電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析

張海明 劉文 莫依琳

摘要：全球汽車保有量每年都在不斷地增加，汽車工業(yè)的高速發(fā)展給全社會(huì)帶來資源短缺和環(huán)境污染的問題。提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率是傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排的重要方面。本項(xiàng)目研究一種新型的電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)用來取代原有的凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)，以克服由于凸輪輪廓固定而導(dǎo)致的配氣定時(shí)和升程無法調(diào)節(jié)的弊端。它能更靈活的的控制氣門的升程，開閉定時(shí)從而可以提高燃燒的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低污染。本文先利用有限元Maxwell 2D模塊計(jì)算氣門所受的電磁力大小，再建立電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的有限元靜力模型，利用Workbench計(jì)算機(jī)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力值，檢驗(yàn)其強(qiáng)度是否滿足要求。

關(guān)鍵詞：電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu);電磁力;有限元分析

1? 結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門處，固定在汽缸蓋上。它取代原有的凸輪控制氣門運(yùn)動(dòng)而采用電流精確驅(qū)動(dòng)氣門往返運(yùn)動(dòng)。電力是由汽車的蓄電池提供。電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也被稱作直線電機(jī)，本文選用的是典型的圓筒形動(dòng)圈式直線電機(jī)，主要包括內(nèi)外磁軛，永磁體，線圈，骨架，氣門運(yùn)動(dòng)桿件，彈簧。骨架與內(nèi)磁軛和外磁軛之間均有間隙，外磁軛與永磁體固定在一起，線圈繞在骨架上。結(jié)構(gòu)選用的是動(dòng)圈式，永磁體在工作時(shí)保持相對(duì)靜止，磁場(chǎng)在電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)工作時(shí)不隨著時(shí)間變化。

工作時(shí)在線圈中通以電流，線圈在磁場(chǎng)中受到安培力作用而運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與其相連的骨架和氣門運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣門開閉。氣門不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)位置不同，線圈中的電流會(huì)不斷的發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)定律線圈中變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)將在磁軛材料中產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。為了減小渦流損耗，磁軛應(yīng)做成疊片形式，以削弱感生電流在磁軛中的運(yùn)動(dòng)。

1.2 尺寸確定

直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是雙進(jìn)氣門和雙排氣門結(jié)構(gòu)，相鄰的氣門之間最大距離為39mm，為滿足要求把原有的雙層永磁體改成單層結(jié)構(gòu)。去除內(nèi)層永磁體，保留外層永磁體，同時(shí)選用最大直徑為39mm。去掉了內(nèi)層永磁體，相比于雙層永磁體磁感應(yīng)強(qiáng)度有所下降，在激勵(lì)電流不改變的情況下，為保證足夠的電磁力大小，增加了導(dǎo)線長(zhǎng)度。導(dǎo)線軸向繞組數(shù)增加導(dǎo)線軸向長(zhǎng)度加大，為保證骨架有足夠的強(qiáng)度，減小永磁體厚度，增加骨架厚度，從而增加了繞線圈剩余骨架寬度。（表1）

2? 電磁力求解

2.1 永磁體排列

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)中的永磁體采用的是Halbach陣列。Halbach磁體結(jié)構(gòu)是較為理想的結(jié)構(gòu)。相對(duì)于普通的排列方式，Halbach排列方式在相同的數(shù)量的磁體條件下能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的的磁場(chǎng)。這意味著產(chǎn)生相同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，Halbach排列方式相對(duì)于普通排列方式需要更少的磁體數(shù)量。這對(duì)于體積空間十分有限的電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)無疑是十分有利的。

利用有限元Maxwell對(duì)比Halbach陣列方式和普通陣列發(fā)現(xiàn)，Halbach陣列氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值達(dá)到1.41T，如圖1所示。而普通陣列磁感應(yīng)強(qiáng)度到最大值僅有0.92T，如圖2所示。相比于Halbach陣列縮小了34.78%。并且在整個(gè)70mm的范圍內(nèi)，特別是在中部區(qū)域，普通陣列磁感應(yīng)強(qiáng)度只有0.058T，幾乎接近于零，Halbach陣列的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通陣列，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化比較平滑，不會(huì)出現(xiàn)電磁力突然減小至0的情況，這對(duì)于氣門能穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)是十分重要的。

2.2 計(jì)算電磁力

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力是作用于線圈上的電磁力，而電磁力由安培力公式F=BIL可知，由于機(jī)構(gòu)尺寸確定，線圈長(zhǎng)度就隨之確定，而電流是后期加載的，大小是已知并且可控的。而由永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值是難以直接測(cè)量的，必須通過有限元仿真得到。

