柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模與分析

周煜峰，張海波，張恒運(yùn)

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，通過(guò)靜態(tài)設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的圓弧凸輪在工作時(shí)很容易引起較大的振動(dòng)與噪聲.而采用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，雖可以設(shè)計(jì)出多種凸輪形線，但沒(méi)有考慮到機(jī)構(gòu)整體的運(yùn)動(dòng)情況，未明確機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與凸輪形線之間的系統(tǒng)優(yōu)化配合，其中存在很大程度的局限性.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)將配氣機(jī)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、動(dòng)態(tài)參數(shù)等一并考慮在內(nèi)，對(duì)凸輪形線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提升關(guān)鍵是提高燃燒效率，減少交換損失，因此對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)將以此為目標(biāo)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，需要對(duì)整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì).除形線設(shè)計(jì)，配氣機(jī)構(gòu)研究的另外一個(gè)方向是對(duì)凸輪軸的研究.凸輪軸的材料、形狀以及其裝配時(shí)的位置都能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命產(chǎn)生重大影響，在使用仿真工具時(shí)，通過(guò)有限元分析對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬，可最終得出解決方案[1].

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的研究也越來(lái)越完整：從最初的靜態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變到運(yùn)動(dòng)仿真模擬設(shè)計(jì)，配氣機(jī)構(gòu)的研究方法一直被突破、完善.目前主要運(yùn)用的有GT–POWER、AVL Fire 等發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真軟件[2].

配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)有增加進(jìn)氣效率，減少換氣損失和可變技術(shù)等[3]，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，運(yùn)行更加平穩(wěn)，減小震動(dòng)和噪聲，提高輸出性能.其中研究較多的是對(duì)于凸輪軸凸輪形線的優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的優(yōu)化[4].配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方向是多元化的，除了主要零件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，還包括對(duì)布置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和零件制造工藝的優(yōu)化等[5].

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型分析傳統(tǒng)的方法是采用柴油機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，初步設(shè)計(jì)完成以后，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.這種傳統(tǒng)經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法計(jì)算復(fù)雜，工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)成本高，花費(fèi)大量人力物力財(cái)力，若不符合性能要求還須重新調(diào)整參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，效果不盡理想.

本研究采用Solidworks 軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析和研究，探究柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和性能參數(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性，這是區(qū)別于柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的顯著特點(diǎn).

1 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

主要以現(xiàn)在市場(chǎng)上較為主流的某柴油機(jī)為基礎(chǔ)研究配氣機(jī)構(gòu)，具體如下：確定配氣機(jī)構(gòu)的總體架構(gòu)；擬定主要參數(shù)；凸輪輪廓線型設(shè)計(jì)；閥組和彈簧設(shè)計(jì)；凸輪軸和氣門(mén)傳動(dòng)零部件的設(shè)計(jì)；零部件及裝配圖紙的繪制；機(jī)構(gòu)零件強(qiáng)度計(jì)算；建立三維模型.首先，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的一般工作原理，確定好機(jī)構(gòu)本身的構(gòu)造以及性能數(shù)據(jù).之后用Matlab強(qiáng)大的函數(shù)分析功能，完成凸輪設(shè)計(jì)，計(jì)算各部分的參數(shù).接著完成進(jìn)氣門(mén)、排氣門(mén)、凸輪軸、形線等設(shè)計(jì)，使用Solidworks 軟件將每個(gè)零件的3D 模型建出.最后，將所有模型裝配起來(lái)形成配氣機(jī)構(gòu)的整體模型，使用有限元分析對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，得出結(jié)果.根據(jù)得出的結(jié)果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，然后尋找問(wèn)題對(duì)應(yīng)的方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)[6].

2 柴油機(jī)工作過(guò)程熱力學(xué)計(jì)算

對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算是整個(gè)設(shè)計(jì)的最初階段，其目的是對(duì)機(jī)身整體的動(dòng)力性進(jìn)行初步測(cè)算，并根據(jù)相應(yīng)的消耗和產(chǎn)出計(jì)算其經(jīng)濟(jì)性，為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命、精密度提供參考數(shù)據(jù)，并作為其性能改進(jìn)的依據(jù)[7].

