潘　克，王自勤，田豐果，陳家兌

(貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550003)

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氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)的緩沖過(guò)程仿真研究*

潘克，王自勤，田豐果，陳家兌

(貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550003)

摘要：針對(duì)某新型液壓容積調(diào)節(jié)式連續(xù)全可變配氣系統(tǒng)，提出氣門(mén)落座緩沖的必要性，并采用一種液壓節(jié)流式氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)。通過(guò)對(duì)氣門(mén)落座緩沖過(guò)程的理論分析，構(gòu)建了該緩沖機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件中的Simulink模塊進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，最終得到了在不同緩沖間隙下的氣門(mén)柱塞運(yùn)動(dòng)特性曲線，為氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：全可變配氣系統(tǒng)氣門(mén)落座緩沖數(shù)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)曲線

0引言

氣門(mén)作為發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的核心部件，通過(guò)開(kāi)啟和閉合實(shí)現(xiàn)氣缸內(nèi)外氣體的流動(dòng)和密封。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，氣門(mén)處在一個(gè)比較惡劣的工況條件下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min時(shí)，氣門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中最高速度高于4 m/s，氣門(mén)落座速度能達(dá)到2 m/s。在如此高的氣門(mén)落座速度下對(duì)氣門(mén)座圈進(jìn)行連續(xù)不斷的沖擊，會(huì)加劇磨損氣門(mén)頭部和氣門(mén)座圈，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致氣門(mén)桿斷裂而形成氣門(mén)失效。另外，過(guò)高的氣門(mén)落座速度會(huì)引起氣門(mén)反跳，使氣門(mén)不能正常關(guān)閉，導(dǎo)致車(chē)輛起動(dòng)困難、怠速不穩(wěn)、加速無(wú)力等情況。因此AVL公司標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為氣門(mén)的正常落座速度應(yīng)該小于0.7 m/s，高速運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)高于1 m/s[1]。

某新型液壓容積調(diào)節(jié)式連續(xù)全可變配氣系統(tǒng)中，氣門(mén)在氣門(mén)彈簧力和系統(tǒng)油液壓力共同作用下落座，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)油液壓力劇烈波動(dòng)，形不成有效的系統(tǒng)油壓緩沖力，造成氣門(mén)落座速度過(guò)快。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行，必須采取措施限制氣門(mén)的落座速度，使氣門(mén)平穩(wěn)落座，綜合考慮本配氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和液壓油特性，確定采用液壓節(jié)流式緩沖方案。

1氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)的工作原理

圖1　 氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

本配氣系統(tǒng)的氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示[2-3]，氣門(mén)與氣門(mén)柱塞下端相連，單向閥與氣門(mén)柱塞上端之間構(gòu)成緩沖腔。在氣門(mén)開(kāi)啟階段，系統(tǒng)油液通過(guò)單向閥推動(dòng)氣門(mén)柱塞運(yùn)動(dòng)，直至氣門(mén)完全開(kāi)啟。當(dāng)氣門(mén)閉合時(shí)，系統(tǒng)供油停止，單向閥關(guān)閉，氣門(mén)在氣門(mén)彈簧力和系統(tǒng)油液壓力共同作用下落座。在氣門(mén)落座過(guò)程末段，氣門(mén)柱塞進(jìn)入緩沖腔，緩沖腔內(nèi)的油液通過(guò)緩沖腔與氣門(mén)柱塞之間的縫隙進(jìn)行泄露，從而形成節(jié)流效應(yīng)，導(dǎo)致緩沖腔內(nèi)的油液壓力急劇升高，迫使氣門(mén)柱塞速度降低，最終達(dá)到平穩(wěn)落座。

2緩沖過(guò)程數(shù)學(xué)模型及仿真模型的建立

2.1數(shù)學(xué)模型建立

圖2　 氣門(mén)柱塞節(jié)流緩沖示意圖

當(dāng)氣門(mén)柱塞圓柱形端部進(jìn)入緩沖腔時(shí)，油液通過(guò)氣門(mén)柱塞與緩沖腔之間的縫隙流出，此時(shí)油液流動(dòng)屬于圓柱環(huán)形間隙流動(dòng)，該工況為剪切流動(dòng)和壓差流動(dòng)的組合[4-5]，簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2。圖中，P1為緩沖腔油壓；d1為緩沖腔直徑；d為氣門(mén)柱塞直徑；V為柱塞運(yùn)動(dòng)速度；δ為柱塞與緩沖腔間的間隙。

根據(jù)氣門(mén)柱塞的受力情況，同時(shí)考慮油液的粘性阻尼特性，建立氣門(mén)柱塞的力平衡方程[6]：

(1)

式中：m為氣門(mén)柱塞及氣門(mén)部件總質(zhì)量，kg；F為氣門(mén)彈簧力：F=[L-(L1+l0)-s]k，N，其中，L：氣門(mén)彈簧原長(zhǎng)，mm；L1：氣門(mén)完全開(kāi)啟時(shí)氣門(mén)彈簧的長(zhǎng)度，mm，l0：工作腔至緩沖腔的距離，mm，s：柱塞位移，mm，k：氣門(mén)彈簧剛度，N/m；Bc為油液粘性阻尼系數(shù)，N·s/m；Fσ為氣門(mén)及氣門(mén)柱塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力，N。

