楊興共，阮仁宇，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某發(fā)動機(jī)單閥系動力學(xué)分析

楊興共，阮仁宇，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶為研究配氣機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性，文章某四缸汽油機(jī)為研究對象，通過分析軟件TYCON，建立了發(fā)動機(jī)的單閥系模型，進(jìn)行了運動學(xué)以及動力學(xué)計算，對配氣機(jī)構(gòu)的凸輪-挺柱接觸應(yīng)力、氣門落座特性等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：閥系運動學(xué)結(jié)果均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)；該配氣機(jī)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；氣門彈簧受力平穩(wěn)，無并圈現(xiàn)象發(fā)生。

∶配氣機(jī)構(gòu)；接觸應(yīng)力；落座特性；并圈

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.046

CLC NO.: U464.13Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-132-03

前言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，其作用是按照發(fā)動機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)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)可靠的工作。

由于實際配氣機(jī)構(gòu)是一個彈性系統(tǒng)，工作時機(jī)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(jī)構(gòu)各零部件之間的相互作用力，因此必須進(jìn)行配氣機(jī)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。本文以某四缸汽油機(jī)為研究對象，利用AVL TYCON分析軟件對其配氣機(jī)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(jī)閥系主要由凸輪軸、挺柱、頂桿、搖臂、氣門、氣門座圈以及氣門彈簧等零部件組成，采用雙頂置凸輪軸布置結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械式圓柱形挺柱，凸輪驅(qū)動氣門開閉。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)氣和排氣閥系計算模型如圖1、圖2所示。

圖1　進(jìn)氣分析模型

圖2　排氣分析模型

1.2輸入?yún)?shù)

發(fā)動機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)動機(jī)基本參數(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

氣門在工作的過程中，承受氣缸內(nèi)的氣體壓力，缸壓載荷如圖3所示。

圖3　氣門承受的缸壓載荷

2、運動學(xué)分析

圖4、圖5所示的分別是進(jìn)/排氣門型線相位圖。由圖中可知，進(jìn)氣門間隙0.2mm，對應(yīng)1mm升程的氣門包角為225°曲軸轉(zhuǎn)角。而排氣門間隙為0.3mm，對應(yīng)1mm升程的氣門包角為181°曲軸轉(zhuǎn)角。均在一個合理的范圍內(nèi)。

圖4　進(jìn)氣門型線相位

圖5　排氣門型線相位

閥系運動學(xué)結(jié)果見表3所示，從計算結(jié)果來看，各項結(jié)果指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)。

表3　運動學(xué)計算結(jié)果數(shù)值統(tǒng)計

3、動力學(xué)分析

動力學(xué)分析是在運動學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行，在滿足理論氣門工作要求后，檢驗動態(tài)特性。運動學(xué)計算中只考慮閥系總剛度，而動力學(xué)計算中則要考慮從動件系統(tǒng)中各彈性構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形，故各部件可看做彈性質(zhì)點。

3.1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(jī)型接觸面的許用應(yīng)力為800-850MPa。

圖6、圖7分別是額定工況（4850rpm）時，進(jìn)、排氣凸輪接觸應(yīng)力曲線圖，從圖中可以看到，進(jìn)氣凸輪最大接觸應(yīng)力為405MPa，而排氣凸輪最大接觸應(yīng)力為681MPa，均小于800-850MPa的許用限值，接觸力正常，滿足要求，未發(fā)現(xiàn)飛脫現(xiàn)象。

圖6　進(jìn)氣凸輪接觸應(yīng)力曲線圖

圖7　排氣凸輪接觸應(yīng)力曲線圖

3.2氣門落座特性分析

圖8　進(jìn)氣門落座的特性曲線圖

圖9　排氣門落座的特性曲線圖

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(jī)性能下降。此外，這種沖擊也是配氣機(jī)構(gòu)機(jī)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。一般我們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1m/s。

圖8、圖9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三條曲線。從圖中可以看到，進(jìn)氣門落座速度為0.3m/s，而排氣門落座速度為0.4m/s，均小于1m/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。

3.3氣門彈簧動態(tài)特性分析

分析氣門彈簧的動態(tài)特性，主要是考察氣門彈簧是否存在并圈現(xiàn)象，所謂并圈是指彈簧相鄰簧圈發(fā)生碰撞的現(xiàn)象，這將直接影響彈簧的性能，進(jìn)而影響整個配氣機(jī)構(gòu)的正常運行，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致彈簧產(chǎn)生塑性變形進(jìn)而損壞彈簧，因此，在設(shè)計中必須避免彈簧并圈現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10、圖11所示的分別是進(jìn)、排氣門彈簧的受力曲線圖，從圖中可以看到，彈簧受力曲線光滑平穩(wěn)，不存在受力突變的地方，說明彈簧無并圈現(xiàn)象發(fā)生，受力正常。

圖10　進(jìn)氣門彈簧的受力曲線圖

圖11　排氣門彈簧的受力曲線圖

4、結(jié)束語

本文通過分析軟件TYCON，建立了發(fā)動機(jī)的單閥系模型，進(jìn)行了運動學(xué)以及動力學(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(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性，能夠了解到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(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。這樣將仿真技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)配氣機(jī)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.2003,02.

[2] 劉朋,周海.發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)研究[J].中國科技縱橫,2015（22）.

[3] 陳陽,姜學(xué)濤,劉建.配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真分析[J].科技風(fēng),2011（01）.

Dynamic Analysis on Single Valve Train of a Certain Engine

Yang Xinggong, Ruan Renyu, Liu Xinjuan
(Anhui Jianghuai Automobile Co,. Ltd, Anhui Hefei 230601)

In order to study dynamics characteristic of valve train, the article built single valve train model and had a

kinematics and dynamic analysis on valve train of a certain 4-cylinders gasoline engine by using TYCON. Cam-follower contact stress and valve closing characteristics were studied. The result showed that kinematics results met evaluation standard, maximum contact stress was less than allowable stress, cam-follower contact force met requirement, impact force valve seat was at low level and valve bounce was not found, and valve spring was smoothly, collision was not found.

Valve Train; Contact Stress; Valve Closing Characteristics; Collision

∶U464.13

∶A

∶1671-7988 (2016)09-132-03

楊興共（1990 -），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要工作是技術(shù)管理。