧預(yù)緊力不足，以至于在氣道壓力作用下氣門發(fā)生反跳。這種情況可以通過增大彈簧預(yù)緊力的措施進(jìn)行改善。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

增壓發(fā)動機(jī)缸壓和氣道壓力一般比自然吸氣發(fā)動機(jī)高，因此在氣門彈簧設(shè)計(jì)上需要增大彈簧預(yù)緊力和剛度來實(shí)現(xiàn)氣門正常開啟和關(guān)閉。經(jīng)過一番計(jì)算之后，決定采用改變彈簧阻尼圈數(shù)來改變剛度得到以下2種方案的彈簧進(jìn)行仿真計(jì)算，確認(rèn)方案可行性（見表1）。

5 優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證

將優(yōu)化后的兩組彈簧帶入模型進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)結(jié)果良好。氣門落座力結(jié)果和氣門關(guān)閉后的升程都得到了很好的改善，這樣就可以避免氣門在關(guān)閉之后由于反跳而造成的密封不嚴(yán)和磨損，結(jié)果如圖11～圖16所示。

方案對比分析：方案二挺柱的接觸應(yīng)力過大，容易造成凸桃磨損，方案一接觸應(yīng)力較小，故選擇第一種方案。

彈簧經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后，裝配到發(fā)動機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速性能有所改善，拆機(jī)后氣門和氣門座之間磨損有所減小，這也證明了我們之前的推測是正確的。

6 結(jié)語

配氣機(jī)構(gòu)的作用是按照發(fā)動機(jī)每一氣缸內(nèi)所進(jìn)行的工作循環(huán)和點(diǎn)火次序的要求，定時(shí)開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)、排氣門，使新鮮充量（汽油機(jī)為可燃混合氣、柴油機(jī)為空氣）得以及時(shí)進(jìn)入氣缸，而廢氣得以及時(shí)從氣缸排出；在壓縮和膨脹行程中，保證燃燒室的密封。氣門彈簧是克服在氣門關(guān)閉過程中氣門及轉(zhuǎn)動件的慣性力；防止各轉(zhuǎn)動件之間因慣性力的作用而產(chǎn)生間隙，保證氣門及時(shí)落座并緊緊貼合；防止氣門在發(fā)動機(jī)振動時(shí)產(chǎn)生跳動，破壞其密封性。因此，氣門彈簧在當(dāng)今發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中有著舉足輕重的作用。彈簧力的大小直接影響發(fā)動機(jī)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)結(jié)果。彈簧力太大，造成應(yīng)力大，容易造成磨損，彈簧力太小，造成飛脫和反跳，從而影響發(fā)動機(jī)和NVH性能。因此，在發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中，選用合適的彈簧是非常必要的。與此同時(shí)，為了能夠提前預(yù)知配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的可行性，必須進(jìn)行閥系動力學(xué)模擬仿真計(jì)算，這樣就可以大大縮短發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]尚漢冀.內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)——設(shè)計(jì)和計(jì)算[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1988.

[2]郭自強(qiáng).基于Atkinson循環(huán)混合動力車用發(fā)動機(jī)的仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京：中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，2011.

[3]楊興共，阮仁宇，劉芯娟.某發(fā)動機(jī)單閥系動力學(xué)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（7）.