發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)研究

劉朋周海

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北襄陽 441053）

發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)研究

劉朋1，2周海1，2

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，湖北襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數(shù)字化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北襄陽 441053）

配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)重要的進(jìn)排氣定時機(jī)構(gòu)，對進(jìn)氣量和排氣量的調(diào)控起著重要作用，而進(jìn)氣和排氣性能的好壞直接影響著燃油燃燒性能的好壞，從而對內(nèi)燃機(jī)的動力性、燃油消耗性、尾氣排放造成影響。所以如何科學(xué)地開發(fā)和設(shè)計(jì)適宜的配氣機(jī)構(gòu)是研究的重點(diǎn)之一。一般來說，配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)都要考慮配氣定時的適宜性和機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力學(xué)性能。

配氣機(jī)構(gòu) 動力學(xué) TYCON

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)中的一個重要組成部分，其工作性能的好壞直接關(guān)系到整機(jī)的運(yùn)行狀況，雖然配氣機(jī)構(gòu)的主要功能是滿足發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣量的需求，但其對整機(jī)的影響不僅限于此，配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)及其零部件可靠性也是要急需關(guān)注的問題，在設(shè)計(jì)中，配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)性能和各零部件強(qiáng)度都要符合相關(guān)要求。

表1　發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

圖1　配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型

圖2　氣閥升程曲線的對比

圖3　氣閥速度的對比

1　研究模型概述

本文是以一單缸機(jī)凸輪軸下置式、雙搖臂四氣門、帶閥橋配氣機(jī)構(gòu)為研究對象，本單缸機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

本文工作主要集中在運(yùn)用專業(yè)軟件TYCON進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)模型的建立和仿真，從動力學(xué)角度分析研究配氣機(jī)構(gòu)的特性。雖然現(xiàn)今出現(xiàn)了很多配氣機(jī)構(gòu)的新技術(shù)，像可變配氣機(jī)構(gòu)，其可變的范圍包括氣門正時可變、氣門升程可變、氣門開啟延續(xù)時間可變等，一些汽車公司研究的對象也各有側(cè)重點(diǎn)。但在配氣機(jī)構(gòu)的研究上，都離不開運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的研究，運(yùn)動學(xué)僅僅考慮理想的狀況，把零部件都看成剛性體，整個系統(tǒng)沒有變形和彈性，忽略系統(tǒng)摩擦和阻尼能量損耗，其分析的結(jié)果僅能得到一些基本的位移、速度、加速度和力參數(shù)，一般以凸輪型線的正加速度寬度、閥系的自振頻率、凸輪與從動件的接觸應(yīng)力、凸輪的曲率半徑、彈簧裕度、豐滿度、潤滑系數(shù)等為運(yùn)動學(xué)評價指標(biāo)，而動力學(xué)模型考慮的因素更多，把物體都簡化成有集中質(zhì)量、剛度和相對阻尼的彈性質(zhì)點(diǎn)，考慮了各零部件的接觸和變形，動力學(xué)分析的結(jié)果可以得到很多更符合實(shí)際情況的一些信息，可以考察凸輪從動件的脫離接觸、彈簧各有效圈動力特性、閥面落座反跳和沖擊等情況。運(yùn)動學(xué)中要輸入的參數(shù)也較少，工作量小，但動力學(xué)中要考慮的因素較多，輸入的參數(shù)也多，工作量大。對于低速或低載發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析的結(jié)果差異不是很大，氣閥升程、速度和加速度曲線的整體趨勢相差無幾，兩者吻合較好，但在高速或重載發(fā)動機(jī)中，由于必須考慮配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)零部件的相互影響問題，其動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果有很大差異。一般情況下，先通過運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)出初步符合要求的凸輪型線，再進(jìn)行動力學(xué)分析加以驗(yàn)證和修正，不斷的反復(fù)調(diào)試出最優(yōu)化的配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能。