由于氣門(mén)柱塞運(yùn)動(dòng)方向與液壓油流動(dòng)方向相反，且該工況綜合了剪切流動(dòng)和壓差流動(dòng)，則流量特性方程為[7]：

(2)

式中：μ為油液的動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s。

在考慮液壓油可壓縮性的條件下，通過(guò)緩沖縫隙流出的油液體積等于氣門(mén)柱塞進(jìn)入緩沖腔內(nèi)的體積，因此，流量特性方程為[8]：

(3)

式中：V0為緩沖腔體積，mm3；βe為有效體積彈性模量，N/m2。

聯(lián)立式(1)-(3)，即可得到氣門(mén)落座緩沖過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

2.2仿真模型設(shè)計(jì)

Simulink是MATLAB軟件中的一種可視化仿真工具，為各種線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，利用Simulink模塊構(gòu)建其仿真框圖[9]，如圖3所示。

圖3　氣門(mén)落座緩沖過(guò)程仿真模型

3仿真結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速的相關(guān)參數(shù)實(shí)測(cè)曲線，得知在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的氣門(mén)落座前速度值，進(jìn)行氣門(mén)柱塞初始速度的設(shè)定；根據(jù)系統(tǒng)油壓變化值進(jìn)行緩沖腔內(nèi)緩沖初始油壓值的設(shè)定[10]。確定以下氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)m=0.165kg；L=44mm；L1=36mm；l0=5m；k=50 000N/m；Bc=15N·s/m；Fσ=10N；d1=10mm；μ=0.02Pa·s；V0=471mm3；βe=7×108N/m2，其中δ分別設(shè)置0.08 mm、0.10 mm、0.12 mm、0.14 mm，對(duì)比分析這四種情況下氣門(mén)柱塞的運(yùn)動(dòng)特性曲線，如圖4、圖5所示。

圖4　氣門(mén)柱塞不同節(jié)流間隙下速度、位移變化曲線圖

圖5　氣門(mén)柱塞不同節(jié)流間隙下緩沖腔油壓、位移變化曲線圖

圖4為通過(guò)設(shè)置氣門(mén)柱塞與緩沖腔之間的間隙，得出的氣門(mén)速度與緩沖位移之間的關(guān)系曲線；圖5為不同緩沖間隙下，緩沖腔油壓與緩沖位移之間的關(guān)系曲線。由圖4曲線可以看出，隨著緩沖間隙δ的不斷加大，氣門(mén)緩沖速度下降越來(lái)越慢，氣門(mén)速度緩沖到0.5 m/s的標(biāo)準(zhǔn)以下，緩沖長(zhǎng)度逐漸加大。由圖5曲線可以看出，當(dāng)增大緩沖間隙時(shí)，緩沖腔達(dá)到的最大壓強(qiáng)逐漸減小，壓強(qiáng)曲線較為平緩，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)造成的油壓沖擊相應(yīng)減小。

從圖4和圖5的緩沖結(jié)果可以分析得出，在氣門(mén)柱塞進(jìn)入緩沖段后，緩沖腔內(nèi)油壓逐漸加大，緩沖間隙越小，緩沖腔內(nèi)油壓上升越快，且油壓峰值越大。同時(shí)，緩沖間隙越小，氣門(mén)柱塞緩沖速度下降越快，緩沖行程越大。

4結(jié)論

本文通過(guò)分析某新型液壓容積調(diào)節(jié)式連續(xù)全可變配氣系統(tǒng)的氣門(mén)落座工況，選用一種液壓節(jié)流式氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)，并構(gòu)建該緩沖過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，利用Simulink進(jìn)行數(shù)值仿真。通過(guò)對(duì)氣門(mén)柱塞運(yùn)動(dòng)特性曲線的分析，確定采用的氣門(mén)落座緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)氣門(mén)落座有顯著的緩沖作用，在不同柱塞與緩沖腔間的間隙情況下，當(dāng)緩沖間隙加大，氣門(mén)落座速度下降越快，緩沖行程越大；緩沖腔達(dá)到的最大壓強(qiáng)逐漸減小，壓強(qiáng)曲線較為平緩。綜上所述，在保證緩沖行程的前提下，應(yīng)盡量增大緩沖間隙，以確保氣門(mén)平穩(wěn)落座。

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王自勤(1954-)，男，貴州貴陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)可變氣門(mén)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)械制造。

Simulation study on the buffering process of valve seating buffer mechanism

PAN Ke, WANG Ziqin, TIAN Fengguo, CHEN Jiadui

Abstract:Considering the necessity of valve seating buffer, we adopted a valve seating buffer mechanism with hydraulic throttle for a new-type hydraulic volume-adjustable continuously fully variable valve system. After theoretical analysis of the buffering process of the valve, we established a mathematical model of the buffer mechanism, carried out numerical simulation by Simulink in MATLAB, and obtained the motion curves of the valve plunger under different buffer gaps. The study provided reference for the optimization of valve seating buffer mechanisms.

Keywords:fully variable valve system; valve seating buffer; mathematical model; motion curve

收稿日期：2015-09-28

作者簡(jiǎn)介：潘克(1990-)，男，安徽銅陵人，碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，主要研究方向：現(xiàn)代制造工藝及裝備；

基金項(xiàng)目：貴州省科技廳貴州大學(xué)聯(lián)合基金(黔科合 LH 字[2014]7626)。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0047-03