配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计概要.docx
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配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计概要
北京汽车文章编号:
1002-4581（200805-0024-04
配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计
余志敏1,罗马吉1,于佳1,张超建2,颜伏伍1
YUZhi-min1,LUOMa-ji1,YUJia1,ZHANGChao-jian2,YANFu-wu1（1.武汉理工大学汽车工程学院湖北武汉430070;2.江苏江淮动力股份有限公司江苏盐城224001
摘要:
应用AVL-tycon软件对某柴油机配气机构建立运动学和动力学计算模型,进行运动学和动力学计算,以便对配气凸轮型线进行优化设计。
通过气门丰满系数、凸轮与挺柱的接触应力和润滑效果、气门落座时是否出现反跳、气门弹簧是否出现并圈来评价凸轮型线的可行性。
关键词:
柴油机;配气机构;凸轮型线;优化设计
中图分类号:
TP391.9:
U464.134文献标识码:
A
0引言
凸轮型线的设计已从静态设计、动态设计发
展到系统动力学优化设计。
系统动力学设计考虑
配气机构的弹性变形,可更精确地描述配气机构
的运动和受力情况,并统一考虑机构动态参数与
凸轮型线,从而实现凸轮型线优化设计[1]。
AVL-tycon提供了配气机构运动学、动力学计算
及配气凸轮型线改进设计模块[2]。
本文使用该软
件对某柴油发动机建立配气机构运动学和动力
学计算模型,对凸轮型线进行优化设计与动力学
仿真计算,并分析计算结果,通过气门丰满系数,
凸轮与挺柱的接触应力和润滑效果、气门落座时
是否出现反跳、气门弹簧是否出现并圈来评价凸
轮型线的可行性。
1配气机构运动学和动力学计算模
型的建立
根据发动机配气机构结构形式,应用
AVL-tycon软件建立运动学和动力学计算模型,
建立的进气部分动力学模型如图1所示。
排气部
分动力学模型与进气部分类似,而运动学模型就
是在动力学模型的基础上减少凸轮轴转速激励
单元和支撑单元。
计算模型中将实际的配气机构描述成一个
串连的质量系统,大部分零件都可以描述成由弹
簧、阻尼、质量三部分组成的元素,参数设置完全
按照该款发动机实际参数输入。
图1配气机构进气部分动力学模型
2凸轮型线设计方法
发动机配气机构凸轮型线的设计也就是对
凸轮从动件运动规律的设计。
从动件升程规律的·配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计·
北京汽车
微小差异会引起加速度规律的很大变动,在确定从动件运动规律时,加速度运动规律最为重要。
凸轮型线设计包括工作段设计和缓冲段设计,设计方法通常用其工作段运动规律来命名[3]。
（1工作段设计
工作段是配气凸轮型线的关键部分,直接影响到配气机构的性能。
气门最大升程由发动机热力学性能要求决定,而凸轮的最大升程是由气门最大升程和气门间隙决定的。
AVL-tycon软件提供了三种常用的配气凸
轮工作段设计方法:
气门多项动力凸轮（POLY-DYNE、气门等加速凸轮
（STAC、气门分段加速度函数凸轮（ISAC组合多项式型中的一种
[1]
。
多项动力凸轮基本工作段的气门升程曲线是由高次多项式来设计的,然后考虑配气机构的弹性变形来进行凸轮设计,特点是气门升程曲线取某种高次多项式,这种凸轮具有良好的高速适应性,考虑了配气机构存在的弹性变形。
对于高次多项式,其幂指数选取对气门升程的丰满程度以及加速度曲线形状等均有直接影响[2][3]。
本文凸轮型线的优化设计采用了气门多项动力凸轮进行设计。
