符興勝

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海200092）

某型柴油機(jī)挺柱改進(jìn)及配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真

符興勝

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海200092）

針對(duì)某型柴油機(jī)挺柱與凸輪軸之間磨損的現(xiàn)象，將平底挺柱改為滾輪挺柱。應(yīng)用AVL-EXCITE Timing Drive軟件對(duì)改進(jìn)后的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后的各項(xiàng)參數(shù)以及接觸應(yīng)力、推桿力、氣門(mén)反跳、彈簧并圈來(lái)評(píng)估改進(jìn)方案的可行性。

柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)滾輪挺柱仿真

1 前言

隨著現(xiàn)代柴油機(jī)強(qiáng)化程度提高、排放升級(jí)、爆壓提升等發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)柴油機(jī)各機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的兩大機(jī)構(gòu)之一，其精確性、可靠性都必須得以保證，并隨著柴油機(jī)強(qiáng)化趨勢(shì)越來(lái)越受到重視。配氣機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過(guò)程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén)，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排出廢氣。現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)占有重要地位。其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著柴油機(jī)的技術(shù)性能、工作可靠性、耐久性和平穩(wěn)性。隨著柴油機(jī)平均有效壓力和轉(zhuǎn)速的提高，配氣機(jī)構(gòu)零件所承受的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷、摩擦磨損以及振動(dòng)噪聲急劇增加。為了保證柴油機(jī)具有良好的性能和壽命，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)提出了更高的要求[1～2]。本文正是在這種前提下，針對(duì)某型號(hào)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)在性能不斷提升過(guò)程中遇到挺柱與凸輪軸之間的磨損問(wèn)題，對(duì)原配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2 背景介紹

某型柴油機(jī)排量8.9 L，推出市場(chǎng)多年，原設(shè)計(jì)的配氣機(jī)構(gòu)如圖1所示。凸輪軸置于機(jī)體側(cè)面中部，通過(guò)挺柱推桿傳遞到搖臂驅(qū)動(dòng)氣門(mén)。近年來(lái)隨著排放法規(guī)的提升和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性等各方面要求的逐步提高，該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均作了較大幅度的提升。伴隨著這些改進(jìn)和提升，柴油機(jī)本體各系統(tǒng)均進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)，配氣機(jī)構(gòu)的磨損問(wèn)題日益突出，特別是凸輪軸和挺柱之間的磨損和點(diǎn)蝕故障越來(lái)越多?；谶@樣的現(xiàn)狀，須解決凸輪軸與挺柱間的磨損和點(diǎn)蝕問(wèn)題。通過(guò)AVL-EXCITE Timing Drive軟件對(duì)原設(shè)計(jì)方案的分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，進(jìn)排氣凸輪與挺柱底面接觸面的接觸應(yīng)力分別達(dá)到688.3 MPa和836 MPa，超過(guò)了鋼制平底挺柱的一般許用值680 MPa。因此改用在重型柴油機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用越來(lái)越廣、且已經(jīng)趨于成熟的滾輪挺柱，以代替原來(lái)的平底挺柱。使用AVL-EXCITE Timing Drive軟件模擬原方案與改進(jìn)方案，評(píng)價(jià)凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力是否得到改善，并進(jìn)一步對(duì)比2種方案，從配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行仿真計(jì)算來(lái)評(píng)估改進(jìn)方案的效果和可行性。

圖1 原機(jī)配氣機(jī)構(gòu)示意圖

3 方案說(shuō)明

原柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為平底挺柱、凸輪軸下置型，其優(yōu)點(diǎn)在于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于布置。考慮到售后反饋的配氣機(jī)構(gòu)耐久性問(wèn)題主要集中于凸輪與挺柱間的過(guò)度磨損，因此不改變配氣機(jī)構(gòu)的布置，只考慮將平底挺柱改為滾輪挺柱，并根據(jù)挺柱變更后凸輪型線(xiàn)跟隨性的差異，對(duì)凸輪型線(xiàn)進(jìn)行微調(diào)，盡可能保證氣門(mén)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)不發(fā)生大的變化。改進(jìn)后配氣機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖2。比較2種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的主要差異如下：

