孫利魏,蘇鐵熊,許俊峰,王 強(qiáng),徐春龍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051;2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,山西 大同 037036)

配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)的主要機(jī)構(gòu)之一,其功能主要為實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的換氣[1].高功率密度柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)工作在高壓和高轉(zhuǎn)速條件下,處在傳統(tǒng)柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)工作范圍上限之外,這要求配氣機(jī)構(gòu)一方面具有良好的換氣質(zhì)量,另一方面又要能夠穩(wěn)定、耐久地工作.由于柴油機(jī)總體布置的限制,配氣機(jī)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)存在較大的限制,但是配氣凸輪型線的設(shè)計(jì)則較靈活,故成為配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn),也是解決配氣機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵[2].

多項(xiàng)式函數(shù)設(shè)計(jì)與分段函數(shù)設(shè)計(jì)是車用發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪常用的設(shè)計(jì)方法,多項(xiàng)式函數(shù)是一個(gè)光滑的具有充分適應(yīng)性的簡(jiǎn)單形式,一般采用高次多項(xiàng)式函數(shù)優(yōu)化凸輪型線[3－6].采用該方法的缺點(diǎn)在于缺乏局部控制的靈活性,所得到的曲線滿足約束條件,但不是豐滿系數(shù)極限值.分段函數(shù)凸輪則能夠避免這種缺點(diǎn),邱述剛[7]、龍連春[8]、何云信等[9]在研究中采用分段函數(shù)優(yōu)化凸輪型線,取得了較好的進(jìn)氣性能與動(dòng)力性能.夏開(kāi)彥[10]、孔冰等[11]采用兩種設(shè)計(jì)方法對(duì)高速柴油機(jī)凸輪型線進(jìn)行了設(shè)計(jì),研究表明:高次多項(xiàng)式函數(shù)凸輪具有較好的運(yùn)行平穩(wěn)性,但是動(dòng)力性能弱于分段函數(shù)凸輪.葉慧飛等[12]的研究也指出了多項(xiàng)式函數(shù)凸輪在動(dòng)力性方面的不足.本文采用分段函數(shù)方法對(duì)配氣凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 配氣機(jī)構(gòu)模型

本文研究的原型機(jī)配氣機(jī)構(gòu)方案為頂置凸輪直接驅(qū)動(dòng)平面挺柱方案.這種方案具有充氣系數(shù)較高,燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊,以及內(nèi)燃機(jī)性能指標(biāo)較好的優(yōu)點(diǎn)[13].在配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中,雙質(zhì)量模型應(yīng)用較多[14－15],本文將閥系當(dāng)量成雙質(zhì)量模型,運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖 1所示.

圖1 配氣機(jī)構(gòu)模型Fig.1 V alv e train model

選擇豐滿系數(shù)作為配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo).該參數(shù)受到結(jié)構(gòu)、材料等諸多因素的影響,確定約束參數(shù)為自振頻率,正加速度寬度,躍度,接觸應(yīng)力,最小曲率半徑,彈簧裕度等.根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律、材料屬性與加工方法,得到約束參數(shù)限制條件.具體約束條件為:躍度1 500mm· rad－3;彈簧裕度 1.3;凸輪曲率半徑 4 mm;接觸應(yīng)力1 000 MPa;加速度 80 mm· rad－2;1.3,Θ為正加速度脈沖寬度,fvt為閥系固有頻率,ncam為凸輪轉(zhuǎn)速.

2 配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

原有方案凸輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為 4 000 r· min－1,基圓半徑為 16 mm,升程為 8.5 mm,氣門間隙為0.5 mm.原方案采用對(duì)稱的凸輪設(shè)計(jì),因此氣門開(kāi)啟段與氣門關(guān)閉段對(duì)稱.氣門開(kāi)啟段的升程、速度和加速度曲線如圖2所示,躍度及最小曲率半徑曲線如圖 3,圖4所示,接觸應(yīng)力及彈簧裕度如圖 5所示.從圖中分析可知,原有方案采用多項(xiàng)式函數(shù)設(shè)計(jì),120°工作段半包角,豐滿系數(shù)為 0.59,最小曲率半徑為 4.7mm,躍度為905 mm· rad－3,最大接觸應(yīng)力為 460 MPa,彈簧裕度 2.36.可以看出,原有方案的豐滿系數(shù) 0.59已經(jīng)比較大,但其它參數(shù)如彈簧裕度,最小曲率半徑,躍度及接觸應(yīng)力均不在極限值,有進(jìn)一步提高的可能.