（2缓冲段设计
凸轮型线上的缓冲段高度主要是用于消除气门间隙和配气机构弹性形变。
凸轮所对应的挺柱升程曲线在上升段和下降段各有一缓冲段,目前所见到的多数设计其上升和下降缓冲段取成相同的。
缓冲段基本曲线类型要兼顾到缓冲段高度和缓冲段末段速度,其所占凸轮转角一般在
15°￣40°之间,高度一般为0.15￣0.50mm之间[4]。
在本次凸轮型线设计中采用的是相同的上下缓冲段,缓冲段曲线型式为等加速-等速缓冲段,上升和下降缓冲段高度取为0.3mm,缓冲段末段速度取为0.2m/s。
3运动学和动力学计算
由于配气机构常常具有较大的运动质量和
相对较小的机构刚度,故在运行中往往会产生
较大的变形和强烈的弹性振动,使气门不能按照凸轮所给定的规律运动,从而产生配气机构故障:
机构脱离、弹跳,气门落座速度过大,机构各部件间冲击力大,弹簧振动大及疲劳破坏。
配气机构动力学计算,是根据作用在弹性系统中各零件上力的平衡关系,考虑系统中的阻尼、间隙、脱离、落座等各种因素,建立气门运动的微分方程,求解一定转速下气门及其传动件的真实运动情况和受力情况,为设计和改进配气机构提供依据。
（1运动学计算
采用运动学计算可以得到气门运动规律。
根据所建立的配气机构运动学模型,运用多项动力凸轮方法进行凸轮型线的优化设计。
进、排气门的升程、速度、加速度变化曲线如图2、图3所示,可以看出气门升程曲线、加速度曲线连续光滑,加速度曲线在气门落座时速度出现小幅跳动。
图2
进气门升程、速度、加速度曲线
图3排气门升程、速度、加速度曲线
为了保证凸轮与从动件之间良好润滑效果,一般用流体动力评定特性数γ判定:
γ=ρ
R0+h
式中ρ为接触点处凸轮型线曲率半径,R0为凸轮基圆半径,h为挺柱升程,
此特性数即为文
·配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计·
北京汽车中所指的油膜润滑系数。
由γ的定义可以知道最
小油膜系数发生在凸轮桃尖区域,最小油膜系数
要求保持在0.15￣0.35之间[5]。
进、排气凸轮与挺
柱之间油膜系数曲线如图4、图5所示。
在进、排
气凸轮桃尖区可以看出该设计的最小油膜系数
分别为0.204、0.310,都在合适的范围内,表明
进、排气部分凸轮与挺柱润滑效果良好。
凸轮与
挺柱间接触应力大小以及凸轮与挺柱间油膜润
滑效果对凸轮与挺柱间磨损情况有直接影响,保
证合适的接触应力和合理的润滑效果,才能缓解
凸轮与挺柱间的磨损情况。
图4进气凸轮与挺柱之间油膜系数曲线
图5排气凸轮与挺柱之间油膜系数曲线
（2动力学计算
根据建立的配气机构动力学模型进行配气
机构动力学计算,在配气机构动力学计算中,考
虑了每个零件的弹性变形,计算了气门及其传
动件的运动和受力情况。
动力学结果评价主要
考察气门落座力,气门弹簧受力以及气门是否
存在反跳,凸轮和从动件之间是否存在飞脱现
象。
根据运动学的计算结果,把优化得到的凸轮
升程数据导入动力学计算模型中,配气机构的动
力学计算得到进气门实际升程曲线、进气门速
度、进气门内外弹簧各圈受力情况如图6、图7、
图8、图9所示。
图6进气门实际升程曲线
图7进气门速度曲线
图8进气门外弹簧各圈受力情况
图9进气门内弹簧各圈受力情况
根据气门的速度曲线可以看出气门关闭落
座有轻微反跳,但波动幅度很小,在允许范围内,
可以忽略。
从内外弹簧的受力情况可以看出,进
气门内外弹簧均未出现并圈现象。
另外根据计算
数据可以得到凸轮和挺柱之间的接触应力在整
个运动过程中始终大于零,说明两者之间没有飞
脱现象。
对比运动学和动力学计算的气门升程数据,
可以看出,在运动学下的气门最大升程和在动力
学下的气门最大升程之间存在差异,动力学计算
出来的气门升程比运动学计算出来的气门升程
小,这主要是配气机构本身的刚度相对较小,部
件热胀冷缩,且运动部件本身在运动过程中的弹