磁感應(yīng)強(qiáng)度的求解使用Maxwell 2D模塊，相比于3D在保證精度的前提下減少了仿真計(jì)算的時(shí)間。在xz坐標(biāo)面中建立繞z軸的圓柱坐標(biāo)，選擇靜態(tài)磁場(chǎng)建立二維模型，如圖3所示。邊界選擇氣球邊界，網(wǎng)格精度為0.1mm， 求解域設(shè)置為30%。永磁體材料為釹鐵硼N48，線圈材料為銅，骨架材料為ABS，內(nèi)外磁軛及端蓋材料為Q235。模型求解完成后在氣隙中增加與求解模型無關(guān)的線polyline1，長(zhǎng)度與氣門升程相等為8mm，起始于線圈一端，平行于z軸。這條線顯示氣門在8mm的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨位移的變化關(guān)系，如圖4所示。

分析有限元分析結(jié)果可得8mm范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為1.212T，已知線圈長(zhǎng)度為11.88m，當(dāng)線圈中加載電流峰值為10A時(shí)，最大電磁力為144N，當(dāng)線圈中加載電流峰值為15A時(shí)，最大電磁力為216N，當(dāng)線圈中加載電流峰值為20A時(shí)，最大電磁力為288N。

3? 強(qiáng)度的校核

3.1 模型簡(jiǎn)化

電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)件主要是骨架和氣門。附屬元件包括線圈和彈簧在不影響電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)主要力學(xué)特性的情況下可以忽略不計(jì)。機(jī)構(gòu)的端蓋和外壁固定在汽缸蓋上，當(dāng)加載電流峰值為10A時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁力為144N，這個(gè)力通過線圈作用在骨架上。由于采用的時(shí)兩捆線圈，這個(gè)電磁力被均勻的分布在骨架的兩處，作用面是圓環(huán)面。同時(shí)永磁體受到來自線圈的144N的斥力，作用面為圓柱面。

機(jī)構(gòu)是一個(gè)軸對(duì)稱圖形，為了減少單元網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)量從而減少仿真計(jì)算的速度，將模型兩次對(duì)稱，僅選取四分之一的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，這種簡(jiǎn)化不會(huì)影響應(yīng)力及應(yīng)變的大小和分布。

3.2 網(wǎng)格的劃分和載荷的確定

在有限元分析ANSYS軟件中將在CATIA中建立完成的三位模型導(dǎo)入。在DM模塊中將其修改成四分之一的模型。網(wǎng)格單元選擇四面體單元，相比于六面體單元能在保相同求解精度的前提下減少單元的數(shù)量。為了保證求解結(jié)構(gòu)的可靠性，對(duì)于骨架，骨架與氣門的連接處和應(yīng)力奇異的重要部位網(wǎng)格劃分的細(xì)而密。對(duì)與寬大的永磁體，端蓋和內(nèi)外磁軛網(wǎng)格劃分的稀疏一些。最終共有77882個(gè)節(jié)點(diǎn)，43999個(gè)單元。

選用四分之一模型，144N的電磁力將均分為四部分，作用在骨架兩處的力均為18N，永磁體所受斥力為36N。端蓋和外壁在工作時(shí)固定在汽缸蓋上保持不動(dòng)，氣門在承受最大電磁力的同時(shí)底部受到來自氣缸內(nèi)氣體力的作用。端蓋，外壁，氣門底部均采用固定約束。

3.3 計(jì)算分析

在ANSYS軟件中對(duì)建立的力學(xué)模型進(jìn)行加載和邊界條件的約束，最終進(jìn)行計(jì)算求解。得到最大電磁力為144N時(shí)機(jī)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力云圖。如圖5，圖6所示。

由有限元分析結(jié)果可得最大應(yīng)力值為18.3MPa，位于骨架和氣門的連接處。骨架和氣門的材料不同，分別為ABS和Q235，屈服強(qiáng)度分別為50MPa和235MPa。雖然連接處有應(yīng)力奇異使局部應(yīng)力值增大，但是均在材料的屈服強(qiáng)度范圍之內(nèi)。最大變形量為0.0375mm，位于線圈和骨架第二接觸處。從分析結(jié)果來看，變形量非常小，可以忽略不計(jì)。經(jīng)過有限元力學(xué)分析后，電磁驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度滿足條件。

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