圖2 升程、速度、加速度對(duì)比Fig.2 Lift,velocity and acceleration curves of original and optimized cams

圖3 躍度曲線對(duì)比Fig.3 Jerk curv es of o riginal and optimized cams

在保持原有配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,氣門彈簧,基圓和總升程以及零件材料等參數(shù)確定不變的條件下,凸輪型線存在進(jìn)一步優(yōu)化的潛力.因此本文采用分段函數(shù)方法進(jìn)行凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì),采用的分段函數(shù)形式為

圖4 曲率半徑曲線對(duì)比Fig.4 Minimum radius of curvature curv es of original and optimized cams

圖5 接觸應(yīng)力和彈簧裕度對(duì)比Fig.5 Contact stress and spring margins curves of original and optimized cams

對(duì)凸輪各分段確定約束條件,確定凸輪每一段設(shè)計(jì)在極值上,以此思想確定函數(shù)形式與優(yōu)化系數(shù)取值.所設(shè)計(jì)的配氣機(jī)構(gòu)凸輪加速度曲線見(jiàn)圖 6.

如上的設(shè)計(jì)可以使氣門快速開(kāi)啟和關(guān)閉,在滿足限定約束的條件下,使凸輪在 54.6°凸輪轉(zhuǎn)角內(nèi)達(dá)到全開(kāi)位置,使氣門達(dá)到最大升程.凸輪的豐滿系數(shù)為 0.599 3.所設(shè)計(jì)的凸輪廓線如圖 7所示.從凸輪輪廓線可以看出,所設(shè)計(jì)的最小工作段包角的凸輪已經(jīng)非常接近于切線凸輪.

與原有方案的升程、速度、加速度的對(duì)比曲線見(jiàn)圖2.與原有方案的躍度對(duì)比曲線見(jiàn)圖3.從圖 3中可以看出,躍度值處在許用躍度的限值.

圖6 最小工作段包角的加速度曲線設(shè)計(jì)Fig.6 Designed valve acceleration curv e by the minimum wrap angle of operating zone method

圖7 最小工作段包角凸輪廓線Fig.7 Cam outline by the minimum wrap angle of operating zone method

與原有方案的曲率半徑對(duì)比曲線如圖 4所示.從圖 4中可以看出,最大氣門升程點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最小曲率半徑由原有方案的 4.7 mm降低到4 mm許用限值.與原有方案的接觸應(yīng)力和彈簧裕度對(duì)比曲線如圖 5所示.從圖 5中可以看出,轉(zhuǎn)速為 0 r· min－1時(shí),最大接觸應(yīng)力由 459 M Pa提高到 705 M Pa.負(fù)加速度段的最小彈簧裕度由原有方案的 2.36降低到 2.09.從分析可知,彈簧裕度過(guò)大,可進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整彈簧的剛度來(lái)降低彈簧裕度.

3 優(yōu)化結(jié)果分析

氣門流通截面的比較如圖 8所示.由圖 8可以看出,氣門流通截面也較原有方案有較大的提高.在 4 000 r· min－1轉(zhuǎn)速時(shí),原有方案時(shí)面值為 4 126.8 mm2·ms,新設(shè)計(jì)方案時(shí) 面值為4489.7 mm2· ms,時(shí)面值提高了 8.7% .

圖8 氣門流通截面比較Fig.8 Flow area of valv es

利用 AVL－BOOST軟件對(duì)高功率單缸機(jī)進(jìn)行了進(jìn)氣性能分析,在相同的條件下,分析了進(jìn)氣充量系數(shù)的變化,結(jié)果如圖 9所示.由圖 9可以看出,新設(shè)計(jì)的配氣方案在高轉(zhuǎn)速區(qū)域明顯好于原有方案.在轉(zhuǎn)速低于 3 000 r· min－1的低轉(zhuǎn)速區(qū),充量系數(shù)差距很小,隨著轉(zhuǎn)速的提高,兩種方案的配氣機(jī)構(gòu)對(duì)充量系數(shù)的差異越來(lái)越大,新設(shè)計(jì)的配氣方案在高速段有明顯優(yōu)勢(shì).

圖9 配氣凸輪型線對(duì)進(jìn)氣充量系數(shù)的影響Fig.9 Charging coefficients

4 結(jié) 論

1)根據(jù)凸輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析對(duì)凸輪型線采用分段函數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì),可以使凸輪各工作段滿足約束條件,同時(shí)盡最大可能提高凸輪的進(jìn)氣性能;

2)優(yōu)化后的凸輪型線在約束條件范圍內(nèi),豐滿系數(shù)提高了 7%,時(shí)面值提高了 8.7%,與原方案相比,在高速段可以顯著提高充量系數(shù).

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