05-轿车柴油机配气机构运动学和动力学仿真与分析-昆明理工牛彩云等

05-轿车柴油机配气机构运动学和动力学仿真与分析-昆明理工牛彩云等轿车柴油机配气机构运动学和动力学仿真与分析牛彩云＊1毕玉华申立中雷基林（昆明理工大学交通工程学院内燃机重点实验室650224）摘要：针对某轿车柴油机配气机构，应用AVLEXCITETimingDrive软件建立了运动学与动力学仿真模型并对其进行了分析。凸轮型线优化后，开启侧和关闭侧丰满度系数都提高到了0.56，提高了换气质量；接触应力和跃度分别降低到585.4N/mm^2和724.8mm/rad^3，降低了磨损和冲击。通过动力学仿真分析，液压间隙调节器（HLA）柱塞能够正常的建立起机油压力，无速度不适应；单向球阀能够正常而果断的开启并且正常的补油。整个配气机构在工作过程中未出现飞脱、反跳和弹簧并圈等现象。关键词：轿车柴油机液压间隙调节器配气机构仿真主要软件：AVLEXCITETimingDrive1.前言配气机构是内燃机的重要组成部分，其设计优良与否直接影响内燃机的动力性、经济性和可靠性[4]。因而开展配气机构运动学和系统动力学研究具有重要意义。传统机械挺柱式配气机构需预留气门间隙，气门间隙异常会影响气缸内的换气质量，严重时会导致燃烧恶化，并产生冲击噪声，影响其使用寿命[2]。为降低配气机构的振动和噪声,液压间隙调节器（HLA）（如图1）在轿车柴油机上的应用越来越广泛。采用HLA无需定期调整气门间隙,气门机构处于零间隙状态，消除了气门间隙引起的冲击和噪声。图1液压间隙调节器（HLA）图2HLA配气机构为分析HLA配气机构的动力特性，应用AVLEXCITETimingDrive软件建立某双缸轿车柴油机配气机构的运动学与动力学仿真计算模型并对其进行了性能分析和评价。1HLA配气机构工作原理HLA配气机构的运动是从凸轮开始，经过指形摇臂、HLA、气门弹簧、气门弹簧座以及气门锁夹等才把运动传递给气门（如图2）。所以发动机配气机构属于一个弹性而非刚性系统。在这个传动链中，各个零件几何形状不同、质量和刚度也不相同，因此在运动过程中1作者简介:牛彩云，女，硕士研究生；研究方向：内燃机结构设计与优化；E-mail：niuniu1670@可能产生各种各样的问题。HLA是气门机构传动链中通过高压机油柱传递力和运动，能自动消除气门间隙的装置。工作过程分为调整阶段和工作阶段。调整阶段：气门处于关闭状态，HLA外储油腔充满机油，柱塞向上移动补偿气门间隙。同时HLA内储油腔油压下降，外储油腔向HLA内储油腔补充机油直至压力趋于平衡，单向球阀关闭。工作阶段：内储油腔压力与柱塞弹簧力之和大于气门弹簧预紧力时气门开启，并根据配气相位角保持气门开启；当凸轮进入回程缓冲段后，在内储油腔高压机油压力和柱塞弹簧力作用下，进入HLA的调整阶段[3]2HLA配气机构仿真模型的建立在运动学计算中，将阀系简化为当量双质量模型，如图3所示。把系统只作为一个刚性体来考虑。但不能准确地描述配气机构各零部件的运动规律。在动力学仿真计算时，采用多质量模型（如图4），把各个部件都看做弹性质点，考虑了系统中各个弹性构件产生的弹性变形，可以比较精确地描述配气机构各零部件的运动规律。图3运动学当量双质量模型图4动力学多质量模型应用AVLEXCITETimingDrive软件，建立该发动机单个气缸进气部分SVT配气机构运动学和动力学模型，如图5和图6所示。图5HLA配气机构进气部分运动学模型图6HLA配气机构进气部分动力学模型3HLA配气机构模型计算结果分析3.1运动学计算结果与分析将测量得到的进气凸轮升程值导入进气部分运动学计算模型，得到凸轮的升程、速度及加速度曲线如图7所示。图7实测某柴油机凸轮和气门的升程、速度、加速度曲线由图7可知，凸轮升程和速度曲线都比较光滑，加速度曲线整体比较光滑，但是在开启侧出现阶跃点，导致丰满度系数不够。因此只需要对气门加速度曲线稍作优化即可。根据该柴油机的配气相位，进气凸轮的工作段为122°，通过AVLEXCITETimingDrive软件，采用ISAC方法选择含有线性函数、多项式和正弦函数曲线构成的连续过渡的凸轮型线。优化后的凸轮和气门升程、速度、加速度曲线如图8所示。优化前和优化后的各项技术参数以及其许用范围见表1。图8优化后某柴油机凸轮和气门的升程、速度、加速度曲线表1优化前后某柴油机的主要性能参数以及许用范围优化前优化后许用范围技术参数开启侧关闭侧开启侧关闭侧丰满度系数0.500.540.560.560.55N/mm^2.最大接触应力612.9585.8mm/rad^3最大跃度845.9724.8弹簧裕度2.12.91.1~1.2凸轮桃尖±30CAMdeg内0.15~0.35润滑系数0.1990.246优化后的凸轮型线，开启侧和关闭侧丰满度系数比原机均提高到了0.56，改善了换气质量；最大接触应力有了显著的下降，降低到了585..8N/mm^2，减少了凸轮与摇臂间的磨损；最大跃度相比原机降低到了724.8mm/rad^3，表明平稳性更好。此外，润滑系数和弹簧裕度也在许用值范围内。优化凸轮型线后的配气机构整体性能比优化前有所提高。3.2动力学计算结果与分析动力学计算是根据作用在弹性系统中各构件上力的平衡关系，考虑系统中的阻尼、间隙、脱离、落座等各种因素，凸轮与从动件相互影响等。通过配气机构动态仿真分析，可对配气机构各个构件进行瞬态运动和受力分析并且校核和评价凸轮型线优化后的动力学性能。