基于ADAMS的柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析

陳仲海，魏玉娜，白峭峰

（中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

在柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計上，人們一方面希望氣門加速度較大，使得氣門可以迅速地開閉，這樣可以改善換氣效果，提高配氣機(jī)構(gòu)的動力性和經(jīng)濟(jì)性；另一方面也希望配氣機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間的接觸力較小，運動件的加速度較小，這樣可以降低配氣機(jī)構(gòu)高速運轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的振動和噪聲，延長其使用壽命，提高柴油機(jī)的可靠性［1］。而當(dāng)柴油機(jī)高速運行時，氣門系統(tǒng)的振動是影響柴油機(jī)運行的關(guān)鍵問題。該振動可以引起發(fā)動機(jī)性能下降、凸輪－挺桿副和氣門座磨損、噪聲增大等，有時還可能引起氣門損壞［2］。因此，必須分析配氣機(jī)構(gòu)各零部件的運動和動力學(xué)參數(shù)，從而控制配氣機(jī)構(gòu)的振動。

1 配氣機(jī)構(gòu)多剛體動力學(xué)模型的建立

本文以某型柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為研究對象。首先利用Pro／Engineer軟件建立配氣機(jī)構(gòu)各零部件的實體模型，然后根據(jù)各零部件之間的位置和約束關(guān)系建立配氣機(jī)構(gòu)的裝配模型。其中，各機(jī)構(gòu)模型均按照實際結(jié)構(gòu)建立，各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)均由Pro／E軟件精確計算得到。

把該裝配模型導(dǎo)入ADAMS中，根據(jù)實際配氣機(jī)構(gòu)各部件的聯(lián)接和約束關(guān)系，施加各種約束副（見表1），使得配氣機(jī)構(gòu)的多剛體動力學(xué)模型的運動和受力形式符合實際情況，最終建立的配氣機(jī)構(gòu)多剛體系統(tǒng)動力學(xué)模型如圖1所示。

2 仿真結(jié)果分析

施加了約束關(guān)系以后，在凸輪與Ground的回轉(zhuǎn)副上加載驅(qū)動，本文分別進(jìn)行了2 100 r／min、2 310 r／min、2 520 r／min三種發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬，得到配氣機(jī)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣門的運動規(guī)律和關(guān)鍵運動件間的作用力，為后續(xù)進(jìn)行振動噪聲分析提供精確的邊界條件。

表1 配氣機(jī)構(gòu)的約束關(guān)系

圖1 配氣機(jī)構(gòu)多剛體動力學(xué)模型

2.1 進(jìn)氣門運動規(guī)律

圖2、圖3和圖4分別為3種轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣門位移、速度和加速度曲線。由圖2、圖3和圖4可見，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，氣門的速度不斷增大，進(jìn)氣門在開啟與關(guān)閉時加速度沖擊較大，這與實際現(xiàn)象吻合。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r／min時，進(jìn)氣門的落座速度為0.18 m／s；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 310 r／min時，進(jìn)氣門的落座速度為0.21 m／s；當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 520 r／min時，進(jìn)氣門的落座速度為0.23 m／s，符合合金材料氣門座圈的一般要求（落座速度小于0.6 m／s）。

圖2 曲軸轉(zhuǎn)速為2 100 r／min時進(jìn)氣門的運動規(guī)律

圖3 曲軸轉(zhuǎn)速為2 310 r／min時進(jìn)氣門的運動規(guī)律

圖4 曲軸轉(zhuǎn)速為2 520 r／min時進(jìn)氣門的運動規(guī)律

2.2 配氣機(jī)構(gòu)的接觸力

當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為2 100 r／min、2 310 r／min、2 520 r／min時，進(jìn)氣凸輪與挺柱間的接觸力隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖5所示，進(jìn)氣門與氣門座之間的接觸力隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖6所示。

從圖5可以看出，3種轉(zhuǎn)速下的凸輪與挺柱的接觸力是隨著凸輪轉(zhuǎn)角不斷發(fā)生變化的，并且接觸力始終為壓力，說明該配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動機(jī)運行過程中沒有發(fā)生“飛脫”、“反跳”等現(xiàn)象。從圖6可以看出，3種轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣門與氣門座的接觸力曲線基本吻合，但是氣門落座力是隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大的，且氣門落座時與氣門座發(fā)生碰撞，氣門與氣門座的接觸力突然增大形成峰值。

圖5 進(jìn)氣凸輪與挺柱之間的接觸力隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化曲線

圖6 進(jìn)氣門與進(jìn)氣門座之間的接觸力隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化曲線

3 結(jié)論

仿真結(jié)果，與柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的實際工作情況相吻合，也就說明了利用Pro／E和ADAMS軟件對某柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行多剛體動力學(xué)仿真分析是可行的，所以可以用該模型進(jìn)行后續(xù)的振動噪聲分析。

［1］ 李興然.配氣機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)動力學(xué)建模及仿真［D］.太原：中北大學(xué)，2010：1－3.

［2］ 徐兀.汽車振動和噪聲控制［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［3］ 賈長治，殷軍輝，薛文星.MD ADAMS虛擬樣機(jī)從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.