2.1 柴油機(jī)基本參數(shù)

柴油機(jī)設(shè)計(jì)基本參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of diesel engine design

2.2 熱力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)選定柴油機(jī)設(shè)計(jì)熱力學(xué)計(jì)算，擬定參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 熱力學(xué)計(jì)算擬定參數(shù)Table 2 Proposed parameters of thermodynamic calculation

2.3 工作過(guò)程計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行柴油機(jī)設(shè)計(jì)工作過(guò)程計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 工作過(guò)程計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of working process

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)性能計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of engine performance

根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)選定熱力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行柴油機(jī)設(shè)計(jì)工作過(guò)程計(jì)算、柴油機(jī)設(shè)計(jì)性能計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)基于Solidworks 軟件進(jìn)行柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模提供合理的依據(jù)和一定的指導(dǎo)意義.

3 凸輪形線設(shè)計(jì)

在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，凸輪線的設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵，也是最困難的.總體上說(shuō)，凸輪形線的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮系統(tǒng)需求及系統(tǒng)整體的布置要求，具體有以下幾點(diǎn)：

1)具有適當(dāng)?shù)钠淦飨辔唬?/p>

2)充氣性能較高；

3)時(shí)面值較大；

4)加速度始終，且需要連續(xù)；

5)氣門(mén)落座速度適宜；

6)噪聲較低；

7)零件裝配好，延長(zhǎng)使用壽命；

8)共振小.

由此，在凸輪線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要關(guān)注適應(yīng)性、穩(wěn)定性和充氣性能等方面.

3.1 凸輪形線的一般參數(shù)

據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表13-5 和13-7 中的相關(guān)數(shù)據(jù)，本研究擬定閥門(mén)間隙、閥門(mén)開(kāi)啟角度和閥門(mén)關(guān)閉角度見(jiàn)表5.

表5 配氣正時(shí)參數(shù)表Table 5 Parameters of valve timing

3.2 緩沖曲線設(shè)計(jì)

當(dāng)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，它受到搖臂運(yùn)動(dòng)的影響；當(dāng)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)，它受到氣門(mén)彈簧和氣門(mén)座的彈簧力的影響.因此，在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，緩沖段應(yīng)安裝在工作段兩側(cè)的邊上，以控制閥門(mén)的開(kāi)啟速度，防止閥門(mén)受到的沖擊力過(guò)大，或閥門(mén)關(guān)閉時(shí)閥座受到的沖擊力過(guò)大，造成零件損壞，影響配氣性能[8].

緩沖曲線有3 種常見(jiàn)形式：等速度緩沖曲線、余弦緩沖曲線和等加速度?等速緩沖曲線.等速度緩沖曲線是挺桿以恒定的速度移動(dòng)到緩沖器末端；余弦緩沖曲線與之不同，其加速度是余弦，即它緩沖到曲線終點(diǎn)時(shí)加速度已經(jīng)歸為零，故不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生額外附加力；等加速度?等速緩沖曲線是挺桿以恒定的加速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度到達(dá)一定程度后不再增加，保持勻速行至終點(diǎn)[9].

以上3 種形式在應(yīng)用時(shí)，其中凸輪制造尺寸的差異對(duì)氣門(mén)正時(shí)的影響較小.一般被用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)的類(lèi)型為等加速度?等速緩沖曲線，并且與凸輪的其他工作段連接良好.基于此，本次設(shè)計(jì)采用等加速度?等速緩沖曲線形式.通過(guò)整合參數(shù)后緩沖段的曲線方程可確定為

3.3 凸輪工作段的形線設(shè)計(jì)

現(xiàn)有方法中，圓弧與切線凸輪存在較大的缺陷，如運(yùn)動(dòng)規(guī)律不連續(xù)，易引起較大的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲與磨損.為避免上述狀況出現(xiàn)，采用函數(shù)凸輪是更為理想的設(shè)計(jì).函數(shù)凸輪擁有多種形線設(shè)計(jì)，本研究中采用高階多次形線設(shè)計(jì)，能夠保持工作且可靠性更強(qiáng).其線性方程為

式中：x=為緩沖段終點(diǎn)到挺柱最大升程的位移；Cp、Cq、Cr、Cs為待定系數(shù)；p、q、r、s為待冪指數(shù).對(duì)于待冪指數(shù)擬定時(shí)應(yīng)遵循：р

式（2）中待定系數(shù)的計(jì)算式為

式中：VR為緩沖段終點(diǎn)挺柱速度；?a為緩沖段終點(diǎn)到挺柱最大行程；ω為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度.