性变形导致实际的气门并不是按照理论设计的·配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计·
北京汽车
从表1和图9中看出,除第一、二阶模态和第十阶模态误差相对较大外,其余都基本一致。
4讨论
通过有限元方法和试验方法,分别得到了白
车身模态的计算值和试验值,二者对比结果显示,试验和计算值之间频率的误差控制在10%之
内,并且振型基本一致,证明建模方法基本正确,分析造成其中较大误差的原因主要有如下几种:
（1测量自由度与有限元模型中的自由度
不一致。
（2实验模态数据组不完整。
（3噪声侵染了测量。
（4阻尼没有被准确地包含在有限元模型中。
对于上述问题可以借助模型修正技术予以有效解决或改进。
模型修正技术可以根据试验数据检验并校正有限元模型,模型修正分析的结果是一个用以进一步预测的更为精确的有限元模型,可以作为后一阶段所要做的工作。
参考文献
[1]张平.轿车车身模态分析及结构优化设计[J].汽车技术,
2006（4:
5￣9.
[2]沃德·海伦,斯蒂芬·拉门兹,波尔·萨斯.模态分析理论与试验[M].北京理工大学出版社,2001.
[3]MSC/NASTRAN2005QuickReferenceGuide,MSC.SO-
FTWARE,2004.
[4]ANSAversion12.1.0User’sGuide,BETACAESYSTEM
S.A,July2006.
收稿日期:
2008-06-12
阶数
固有频率
模态振型描述
误差（%
试验
计算
128.9326.54车身绕X轴扭转和平移组合模态
8.26231.8729.94车身绕X轴一阶扭转模态6.08337.1537.99车身绕X轴扭转和局部模态2.26441.5041.80车身绕Y轴一阶弯曲模态;
顶部反向振动
0.72546.4945.21车身绕Y轴的二阶弯曲模态2.75656.1756.05车身绕Y轴的二阶弯曲;车
身头部局部模态
0.21757.2758.26车身头部局部模态
1.73858.6461.03车身绕X轴二阶扭转及车身
后部局部模态4.07960.9561.93车身头部扭转及后部局部模态
1.6110
61.83
65.67车身扭转及弯曲组合及后部
局部模态
6.21
表1
分析结果与试验结果的比较
曲线运动,动力学计算的气门运动规律更接近实际情况。
4结论
（1通过AVL-tycon建立柴油机配气机构运动学和动力学模型,经过计算分析,优化了凸轮型线,并从气门丰满系数、凸轮与挺柱的接触应力和润滑效果、气门落座时是否出现反跳、气门弹簧是否出现并圈来评价该凸轮型线可行性。
为了在实际情况中检验此次凸轮型线的设计是否合理,需要进行有关性能试验。
（2应用AVL-tycon软件所采用的优化设计与动态仿真方法,能使配气机构具有较佳的充气性能和良好的动态性能。
运用系统仿真的方法,
可在设计初期进行设计参数变化对性能影响的仿真实验,在新产品开发设计或改进设计过程中,大幅度提高其设计精度和效率。
参考文献
[1]AVL-tyconUser’sGuide.Version5.2,2004.
[2]吕林,王勇波.车用发动机配气机构运动学和动力学分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版,2006,30（6:
1011￣1014.
[3]杨连生.内燃机设计[M].中国农业机械出版社,1981.[4]乔军,李国祥.WD618.41柴油机配气凸轮型线的改进设计
[J].内燃机工程,2006,27（5:
50-53.[5]戴军.R16V280ZJ型柴油机配气凸轮动力学计算[J].常州轻工职业技术学院学报,2006,
（2:
20￣23.收稿日期:
2008-06-24
·配气机构动力学仿真与凸轮型线优化设计·
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