圖4　氣閥加速度的對比

圖5　凸輪接觸應(yīng)力的對比

圖6　氣門落座力曲線

2　配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型分析

本文的排氣側(cè)動力學(xué)模型如圖1所示。

其中動力學(xué)模型的模擬設(shè)置以兩個循環(huán)（即凸輪軸轉(zhuǎn)角720°）為其計(jì)算長度，步長取為0.5°。為與運(yùn)動學(xué)模型的結(jié)果作比較，將其兩者分析結(jié)果疊加在一張圖上顯示。

2.1氣閥升程的比較

從圖2可知，實(shí)際氣閥的最大升程為26.3355mm，與理論的設(shè)計(jì)值27.7mm出現(xiàn)了偏差，這說明動力學(xué)分析是對氣閥升程有影響的，另外，只從氣閥升程曲線看，氣閥沒有出現(xiàn)明顯的反跳現(xiàn)象。

2.2氣閥速度的比較

從圖3可以看到動力學(xué)分析的氣閥速度曲線出現(xiàn)震蕩，而運(yùn)動學(xué)分析沒有這一現(xiàn)象，但兩者的曲線趨勢比較一致。

2.3氣閥加速度的比較

從圖4可以看到動力學(xué)分析的氣閥加速度曲線出現(xiàn)很大的震蕩，與運(yùn)動學(xué)分析的最大加速度峰值存在較大的差別。

2.4凸輪接觸應(yīng)力的比較

從圖5可知，在凸輪的工作段沒有飛脫現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.5氣門落座力

從圖6可知，氣門落座時有輕微的落座力突然增大的現(xiàn)象?？芍?dú)忾T出現(xiàn)了反跳。適當(dāng)增大凸輪下降側(cè)的緩沖段的長度可以避免這種現(xiàn)象。

這里要說明的是，上述運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析采用的都是對稱型的凸輪型線，由于配氣機(jī)構(gòu)的性能要求對凸輪的上升側(cè)和下降側(cè)是不同的，在實(shí)際中往往采用非對稱型的凸輪型線，并要根據(jù)各種指標(biāo)的要求和重要程度進(jìn)行凸輪型線的調(diào)整和優(yōu)化，這需要反復(fù)調(diào)試和對比，工作量很大。就以凸輪型線的設(shè)計(jì)為例，緩沖段曲線基本型式有3種，工作段曲線型式有3種，若采用非對稱設(shè)計(jì)，則就有3的4次方81種組合方案，而且每種曲線型式的輸入?yún)?shù)也是不定的，至少有2個以上參數(shù)需要確定，這樣起碼有上千條凸輪型線要進(jìn)行分析和對比，這只能借助于計(jì)算機(jī)處理了。當(dāng)然，一些輸入?yún)?shù)的常用經(jīng)驗(yàn)值范圍是很重要的，這可以減少優(yōu)化分析的工作量和盲目性。

3　結(jié)語

配氣機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)動力學(xué)指標(biāo)參數(shù)（如氣閥的位移，速度，加速度，氣門落座力等）均在相應(yīng)的數(shù)量級范圍內(nèi)，故計(jì)算的結(jié)果具有一定的參考價值。

本文的凸輪型線設(shè)計(jì)，只考慮了在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的情況，沒有考慮在不同轉(zhuǎn)速下配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能的變化，通過多工況計(jì)算，有助于了解動力學(xué)結(jié)果隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢，從而可以推算出該閥系的適用轉(zhuǎn)速范圍，并且可以對超速極限工況進(jìn)行分析，總之，多工況計(jì)算必然可以提供很多的分析結(jié)果，可以為凸輪型線的設(shè)計(jì)指明需要修正的方向。

［1］路瓊瓊，李智，雷晶.內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.機(jī)械，2009，04：1-4.

［2］馬鋼.內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.太原科技，2008，12：86-87+89.

［3］張彤，楊建梅，張良，張彧.配氣機(jī)構(gòu)仿真分析及其可靠性研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2008，05：18-23.

［4］成曉北，倪宏俊，王宇業(yè)，黃立，胡云，黃承福.柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性的仿真與試驗(yàn)［J］.車用發(fā)動機(jī)，2011，01：70-74.

劉朋（1987—），男，安徽臨泉人，碩士，湖北文理學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院助教，研究方向：動力機(jī)械及工程；周海（1993—），男，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：汽車服務(wù)，載運(yùn)工具。