（1）滾輪挺柱質(zhì)量大于平底挺柱。根據(jù)零件實(shí)測(cè)滾輪挺柱的質(zhì)量為242 g，原平底挺柱質(zhì)量為160 g。

（2）推桿長(zhǎng)度有變化。由于挺柱結(jié)構(gòu)變化引起推桿比原來(lái)縮短24 mm。

（3）搖臂組件的接觸角度、接觸位置有變化。

（4）挺柱與凸輪之間的接觸由滑動(dòng)加轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)闈L動(dòng)狀態(tài)。

（5）平底挺柱改為滾輪挺柱，驅(qū)動(dòng)方式的改變會(huì)影響氣門(mén)開(kāi)啟和落座的加速度

圖2 改進(jìn)后的配氣機(jī)構(gòu)示意圖

4 建模與仿真

本次改進(jìn)設(shè)計(jì)主要集中于配氣機(jī)構(gòu)的耐久性和機(jī)械強(qiáng)度，不考慮氣缸之間的相互影響。且通常柴油機(jī)凸輪軸的扭轉(zhuǎn)剛度足夠大，因此從主要關(guān)注的耐久性、系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度上看，單獨(dú)閥系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與整個(gè)閥系的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果差異不大，可采用單閥系來(lái)模擬計(jì)算。

本次模擬分析主要采用AVL-EXCITE Timing Drive軟件建立配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用proE軟件測(cè)量零件質(zhì)量、位置尺寸等參數(shù)，應(yīng)用Abaqus計(jì)算零件剛度等參數(shù)，其余參數(shù)如潤(rùn)滑油參數(shù)、材料參數(shù)來(lái)自于零部件供應(yīng)商和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

4.1 建模準(zhǔn)備

原柴油機(jī)為成熟機(jī)型，質(zhì)量數(shù)據(jù)采用實(shí)物測(cè)量及模型校對(duì)的方法獲得；位置參數(shù)通過(guò)proE建立配氣機(jī)構(gòu)布置圖，進(jìn)而獲得距離、角度等機(jī)構(gòu)關(guān)鍵尺寸；缸內(nèi)壓力由樣機(jī)測(cè)試得到；氣門(mén)間隙直接測(cè)量樣機(jī)獲得；所有零部件的材料皆為配氣機(jī)構(gòu)零部件實(shí)際使用的材料。采用經(jīng)過(guò)校核的模型利用有限元軟件來(lái)計(jì)算主要結(jié)構(gòu)件的剛度。

氣門(mén)橋、搖臂、推桿都為配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的主要構(gòu)件，其剛度對(duì)整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)非常重要。圖3、圖4和圖5為剛度計(jì)算模型。有限元計(jì)算得到的剛度值見(jiàn)表1。

圖3 氣門(mén)橋剛度計(jì)算模型

圖4 搖臂剛度計(jì)算模型

4.2 仿真模型的建立

圖5 推桿剛度計(jì)算模型

表1 剛度計(jì)算值

AVL-EXCITE Timing Drive是奧地利AVL公司用于配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的軟件，其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算基于多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型的理論，采用多個(gè)集中質(zhì)量塊來(lái)簡(jiǎn)化模型。軟件本身提供了相應(yīng)的集成化模塊，具有友好的用戶(hù)界面，建立模型及參數(shù)輸入較為方便。其中運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析模塊，能夠通過(guò)仿真計(jì)算，明確氣門(mén)運(yùn)動(dòng)特性及配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)性能。幫助每個(gè)常規(guī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出最好的性能和最可靠的結(jié)果。配氣機(jī)構(gòu)的每一部分都用模塊元件單獨(dú)描述，這些模塊可以連接起來(lái)形成完整的配氣機(jī)構(gòu)模型。每一個(gè)建模用的元件都經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)以使用最少的自由度，但同時(shí)保留足夠的細(xì)節(jié)來(lái)確保仿真準(zhǔn)確度[3]。

