小型柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化

白軍愛(ài)，劉長(zhǎng)振，吳 波，張志軍，張 潔

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300405）

0 引言

柴油機(jī)具有動(dòng)力性強(qiáng)、熱效率高等特點(diǎn)。配氣機(jī)構(gòu)作為柴油機(jī)的重要組成部分，其作用是實(shí)現(xiàn)換氣過(guò)程。柴油機(jī)每完成一個(gè)工作循環(huán)都必須排除廢氣和充入新鮮空氣。合理的配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)做到進(jìn)氣充分、排氣徹底。配氣機(jī)構(gòu)性能的好壞，直接關(guān)系到整機(jī)的運(yùn)行情況，對(duì)柴油機(jī)工作性能有很大影響，決定了柴油機(jī)的排放特性。

配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，影響性能的因素包括配氣正時(shí)、凸輪型線、潤(rùn)滑、氣門(mén)間隙等，而配氣機(jī)構(gòu)通過(guò)凸輪控制氣門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉，凸輪型線決定了氣門(mén)的升程規(guī)律。配氣凸輪型線豐滿系數(shù)大，就能確保大的時(shí)面值，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，凸輪型線光滑能夠保證配氣機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性和可靠性，因此對(duì)柴油機(jī)凸輪型線的研究十分重要。

1 問(wèn)題提出

目前柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，一方面要求氣門(mén)以較快的速度開(kāi)、關(guān)，從而達(dá)到較好的換氣效果以提升柴油機(jī)性能；另一方面希望保持加速度和載荷相對(duì)較小，減小接觸應(yīng)力，降低振動(dòng)和噪聲，以延長(zhǎng)使用壽命。這二者相互矛盾，給配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難，因此，需要對(duì)凸輪型線科學(xué)設(shè)計(jì)。

依據(jù)在配氣機(jī)構(gòu)中的布置形式，凸輪軸可分為下置式、中置式和上置式3 種。本文以某小型直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)下置式配氣機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其工作狀況進(jìn)行計(jì)算和分析，針對(duì)存在的問(wèn)題，通過(guò)凸輪型線優(yōu)化改進(jìn)，降低氣門(mén)落座速度和凸輪挺柱體接觸應(yīng)力。配氣機(jī)構(gòu)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

2 建立配氣機(jī)構(gòu)模型

柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)包含多個(gè)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的零件，如凸輪、挺柱體、推桿、搖臂、氣門(mén)、氣門(mén)彈簧等，這些零件組成柴油機(jī)機(jī)械系統(tǒng)。

柴油機(jī)工作時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)各個(gè)零件會(huì)產(chǎn)生彈性振動(dòng)，實(shí)際中的配氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)彈性系統(tǒng)?？紤]整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的彈性變形和沖擊影響，配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算通常采用多自由度計(jì)算模型，也可以采用單自由度計(jì)算模型。Excit_TD 軟件是AVL 公司開(kāi)發(fā)的一款用于發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析與凸輪型線設(shè)計(jì)的專用軟件。

本文所研究的下置式凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)是通過(guò)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)挺柱體、推桿上下移動(dòng)，推桿傳遞力到搖臂控制氣門(mén)運(yùn)動(dòng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)是一款頂置四氣門(mén)配氣機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 配氣機(jī)構(gòu)三維模型

根據(jù)該機(jī)型的機(jī)構(gòu)形式，以及各零件的裝配關(guān)系，建立單閥系的配氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型由以下模塊組成：旋轉(zhuǎn)單元、相位單元、徑向支撐單元、凸輪單元、接觸單元、挺柱單元、推桿單元、搖臂單元、氣門(mén)彈簧單元、氣門(mén)單元。

3 參數(shù)確定

Excite_TD 中建立動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，搖臂根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為變搖臂比和定搖臂比兩種形式。在Creo 中建立配氣機(jī)構(gòu)各個(gè)零件的三維實(shí)體模型，從而獲得各個(gè)零件結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。配氣機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)剛度值一般采用實(shí)測(cè)的方法得到，也可以根據(jù)各構(gòu)件的不同情況，通過(guò)有限元計(jì)算獲得，本文中各個(gè)零件的剛度系數(shù)通過(guò)有限元軟件分析確定。因阻尼系數(shù)在一定范圍內(nèi)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，可以根據(jù)Excit_TD 軟件參數(shù)推薦值選取各零件的阻尼參數(shù)。

將Creo 中建立的各個(gè)模型導(dǎo)入有限元軟件中，首先對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后按照零件實(shí)際工作時(shí)的連接情況定義不同構(gòu)件間的約束，施加約束和加載力，得到加載方向的位移，最后求出剛度系數(shù)。以搖臂為例，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。按照Excite_TD 軟件要求將各模塊的質(zhì)量和剛度轉(zhuǎn)化到當(dāng)量質(zhì)量，邊界條件根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取（表2）。

