朱海鋒，陳聰，譚楊，謝亞軍，王澤湘

（長沙理工大學汽車與機械學院，湖南 長沙 410004）

175F型柴油機作為一種通用動力源在湖南地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用，但對其配氣機構(gòu)進行的動力學研究較少。此型柴油機采用底置凸輪軸式配氣機構(gòu)，內(nèi)燃機的配氣機構(gòu)決定了其進排氣特性，繼而影響發(fā)動機燃燒過程，它的設計是否優(yōu)良最終影響了內(nèi)燃機的各項性能。通過對配氣機構(gòu)的動態(tài)模擬能了解到其各個零件的真實運動情況、所受載荷變化規(guī)律；或者預知飛脫、反跳等不正常工況，判斷設計是否合理，工作是否可靠，從而在不進行實機驗證的情況下對設計進行改進。因此對柴油機配氣機構(gòu)動力學性能進行仿真分析的工作是必要的。

1 175F柴油機配氣機構(gòu)組成

175F型機的配氣機構(gòu)由凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門、氣門彈簧及鎖夾等零部件組成。采用下置式凸輪軸結(jié)構(gòu)、每缸二氣門型式、一體式進排氣凸輪軸，通過實體測繪后使用Pro/E軟件建立了該機構(gòu)的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 三維幾何模型

2 175F柴油機配氣機構(gòu)動力學性能的仿真分析

2.1 建模準備工作

底置凸輪軸配氣機構(gòu)其主要部件質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)由三維軟件Pro/E計算得到。部件幾何位置關系，也有Pro/E計算得到。剛度、阻尼等由試驗測得。動力學建模不同于運動學建模，將搖臂與氣門接觸處的曲線——曲線約束解除，而代之以碰撞力；氣門與氣門座之間，也定義一對碰撞力，模擬氣門落座力；搖臂的支撐鉸鏈解除，代之以柔性襯套；此外還定義氣門與機體間的彈簧力。為考察仿真過程中參數(shù)的變化，還要預先定義凸輪壓力角、凸輪與搖臂間相對滑移、搖臂與氣門間相對滑移等參數(shù)，以便以后處理時觀察仿真結(jié)果。

表1 發(fā)動機及其配氣機構(gòu)相關數(shù)據(jù)

2.2 在ADAMS中定義仿真模型

ADAMS/Engine是MSC與FEV和國際領先的發(fā)動機生產(chǎn)廠家聯(lián)合開發(fā)的軟件包，用于功能數(shù)字發(fā)動機?；贏DAMS動力學仿真，ADAMS/Engine提供了一整套標準化的仿真工具和方法，允許設計、測試、研發(fā)等各部門共享發(fā)動機模型和數(shù)據(jù)，同時基于模板的軟件環(huán)境中獲取發(fā)動機設計專家知識。在這里模型的配置按照以下步驟進行:

①創(chuàng)建配氣子系統(tǒng)，即創(chuàng)建推桿-搖臂型子系統(tǒng)。②替換氣門彈簧，選擇系統(tǒng)配置的“Vspring_mms”氣門彈簧。③修改板的半徑，“ModifyPlate”對話框中配置參數(shù)“16”。④修改配氣機構(gòu)參數(shù)，在“ParameterVariable”文本框中輸入測量值設定彈簧安裝長度、挺柱高度、推桿長度。⑤氣門系統(tǒng)創(chuàng)建，選擇默認的“_MDI_SVT_TESTRIG”作為試驗臺。⑥修改凸輪包角，通過菜單把包角設為“90°”。⑦執(zhí)行分析，在彈出的“SingleValveTrain Analysis:SteadyState”對話框中輸入如圖2所示的分析參數(shù)。