4.2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

在AVL-EXCITE Timing Drive軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算中，閥系被當(dāng)量成雙質(zhì)量模型．即閥系當(dāng)量總質(zhì)量被分配到凸輪側(cè)和氣門(mén)側(cè)，其中凸輪側(cè)當(dāng)量質(zhì)量包括挺柱質(zhì)量和推桿質(zhì)量。氣門(mén)當(dāng)量質(zhì)量包括氣門(mén)方向運(yùn)動(dòng)的零件質(zhì)量和將轉(zhuǎn)動(dòng)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。閥系的當(dāng)量總剛度可通過(guò)對(duì)各零件剛度串聯(lián)求和得到。運(yùn)動(dòng)學(xué)閥系總當(dāng)量剛度不包含氣門(mén)剛度[4]。

4.2.2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

動(dòng)力學(xué)計(jì)算是將各部件看作彈性質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)作用在彈性系統(tǒng)中各構(gòu)件的力的彈性關(guān)系，并考慮系統(tǒng)中的阻尼、間隙、脫離、落座等各種因素，建立氣門(mén)運(yùn)動(dòng)的微分方程，最后求解各種轉(zhuǎn)速下氣門(mén)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。對(duì)動(dòng)力學(xué)結(jié)果的評(píng)價(jià)主要考慮從動(dòng)件的飛脫、氣門(mén)反跳、凸輪接觸應(yīng)力，氣門(mén)彈簧裕度以及彈簧并圈等現(xiàn)象。應(yīng)用AVL EXCITE Timing Drive軟件，根據(jù)柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)實(shí)體結(jié)構(gòu)及零部件布置情況，建立了進(jìn)、排氣系統(tǒng)單閥系動(dòng)力學(xué)仿真模型[4～5]，如圖6所示。

圖6 單閥系動(dòng)力學(xué)模型

5 分析結(jié)果及對(duì)比

配氣機(jī)構(gòu)改進(jìn)結(jié)果的分析，主要從系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度要求的角度來(lái)考慮，重點(diǎn)關(guān)注凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力、氣門(mén)落座速度、彈簧動(dòng)態(tài)力等。

5.1 凸輪型線(xiàn)設(shè)計(jì)變更結(jié)果

以原型機(jī)凸輪型線(xiàn)為參考，重新設(shè)計(jì)凸輪型線(xiàn)。型線(xiàn)設(shè)計(jì)變更前后的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8。

排氣型線(xiàn)設(shè)計(jì)變更前后主要差異：（1）凸輪挺柱間接觸應(yīng)力，由于接觸形式的改變，接觸應(yīng)力由688.3增大至904.7 MPa；（2）緩沖段末端氣門(mén)速度由2.228增大至3.308 mm/(°)；（3）開(kāi)啟、關(guān)閉段包角由64°、64°分別減為60°、58°；（4）開(kāi)啟、關(guān)閉段豐滿(mǎn)度由0.522 3、0.522 3增大至0.539、0.538 6。

圖7 排氣門(mén)運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線(xiàn)示意圖

圖8 進(jìn)氣門(mén)運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線(xiàn)示意圖

進(jìn)氣凸輪型線(xiàn)設(shè)計(jì)變更前后主要差異：（1）凸輪與挺柱間接觸應(yīng)力，由于接觸形式的改變，接觸應(yīng)力由836增大至842.8 MPa；（2）緩沖段末端氣門(mén)速度由1.91增大至2.3 mm/(°)左右；（3）開(kāi)啟、關(guān)閉段包角由58°、58°分別減為58.5°和57.5°；（4）開(kāi)啟、關(guān)閉段豐滿(mǎn)度由0.528 3、0.528 3增大至0.542、0.542 2。