在标定转速下，对该柴油机配气机构进行动力学仿真分析，其结果如下图所示。共计算了三个循环，以便观察可能产生的趋势。由于动力学计算时，第一循环的结果往往不能正确反映元件的运动特性，故取自第二循环后的结果。Lift(mm)3605407209001080equiv.camangle(deg)Velocity(m/s)3605407209001080equiv.camangle(deg)图9气门升程曲线图10气门速度曲线气门升程、气门速度和气门落座力是衡量气门是否存在反跳和二次开启的重要指标。气门升程曲线连续光滑且在闭合处无波动，如图9所示；由气门速度曲线可以得到最大气门落座速度为0.156m/s，小于所要求的气门许用最大落座速度0.5m/s；气门最大落座力为253.496N，而弹簧预紧力为230N，所以气门最大落座力小于6倍弹簧预紧力，气门不存在反跳和二次开启现象。SeatForce(N)equiv.camangle(deg)PressureatCam(MPa)equiv.camangle（deg）图11气门落座力曲线图12凸轮与摇臂接触应力曲线图12为凸轮与摇臂在整个接触过程中的应力变化情况。最大接触应力为585.8N/mm2，在允许最大接触应力范围内。凸轮轴工作状态比较稳定，在工作段没有发生飞脱现象，只是在气门落座以后，发生瞬时飞脱，随即由液压间隙调节器补偿，属于正常情况。Lift(mm)equiv.camangle(deg)Velocity(m/s)3605407209001080equiv.camangle(deg)图13液压间隙调节器柱塞升程曲线图14液压间隙调节器柱塞速度曲线图13~18为液压间隙调节器的柱塞、球阀等的工作变化曲线。由此可判定液压间隙调节器的工作过程是否出现不正常的动作、冲击、磨损、漏油、损坏等问题。由图13可知，柱塞在许用行程范围之内运动，保证了有效的液压缓冲作用。由HLA速度曲线图14可知，液压间隙调节器在受压和泄压时，没有出现强烈的速度冲击。如图15，柱塞能够正常的承受外力。柱塞具有良好的泵油效果；Force(N)equiv.camangle(deg)WorkingPressure(MPa)equiv.camangle(deg)图15液压间隙调节器柱塞受力曲线图16液压间隙调节器高压腔工作压力曲线当工作压力低于供油压力时，球阀开启，液压间隙调节器开始供油。液压间隙调节器供油压力为3bar，由上图16所示，液压间隙调节器高压腔能够正常地建立起机油压力，无异常的压力下降或上升趋势，也没有出现压力为0的情况。Lift(BallValve)(mm)3605407209001080equiv.camangle(deg)0.51.5Velocity(BallValve)(m/s)equiv.camangle(deg)图17液压间隙调节器球阀升程曲线图18液压间隙调节器球阀速度曲线HLA中的单向阀(球阀)及其弹簧构成了一个振动系统,它对气门机构动态特性非常敏感,反过来又影响气门机构的动态特性。单向阀的作用是每一至两个循环开启一次，以便补充工作过程中卸掉的机油量。由图17和18可知，液压间隙调节器单向阀能够正常而果断地开启并且正常的补油；单向阀球无过大的速度波动，球阀工作正常。Force-El.1(N)equiv.camangle(deg)-0.00100.0010.0020.0030.0040.0050.0060.007Lift-El.1(m)equiv.camangle(deg)图19气门弹簧各质量点受力图20气门弹簧各圈位移由弹簧的受力情况以及各圈的位移（图19和图20）可以看出，进气门弹簧个各圈受力均匀，未出现并圈现象，最小弹簧裕度满足要求，振动小。4结语1）配气机构凸轮型线优化后，提高了充气效率，降低了接触应力和最大跃度，此外，弹簧裕度、润滑系数等也在合理范围内；2）通过动力学的校核分析，配气机构没有出现飞脱、反跳和弹簧并圈现象，并且液压间隙调节器柱塞能够正常的建立起机油压力，球阀也能正常而果断的开启并且正常的补油。液压间隙调节器工作稳定。参考文献[1]尚汉冀．内燃机配气凸轮机构—设计与计算[M]．上海:复旦大学出版社,1988．[2]曹卫彬,梁安波,李江全．液压挺柱配气机构动力学模型计算的研究[J]．内燃机工程．2021,3．[3]李书军,王志伟,皋军．基于MATLAB有液压间隙调节器的气门机构的动力学模拟计算[J]．2021,10．[4]郭兰．配气优化设计．FOCUS,2021,10．[5]曹卫彬．汽油机中液压挺柱对配气机构动力学特性影响研究[D]．北京:中国农业大学,1996,06．[6]赵雨东等．有直动式液压间隙调节器的气门机构的动力学模型．汽车工程2021,22(3)[7]EXCITETimingDriveUsersGuide．AVL[8]EXCITETimingDriveTrainingCourse.AVL[9]K.Lee,“DynamicContactAnalysisfortheValvetrainDynamicsofanInternalCombustionEnginebyFiniteElementTechniques”,Proc.InstnMech.Engrs,PartD:J.AutomobileEngineering,vol.218,2021.