圖2 對話框圖

圖3 氣門升程曲線

2.3 仿真結(jié)果分析

圖4 氣門速度曲線

（1）氣門升程及速度曲線分析。氣門升程及速度曲線分析。如圖3和圖4所示分別為氣門升程曲線和氣門速度曲線，其光滑連續(xù)，配氣機構(gòu)運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)不連續(xù)的情況，說明氣門無飛脫現(xiàn)象產(chǎn)生。一般對于合金鋼材料的氣門座圈，其落座速度應小于0.6m/s,對于鑄鐵及粉末冶金材料的氣門座圈，其落座速度應小于0.3m/s,由氣門速度曲線可以得到最大氣門落座速度為0.25m/s小于許用落座速度，氣門升程曲線連續(xù)且在閉合處無波動，氣門落座速度也無跳動，表明氣門不存在反跳現(xiàn)象。

（2）氣門加速度曲線分析。氣門加速度是衡量配氣機構(gòu)平穩(wěn)性的重要參數(shù)，加速度曲線應該比較平順不能出現(xiàn)突變。在凸輪型線設計中，常將其正向加速度峰值和反向加速度峰值作為約束條件，控制凸輪接觸應力以及防止機構(gòu)中產(chǎn)生氣門飛脫。由加速度圖4可以看出，進氣門加速度圖可以看出，加速度最大值為27888m/s2,在允許的范圍內(nèi)。圖4表示了2600r/min時氣門加速度曲線，該曲線表明氣門最大正負加速度均未超出許可值范圍，說明氣門具有較好平穩(wěn)性，沒有發(fā)生反跳和飛脫等現(xiàn)象。

（3）凸輪與挺柱接觸力和接觸應力。圖5與圖6分別為凸輪挺柱

圖5 凸輪挺柱接觸力

圖6 凸輪挺柱接觸應力曲線

接觸力和接觸應力曲線。從圖中可以看出凸輪和搖臂工作接觸過程中無脫離現(xiàn)象。在配氣機構(gòu)組成零件中凸輪與挺柱的接觸應力最為嚴重。二者是發(fā)動機中一對重要的摩擦副，很容易發(fā)生過早磨損、刮傷、點蝕、甚至碎裂等故障，因此在設計階段必須進行校核計算。

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力來估算一般用接觸面的最大接觸應力來估算，由于凸輪與挺柱使用不同材料，二者之間允許接觸應力大小不一樣，因此必須選擇恰當?shù)呐鋵Σ馁|(zhì)、熱處理和表面處理方式，以及合適的挺柱型式，使接觸應力低于許用應力范圍，就可以緩解二者之間的磨損。

在2600r/min時，該種結(jié)構(gòu)型式下凸輪與挺柱接觸應力情況，如上圖6所示。由曲線分析可以得出:最大接觸應力為，根據(jù)經(jīng)驗，該種結(jié)構(gòu)型式下的最大接觸應力不超過常見值范圍（一般小于600MPa），那么凸輪與挺柱皆具有良好的抗磨損、抗刮傷和抗點蝕的性能，因此這對摩擦副的可靠性較高。

3 結(jié)語

本文針對175F柴油機配氣機構(gòu)進行了測繪，建模，利用ADAMS/Engine模塊，獲得了十分有價值的仿真結(jié)果，通過對這些結(jié)果的分析，在設計階段就可以對配氣機構(gòu)進行優(yōu)化設計，充分的提高了設計效率。實測數(shù)據(jù)也表面，配氣機構(gòu)運動學和動力學仿真計算是一種有效、可靠及準確度高的設計方法，它為凸輪型線和配氣機構(gòu)的設計和優(yōu)化奠定了良好的基礎，使內(nèi)燃機具有更好的外特性，不僅功率和扭矩得到提升，而且還可以降低配氣機構(gòu)零部件磨損，提高柴油機性能和使用壽命。使用ADAMS/Engine模塊對其進行了動力學仿真分析，獲得了該柴油機配氣機構(gòu)的主要動力學性能參數(shù):凸輪——挺柱接觸壓力、應力，氣門升程，氣門速度和加速度曲線，并根據(jù)仿真結(jié)果評價了該型柴油機的動力學性能，為后續(xù)改進提供了參考。

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