張辰，許濤，劉芯娟，胡宏德

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

某發(fā)動機配氣機構(gòu)動力學(xué)分析

張辰，許濤，劉芯娟，胡宏德

(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

采用分析軟件TYCON對某型發(fā)動機配氣機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析，對配氣機構(gòu)的凸輪-挺柱接觸應(yīng)力、氣門落座特性等進(jìn)行研究。結(jié)果表明：該配氣機構(gòu)的最大接觸應(yīng)力均小于許用限值，接觸力正常；氣門落座平穩(wěn)，沖擊力較小，氣門無反跳。

配氣機構(gòu)；接觸應(yīng)力；落座特性

0 引言

配氣機構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，其作用是按照發(fā)動機的工作順序和工作要求，定時開啟和關(guān)閉各缸的進(jìn)、排氣門，使新氣進(jìn)入氣缸、廢氣排出氣缸。配氣機構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響著發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放以及工作的可靠性，尤其是在高速情況下，要保證其在較惡劣的條件下仍能平穩(wěn)可靠地工作。

由于實際配氣機構(gòu)是一個彈性系統(tǒng)，工作時機構(gòu)的彈性變形會使位于傳動鏈末端的氣門運動產(chǎn)生畸變，并增大整個機構(gòu)各零部件之間的相互作用力，因此必須進(jìn)行配氣機構(gòu)動力學(xué)計算，查看是否有從動件飛脫、氣門反跳等不良現(xiàn)象。文中利用AVL TYCON分析軟件對某型發(fā)動機配氣機構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。

1 搭建計算模型

1.1 分析模型

該發(fā)動機配氣機構(gòu)是四氣門結(jié)構(gòu)，雙頂置凸輪軸，主要由凸輪軸、挺柱、頂桿、搖臂、氣門、氣門座圈以及氣門彈簧等零部件組成。根據(jù)配氣機構(gòu)實體結(jié)構(gòu)及零部件布置情況，在TYCON中建立全閥系計算模型。在計算中，進(jìn)氣和排氣單獨計算，未引入正時傳動模型。進(jìn)氣和排氣全閥系模型如圖1所示。

1.2 參數(shù)設(shè)置

搖臂剛度輸入通過有限元計算得到，參數(shù)和結(jié)果如表1所示。

表1 搖臂參數(shù)

凸輪軸參數(shù)如表2所示。

表2 凸輪軸參數(shù)

1.3 計算邊界和載荷

氣缸壓力施加在排氣門上的力如圖2所示。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 氣門升程曲線分析

圖3、圖4所示分別為進(jìn)、排氣門的氣門升程曲線。可以看出：進(jìn)氣門最大升程為8.96 mm，而排氣門最大升程為8.46 mm。無論是進(jìn)氣門升程曲線還是排氣門升程曲線，曲線均光滑連續(xù)，說明配氣機構(gòu)運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)不連續(xù)的情況，表示氣門無飛脫現(xiàn)象。且氣門升程曲線在閉合處無波動，說明氣門不存在反跳現(xiàn)象。

2.2 氣門落座特性分析

氣門落座時將會對氣門座產(chǎn)生沖擊，如果沖擊力過大，將會導(dǎo)致兩者之間的密封錐面被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致密封性能下降，最終使得發(fā)動機性能下降。此外，這種沖擊也是配氣機構(gòu)機械噪聲的主要噪聲源。因此，有必要對氣門的落座性能進(jìn)行分析。一般考查的是氣門落座速度，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)要求氣門落座速度小于1 m/s。

圖5、圖6分別是進(jìn)、排氣門落座的特性曲線圖，圖中包括氣門升程、氣門落座速度以及氣門落座力3條曲線。

可以看到：進(jìn)氣門在曲軸轉(zhuǎn)角1 355.5°時落座，落座速度為0.22 m/s，而排氣門則在曲軸轉(zhuǎn)角1 633.3°時落座，其落座速度為0.23 m/s，均小于1 m/s的限值，說明氣門落座平穩(wěn)，沖擊力較小，氣門無反跳現(xiàn)象。

2.3 凸輪-挺柱接觸應(yīng)力分析

在閥系中，凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力是最重要的摩擦源之一，是閥系疲勞失效的主要形式。二者的接觸應(yīng)力過大，容易引起發(fā)生過早磨損、刮傷、點蝕甚至碎裂等故障，因此在設(shè)計階段必須對凸輪-挺柱的接觸應(yīng)力進(jìn)行校核。凸輪與挺柱接觸表面的工作可靠性一般用接觸面的最大接觸應(yīng)力來估算，使最大接觸應(yīng)力低于許用應(yīng)力范圍，該機型接觸面的許用應(yīng)力為1 200～1 300 MPa。

圖7、圖8分別是6 000 r/min時，進(jìn)、排氣凸輪接觸應(yīng)力曲線圖，可以看到：進(jìn)氣凸輪最大接觸應(yīng)力為824.72 MPa，而排氣凸輪最大接觸應(yīng)力為1 022.24 MPa，均小于1 200～1 300 MPa的許用限值，接觸力正常，滿足要求，未發(fā)現(xiàn)飛脫現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

基于分析軟件TYCON，建立了發(fā)動機的全閥系模型，進(jìn)行了動力學(xué)計算，得到了相應(yīng)的氣門升程曲線、氣門落座特性曲線、接觸力曲線等。通過這些結(jié)果，有助于研究配氣機構(gòu)的動力學(xué)特性，能夠了解各零部件的真實運動情況、所受載荷變化規(guī)律以及預(yù)測飛脫等不正常工況，為配氣機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。將仿真技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機配氣機構(gòu)的開發(fā)過程中，不僅可以提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，還有利于縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)成本。

【1】陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:人民交通出版社,2003.

【2】劉朋,周海.發(fā)動機配氣機構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)研究[J].中國科技縱橫，2015(22):40-41.

【3】陳陽,姜學(xué)濤,劉建.配氣機構(gòu)動力學(xué)仿真分析[J].科技風(fēng)，2011(1):187.

【4】林平.發(fā)動機配氣機構(gòu)的動力學(xué)模型及計算分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,24(8):17-20.

Dynamic Analysis on Valve Train of a Certain EngineL

ZHANG Chen, XU Tao, LIU Xinjuan, HU Hongde
(Research & Development Canter,Anhui Jianghuai Automobile Co,.Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

TYCON software was used to make a dynamic analysis on valve train of a certain engine. Cam-follower contact stress and valve closing characteristics were studied. The results show that maximum contact stress is less than allowable stress and cam-follower contact force meets requirement, valve seat impact force is at a low level and valve bounce is not found.

Valve train; Contact stress; Valve closing characteristics

2016-04-13

張辰(1990—),女，本科，助理工程師，研究方向為發(fā)動機設(shè)計。E-mail:chen20122228@163.com。

U464.134

A

1674-1986(2016)06-050-03