表2 搖臂結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)

圖2 搖臂有限元計(jì)算結(jié)果

4 計(jì)算結(jié)果

配氣凸輪型線是影響配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的主要因素，凸輪型線決定了氣門(mén)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以達(dá)到進(jìn)氣和排氣的目的，從而直接影響到配氣機(jī)構(gòu)的性能，乃至影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)工作性能。合理的凸輪型線需要兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、振動(dòng)和變形等要求。

配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析特性參數(shù)有：氣門(mén)與氣門(mén)座的落座速度，凸輪與從動(dòng)件之間的接觸應(yīng)力，凸輪與從動(dòng)件的潤(rùn)滑等。

氣門(mén)落座時(shí)由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，而較低的氣門(mén)落座速度能夠確保配氣機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，振動(dòng)和噪聲較小。

氣門(mén)落座速度根據(jù)氣門(mén)座材料不同，允許的最大值也不同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一般鋼材料的氣門(mén)和氣門(mén)座，氣門(mén)落座速度應(yīng)該小于0.5～0.8 m/s。為了提升氣門(mén)的使用壽命，防止出現(xiàn)劇烈撞擊，氣門(mén)落座時(shí)應(yīng)具有較低的速度和較小的振動(dòng)，一般氣門(mén)落座速度不允許超過(guò)0.3 m/s。

由于凸輪與挺柱體長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)接觸，凸輪與挺柱體的磨損是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)所有磨損中最為嚴(yán)重的，接觸應(yīng)力的大小影響到配氣凸輪與挺柱的磨損，若接觸應(yīng)力過(guò)大，將導(dǎo)致兩個(gè)工作表面磨損嚴(yán)重，從而影響配氣機(jī)構(gòu)的可靠性，接觸應(yīng)力應(yīng)小于所用材料的許用應(yīng)力，一般平面挺柱體接觸應(yīng)力應(yīng)小于600～800 MPa。凸輪和挺柱體的接觸應(yīng)力也用來(lái)判斷是否存在飛脫現(xiàn)象。

原型機(jī)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4，氣門(mén)落座速度為0.876 m/s，超過(guò)推薦限值0.8 m/s，挺柱體接觸應(yīng)力在負(fù)加速度段未出現(xiàn)為零的情況，所以無(wú)飛脫現(xiàn)象的產(chǎn)生，而最大接觸應(yīng)力為833.8 MPa，超過(guò)了鋼與鋼的許用接觸應(yīng)力800 MPa。

圖3 氣門(mén)落座速度

圖4 挺柱體接觸應(yīng)力

根據(jù)原柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，利用Excite_TD 軟件凸輪設(shè)計(jì)優(yōu)化功能，在保證充氣性能的同時(shí)，采用氣門(mén)分段加速度函數(shù)和梯形函數(shù)對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)調(diào)整凸輪上升側(cè)和凸輪桃尖的包角來(lái)降低凸輪與挺柱體間的接觸應(yīng)力，定義緩沖段得高度和末端速度來(lái)降低氣門(mén)落座速度。

對(duì)調(diào)整后的凸輪型線進(jìn)行分析，改進(jìn)后氣門(mén)落座速度為0.113 m/s，滿足不超過(guò)0.3 m/s 的推薦值，可以保證落座平穩(wěn)，氣門(mén)與氣門(mén)座之間沒(méi)有出現(xiàn)劇烈撞擊；挺柱體接觸應(yīng)力為537.7 MPa，未超過(guò)最低使用限值600 MPa（圖5、圖6）。

圖5 氣門(mén)落座速度

圖6 挺柱體接觸應(yīng)力

5 結(jié)論

（1）利用Creo 軟件建立配氣機(jī)構(gòu)各零件的三維實(shí)體模型，獲得各零件質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將各零件的三維模型導(dǎo)入有限元軟件中，按照各個(gè)零件在實(shí)際工作時(shí)的連接情況定義不同構(gòu)件間的約束，施加約束和加載力并進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)變形求取剛度參數(shù)，在Excite_TD 中建立配氣機(jī)構(gòu)多質(zhì)量模型，輸入剛度系數(shù)、阻尼參數(shù)、質(zhì)量，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

（2）應(yīng)用Excite_TD 軟件建立柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)排氣側(cè)單閥系動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用氣門(mén)分段加速度函數(shù)和梯形函數(shù)對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)的型線降低了落座速度，減小了挺柱接觸應(yīng)力，最大值都在允許范圍之內(nèi)，提高配氣機(jī)構(gòu)的可靠性和平穩(wěn)性。