在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)、排氣門(mén)的參數(shù)要求相同，因此本研究中使用同一種參數(shù)的凸輪形線.已知?dú)忾T(mén)最大升程10 mm，氣門(mén)間距0.4 mm，搖臂比1.6，緩沖終點(diǎn)挺柱最大行程0.22 mm，挺柱最大行程6.5 mm，凸輪工作段轉(zhuǎn)角141?.根據(jù)《柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選定設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6[10].

表6 工作段擬定參數(shù)Table 6 Proposed parameters of the working section

將表中數(shù)據(jù)分別代入式（3）至式（8）得C0=6.45；Cp=?13.266；Cq=12.492；Cr=?7.444；Cs=1.786;Q=1.27.最終求得凸輪形線函數(shù)為

3.4 凸輪形線曲線擬合

眾所周知，Matlab 是一款在函數(shù)運(yùn)算方面極為優(yōu)秀的軟件，本研究中使用Matlab 軟件對(duì)凸輪形線函數(shù)進(jìn)行擬合.將得到的凸輪形線的函數(shù)關(guān)系式導(dǎo)入到Matlab 軟件中，通過(guò)plot 指令將其表現(xiàn)在函數(shù)圖上，可以得到挺柱的升程曲線、速度關(guān)系曲線和加速度關(guān)系曲線[11]，如圖1 所示.

圖1 凸輪形線曲線擬合Fig.1 Curve fitting of can shape line

對(duì)凸輪的曲線擬合表明兩者符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有脫落，運(yùn)行較好，可靠性及實(shí)用性較高.

4 配氣機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件動(dòng)力學(xué)模型分析

通過(guò)Solidworks 中的simulation 模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的靜應(yīng)力分析[12]，得到零部件的質(zhì)量、剛度、阻尼等信息，進(jìn)而對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的各個(gè)部分進(jìn)行靜應(yīng)力的計(jì)算分析[13].對(duì)挺柱和搖臂的靜應(yīng)力分析結(jié)果如圖2 和圖3 所示.

圖2 挺柱靜應(yīng)力模擬Fig.2 Static stress simulation of strut column

圖3 搖臂靜應(yīng)力模擬Fig.3 Static stress simulation of rocker arm

4.1 凸輪軸強(qiáng)度校核

凸輪軸選用材料為QT600–3，使用Solidworks對(duì)其彎曲與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，凸輪軸力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表7.

表7 凸輪軸力學(xué)性能Table 7 mechanical properties of camshaft

4.2 凸輪軸彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

凸輪軸工作過(guò)程中，凸輪主要受到來(lái)自挺柱施加的力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，485Q 柴油機(jī)中凸輪所受到來(lái)自挺柱的力約為1 000 N.考慮配氣相位的影響，兩個(gè)凸輪可能同時(shí)受到來(lái)自挺柱的壓力，所以將兩凸輪之間軸頸受到的力擬定為2 000 N，通過(guò)Solidworks 軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析[14]，如圖4 所示.由圖可見(jiàn)，凸輪軸最大應(yīng)力為8.317 83×108N/m2，最大位移為0.003 490 41 mm.

圖4 凸輪軸受力分析Fig.4 Camshaft stress analysis

凸輪軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中受到正時(shí)齒輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和挺桿與凸輪的接點(diǎn)位移引起的轉(zhuǎn)矩.假定在計(jì)算時(shí)凸輪軸只受到正時(shí)齒輪的轉(zhuǎn)矩約束凸輪軸的旋轉(zhuǎn)[7]，載荷約束如圖5 所示.