5.2 改進(jìn)后的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

針對(duì)改進(jìn)后的配氣機(jī)構(gòu)，需要驗(yàn)算其滾輪挺柱與凸輪間的動(dòng)態(tài)接觸應(yīng)力、彈簧動(dòng)態(tài)力、氣門(mén)落座速度等，以評(píng)價(jià)改進(jìn)后配氣機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)要求。

圖9～圖11對(duì)改進(jìn)的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的結(jié)果進(jìn)行了整理：改進(jìn)后氣門(mén)動(dòng)力學(xué)升程、速度曲線(xiàn)均滿(mǎn)足一般設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力雖比原平底挺柱的高，但均小于滾輪挺柱的許用值；在整個(gè)氣門(mén)開(kāi)啟段沒(méi)有飛脫現(xiàn)象；緩沖段氣門(mén)速度有所升高，但氣門(mén)落座力平穩(wěn)、無(wú)反跳現(xiàn)象；推桿力均滿(mǎn)足屈曲強(qiáng)度要求；氣門(mén)彈簧顫振情況良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)并圈現(xiàn)象；

氣門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉段豐滿(mǎn)度提高，有利于進(jìn)排氣效率的提高。綜上所述并結(jié)合配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)后的配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果皆滿(mǎn)足使用要求。

圖9 動(dòng)力學(xué)型線(xiàn)、氣門(mén)速度及接觸應(yīng)力

6 結(jié)束語(yǔ)

為解決某成熟機(jī)型出現(xiàn)的挺柱底面與凸輪軸磨損問(wèn)題，將配氣機(jī)構(gòu)中的平底挺柱改為滾輪挺柱；并基于滾輪挺柱結(jié)構(gòu)以原凸輪型線(xiàn)為參考重新設(shè)計(jì)凸輪型線(xiàn)，應(yīng)用AVL-EXCITE Timing Drive軟件設(shè)計(jì)型線(xiàn)，并對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。

由分析結(jié)果得知，挺柱改進(jìn)后，型線(xiàn)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析皆滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。下一步著重從試驗(yàn)驗(yàn)證及性能優(yōu)化2個(gè)方向同步進(jìn)行，試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)后機(jī)構(gòu)的可靠性、耐久性等，并可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)分析模型進(jìn)行校驗(yàn)；另一方面，可以在性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)型線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化，可考慮在包角不變的前提下優(yōu)化凸輪型線(xiàn)，這樣改進(jìn)后的新型線(xiàn)在不調(diào)整配氣正時(shí)的情況下就可以直接應(yīng)用。

圖10 推桿力、氣門(mén)落座力曲線(xiàn)

圖11 氣門(mén)彈簧動(dòng)態(tài)力曲線(xiàn)

1尚漢冀．內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1998．

2柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì)．柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（中冊(cè)）[M]．1984．

3 AVL.AVL Excite TD Users Guide.2004.

4秦鳳蓮，畢玉華，申立中等．柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化[J]．拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)，2010（5）：71-73．

5李玉軍，楊建國(guó)．柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真與分析[J]．航海工程，2007（1）：60-64.

Simulation and Improvement of Tappet and Valve Train of a Diesel Engine

Fu Xingsheng
（Tongji University,Shanghai 200092,China）

To cope with the wear between the tappet and the cam shaft of a diesel engine,the flat tappet was changed into roller one.AVL-EXCITE Timing Drive software was employed for the simulation of the valve train.The feasibility of the improvement was evaluated by the comparison of the main parameters of the valve trains before and after the change,contact stress,push force,valve rebound and spring touch in particular.

diesel engine,valve train,roller tappet,simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.006

來(lái)稿日期：2013-06-16

符興勝（1981-），男，在讀工程碩士，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。