機(jī)車(chē)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)研究

李浩生

【摘 要】16V240ZJ型柴油機(jī)的原型進(jìn)行了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)，在掌握配氣機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和工作原理后，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)零件的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)Solidworks Motion對(duì)配氣機(jī)構(gòu)添加驅(qū)動(dòng)和約束后進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證了仿真模型的合理性。最后進(jìn)行了凸輪軸與氣門(mén)彈簧的強(qiáng)度校核，為柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)一步分析提供了基礎(chǔ)，還可以為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，從而提高柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工作的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

【關(guān)鍵詞】列車(chē);配氣機(jī)構(gòu);Solidworks;仿真

前言

柴油機(jī)是一種非常重要的為各種機(jī)器提供動(dòng)力的裝置，而配氣機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)最重要的呼吸系統(tǒng)。配氣機(jī)構(gòu)作為柴油機(jī)換氣機(jī)構(gòu)的控制部分，它的好壞很大程度上影響了一個(gè)柴油機(jī)的優(yōu)劣。所以要拯救一臺(tái)柴油機(jī)，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化是一種重要的途徑。下面我將簡(jiǎn)單介紹幾種典型的優(yōu)化形式。

2008年曹曉軼、彭健教授建立了多氣門(mén)的配氣系統(tǒng)，并且利用C++進(jìn)行參數(shù)化及二次開(kāi)發(fā)，研究了配氣機(jī)構(gòu)的氣門(mén)仿真，得到了氣門(mén)工作時(shí)的性能參數(shù)。2009年張學(xué)文，申立中教授，采用DOE軟件建立了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)模型，通過(guò)控制變量法，分別研究了在速度相同，轉(zhuǎn)矩相同和功率相同時(shí)由于配氣相位不同而柴油機(jī)表現(xiàn)出來(lái)的特性，分析了發(fā)火順序?qū)Σ裼蜋C(jī)的影響，主要分析了配氣相位對(duì)燃油消耗的關(guān)系，得到了配氣相位的優(yōu)化可以大大改善柴油機(jī)的工況。2011年郭建，蘇鐵熊教授研究了可變配氣機(jī)構(gòu)的有凸輪和無(wú)凸輪情況，比較了它們各自的特點(diǎn)，得到了無(wú)凸輪機(jī)構(gòu)能夠更加有效的控制配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。2012年趙冬青、蘇鐵熊教授采用matlab建立了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)模型，采用數(shù)值模擬的方法，研究了頂置凸輪軸技術(shù)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的影響。2016年劉雪洪教授建立了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的三維模型，研究了可變配氣技術(shù)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)的需要來(lái)確定凸輪軸的輪廓曲線。本論文以機(jī)車(chē)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)此進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析及零部件強(qiáng)度可靠分析。

1.配氣機(jī)構(gòu)的零部件建模

1.1配氣機(jī)構(gòu)的構(gòu)成及工作原理

配氣機(jī)構(gòu)它的主要部件包括凸輪、氣門(mén)推桿、氣門(mén)搖臂、氣門(mén)彈簧、氣門(mén)。配氣機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)換氣機(jī)構(gòu)的控制部分，它的作用是根據(jù)柴油機(jī)氣缸的做功順序和配氣相位，定時(shí)的開(kāi)啟進(jìn)、排氣門(mén)，并且與排氣系統(tǒng)配合，保證柴油機(jī)各氣缸盡可能多的排出廢氣和吸進(jìn)更多新鮮空氣。

1.2配氣機(jī)構(gòu)各零件的建模

1.氣門(mén)。氣門(mén)的建模過(guò)程：建草圖→旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)→拉伸凸臺(tái)→拉伸切除→完成。

2.彈簧擋圈。彈簧擋圈建模過(guò)程：建草圖→兩次凸臺(tái)拉伸→倒角→切除拉伸。

3.凸輪軸。先在草圖上繪制軸的二維圖形，通過(guò)拉伸命令得到軸。再在草圖上繪制凸輪的二維圖形，通過(guò)拉伸命令得到凸輪。然后將軸和凸輪零件進(jìn)行裝配。