圖5 凸輪軸載荷約束示意圖Fig.5 Schematic diagram of load and constraint of camshaft

對(duì)凸輪軸應(yīng)力和位移分析如圖6 所示.由圖可知，凸輪軸受到的最大應(yīng)力為1.134 04×108N/m2，最大位移為0.180 598 mm.

圖6 凸輪軸應(yīng)力和位移分析Fig.6 Stress and displacement analysis of camshaft

通過(guò)柴油機(jī)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，對(duì)氣門(mén)與氣門(mén)傳動(dòng)組件的外形參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與選取.利用Sharp 3D 軟件，按照繪制的工程圖紙及外形參數(shù)，對(duì)各零部件進(jìn)行建模，得出其3D 模型.隨后，使用Solidworks 軟件將各個(gè)零部件的3D 模型進(jìn)行拼接裝配，得出裝配模型.最后通過(guò)Solidworks 軟件中的有限單元分析的功能，對(duì)主要的零部件進(jìn)行力學(xué)分析[15].

以上基于Solidworks 軟件對(duì)柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型分析.主要針對(duì)氣門(mén)組的進(jìn)排氣門(mén)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變，氣門(mén)傳動(dòng)組的挺柱、搖臂的應(yīng)力、位移、應(yīng)變，和凸輪軸的應(yīng)力、位移進(jìn)行模擬，模型的吻合度較好，模擬結(jié)果合理，并且表現(xiàn)出良好的性能[16].

5 結(jié) 語(yǔ)

采用Solidworks 軟件對(duì)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與分析，根據(jù)零部件在Solidworks中使用simulation 功能計(jì)算出的靜應(yīng)力有限元分析結(jié)果，得出動(dòng)力學(xué)模型中的模塊參數(shù).在設(shè)計(jì)好各零部件的尺寸并制圖之后，通過(guò)sharp3D 軟件將所有的平面模型進(jìn)行3D 化，接著使用Solidworks軟件將所有的3D 零配件進(jìn)行虛擬組裝，在仿真試驗(yàn)中，沒(méi)有檢測(cè)到相關(guān)干涉.最后，使用軟件中有限元分析模塊，根據(jù)結(jié)果繪制出對(duì)應(yīng)的力學(xué)特性曲線.對(duì)配氣機(jī)構(gòu)氣門(mén)組的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)狀況和配氣機(jī)構(gòu)氣門(mén)傳動(dòng)組的挺柱運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并基于動(dòng)力學(xué)結(jié)果進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸強(qiáng)度分析，得到如下主要結(jié)論.

1）該配氣機(jī)構(gòu)氣門(mén)組的氣門(mén)運(yùn)動(dòng)狀況較好.對(duì)氣門(mén)的相關(guān)曲線進(jìn)行了擬合，根據(jù)具體的函數(shù)圖可以了解，氣門(mén)升程、速度和加速度曲線都滿足需求.對(duì)閥門(mén)的相關(guān)曲線進(jìn)行分析可知，閥門(mén)工作時(shí)振幅不大，凸輪形線工作更加穩(wěn)定.對(duì)挺桿和凸輪的曲線擬合表明兩者符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有脫落.最終仿真得出凸輪形線運(yùn)行較好，可靠性及實(shí)用性較高.

2）根據(jù)理論公式計(jì)算出各凸輪形線的參數(shù).使用Matlab 軟件，對(duì)挺柱提升的曲線進(jìn)行擬合，得出其理論速度和加速度，最終根據(jù)函數(shù)圖可以得知，本研究所涉及的形線符合相關(guān)要求.

3）凸輪軸強(qiáng)度分析表明，凸輪軸彎曲應(yīng)力計(jì)算和凸輪軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算得出最大應(yīng)力和最大位移均滿足設(shè)計(jì)要求.

4）在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)仿真分析，可以全面了解配氣機(jī)構(gòu)的工作特性和強(qiáng)度狀況，為其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供有效依據(jù)，提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本.

結(jié)果表明：基于Solidworks 軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的分析結(jié)果可靠，有利于柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和性能參數(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化，這是區(qū)別于柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的顯著特點(diǎn).