4.氣門(mén)彈簧。氣門(mén)彈簧的建模過(guò)程：新建草圖→三條直線段→簧條圓→三次掃描→切除→完成。

5.推桿。通過(guò)凸臺(tái)拉伸命令得到推桿。

6.導(dǎo)塊。建模過(guò)程：新建草圖→拉伸凸臺(tái)→拉伸切除→圓角→鏡像→完成。

7.搖臂。建模過(guò)程：新建草圖→凸臺(tái)拉伸→凸臺(tái)拉伸→拉伸切除→凸臺(tái)拉伸→拉伸切除→圓角→完成。

8.氣門(mén)橫臂。建模過(guò)程：新建草圖→拉伸凸臺(tái)→拉伸切除1→拉伸切除2→鏡像→拉伸凸臺(tái)→完成。

2.配氣機(jī)構(gòu)CAE分析

2.1配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型建立

2.2仿真結(jié)果分析

1.凸輪軸的強(qiáng)度分析

在SolidWorks Simulation中對(duì)凸輪軸進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析。本文中凸輪軸選用的質(zhì)為合金鋼，將凸輪軸內(nèi)孔壁固定，將約束設(shè)置為彈性支撐，在凸輪面上畫(huà)一個(gè)應(yīng)力斑，在應(yīng)力斑處加一個(gè)數(shù)值為2000N且方向垂直向下的力，進(jìn)行有限元分析。如圖2所示。

配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸材料是合金鋼，采用高頻淬火熱處理和滾壓工藝，它的屈服極限是620.4MPa由分析結(jié)果得出，凸輪軸最大應(yīng)力為20.95MPa<<620.4MPa?？梢?jiàn)，該凸輪軸滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，凸輪軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.排氣門(mén)的位移

通過(guò)Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)仿真分析得到的排氣門(mén)的位移隨凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的變化曲線如圖3，排氣門(mén)的位移曲線光滑，說(shuō)明排氣門(mén)運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生脫離。

3.排氣門(mén)的加速度

可以看出，在凸輪軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)后，氣門(mén)在開(kāi)啟的一剎那有突然的振動(dòng)，而且振動(dòng)較大，這是不可避免的，不過(guò)在氣門(mén)開(kāi)啟后，振動(dòng)就會(huì)減小。

4.凸輪軸與挺柱間的接觸力

通過(guò)Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)仿真得到的凸輪軸與挺柱之間接觸力隨凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的變化可以看出凸輪軸與挺柱之間的接觸力是跟著時(shí)間不斷變化的，而且分析配氣機(jī)構(gòu)如果運(yùn)行平穩(wěn)的話(huà)，接觸力應(yīng)始終為壓力，即數(shù)值不發(fā)生變號(hào)。反作用力始終為正值，說(shuō)明接觸力一直是壓力。仿真結(jié)果表明該配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.結(jié)論

1、利用Solidworks軟件為工具，完成柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)零部件三維實(shí)體建模和裝配模型，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)部分零部件進(jìn)行了強(qiáng)度可靠性分析，所得結(jié)果可以用于柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，還可以為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，從而提高柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工作的可靠性，經(jīng)濟(jì)性。

2、確定了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)中的受力情況，對(duì)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。仿真機(jī)構(gòu)的仿真結(jié)果在總體變化趨勢(shì)和實(shí)際工作情況比較一致，對(duì)工作時(shí)的假設(shè)基本合理，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)任務(wù)，可以為工業(yè)提供參考。

3、通過(guò)Solidworks Motion運(yùn)動(dòng)仿真，采用額定的凸輪軸轉(zhuǎn)速而對(duì)各個(gè)零件的一些參數(shù)分別進(jìn)行測(cè)量，得到了不同的變化曲線，在進(jìn)行比較后，得到的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和零部件之間的接觸力中可以看出該配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能良好。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）