唐海嬌 夏志豪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

凸輪型線就是凸輪運動曲線，它控制氣門的開閉，配合曲軸和活塞運動進(jìn)行進(jìn)/排氣，凸輪型線的設(shè)計對發(fā)動機(jī)性能有很大的影響，良好的凸輪型線要求其既能使汽油機(jī)具有良好的充氣性能又能保證配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)且可靠地工作。不良的凸輪型線設(shè)計會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)充氣效率、功率及扭矩低，甚至配氣機(jī)構(gòu)運行不平穩(wěn)且不可靠。因此，凸輪軸型線的設(shè)計優(yōu)化尤為重要，而傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往需要大量的計算，非常復(fù)雜。運用CAE 對凸輪軸型線進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，可以方便地找出最優(yōu)的凸輪型線范圍，減少設(shè)計計算和試驗工作，降低開發(fā)周期和成本[1]。文章針對某改進(jìn)小型汽油發(fā)動機(jī)，運用AVLEXCITE TD 對凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，目的是改善對運動學(xué)和動力學(xué)的要求，同時提高發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速扭矩。

1 單閥系模型

1.1 單閥系結(jié)構(gòu)及模型的建立

該小型汽油發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)采用頂置凸輪機(jī)構(gòu)，由凸輪、平面機(jī)械挺柱、氣門、氣門彈簧、鎖夾及彈簧座組成，單閥系結(jié)構(gòu)形式和模型，如圖1 所示。

1.2 模擬及計算結(jié)果

根據(jù)該款汽油發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)，設(shè)置各部件質(zhì)量、剛度及阻尼等參數(shù)，動力學(xué)按發(fā)動機(jī)幾個關(guān)鍵轉(zhuǎn)速點附件（1 000，3 000，6 000 r/min）進(jìn)行計算，將原有凸輪型線導(dǎo)入到模型中，進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)計算，檢查其運動學(xué)和動力學(xué)是否滿足要求，主要評價標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。

表1 配氣機(jī)構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)

運動學(xué)檢查結(jié)果表明，該凸輪要求的挺柱直徑為26.9 mm，超出現(xiàn)有挺柱直徑26 mm 的要求。可見，優(yōu)化的目標(biāo)之一就是要改善型線，使其滿足直徑26 mm 的要求。

動力學(xué)的檢查包括兩方面：

1）氣門運動。圖2 示出優(yōu)化前氣門升程曲線，從圖2 可以看出，在轉(zhuǎn)速6 000 r/min 下氣門無反跳。落座速度滿足氣門落座速度＜0.5 m/s 的評判標(biāo)準(zhǔn)，氣門的落座力滿足氣門落座力小于6 倍彈簧預(yù)緊力（彈簧預(yù)緊力為120 N）的要求[2]，優(yōu)化前氣門落座速度和落座力曲線圖，如圖3 和圖4 所示。

2）凸輪與挺柱接觸應(yīng)力。圖5 示出優(yōu)化前凸輪-挺柱接觸應(yīng)力曲線，從圖5 可以看出，挺柱與凸輪最大接觸應(yīng)力為690 MPa，應(yīng)力值偏大（根據(jù)AVL 提供各材料下挺柱-凸輪的接觸應(yīng)力查得其限值為700 MPa），且伴隨有飛脫發(fā)生?？梢?，優(yōu)化的目標(biāo)是減小接觸應(yīng)力值，且避免飛脫。

2 優(yōu)化過程

配氣凸輪外形與氣門的通過能力（時面值大?。┖蜆?gòu)件加速度變化規(guī)律（動負(fù)荷大小）等有直接關(guān)系。因為凸輪外形與凸輪從動件的升程規(guī)律有對應(yīng)關(guān)系，而直接測量凸輪的幾何形狀十分困難，測量升程規(guī)律易于實現(xiàn)，所以實際上通常不直接設(shè)計凸輪幾何外形，而是設(shè)計從動件運動規(guī)律。本設(shè)計優(yōu)化凸輪型線是對氣門加速度曲線進(jìn)行優(yōu)化，因為它對機(jī)構(gòu)動力學(xué)影響最直接，而且對凸輪形狀的變化最敏感[3]。

凸輪型線的優(yōu)化要在滿足發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速下提高扭矩的要求外，還要滿足配氣機(jī)構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)的要求。從以上分析可以看出，原有凸輪型線的運動學(xué)和動力學(xué)分析存在挺柱直徑要求超差、Jerk 值偏大、凸輪與挺柱接觸應(yīng)力偏大及飛脫等情況，這也是優(yōu)化的目標(biāo)。

2.1 工作段優(yōu)化

凸輪型線工作段函數(shù)一般有POLYDYNE（氣門多項動力加速度函數(shù)）、STAC（氣門等加速度函數(shù)）及ISAC（氣門分段加速度函數(shù)）。多項式函數(shù)是一個光滑的具有充分適應(yīng)性的簡單形式，與ISAC 比較，缺乏局部控制的靈活性。氣門等加速度函數(shù)，常用于大中型低速發(fā)動機(jī)，使用比POLYDYNE 靈活。ISAC 可用任意函數(shù)自由搭配，靈活性好，如方便控制正加速度寬度等。本款發(fā)動機(jī)凸輪型線采用ISAC。凸輪寬度與平面挺柱接觸圖，如圖6 所示。

根據(jù)挺柱直徑（dT/mm）的設(shè)計要求，在某一轉(zhuǎn)速下dT和凸輪與挺柱接觸的瞬態(tài)偏心量（e/mm）計算公式為：

式中：w——凸輪接觸寬度，mm；

O——實際凸輪中心與挺柱中心的偏移量，mm；

emax——凸輪最大偏心率，mm；

v0——挺柱瞬態(tài)速度，mm/s；

ω——凸輪轉(zhuǎn)速，r/min；

可以看出，在給定轉(zhuǎn)速下，dT隨著emax減小而減小，e 隨著v0減小而減小。因此，通過優(yōu)化凸輪型線減小挺柱最大瞬態(tài)速度可使其滿足給定dT要求。本次優(yōu)化是通過在flank 后可設(shè)計一段常速度段削減最大正速度數(shù)值，即加速度曲線為零，如表2 所示。在正弦函數(shù)曲線末端加速度為零后再加入一段曲線末端加速度為零的直線函數(shù)，從而達(dá)到滿足挺柱直徑限制要求。

表2 優(yōu)化加速度為零的函數(shù)表

2.2 緩沖段優(yōu)化

緩沖段是連接基圓與工作段的過渡段，其作用主要是：開啟段消除閥系總間隙，其值等于換算到凸輪一邊的最大氣門間隙；消除預(yù)緊力引起的零件彈性預(yù)變形，該靜變形對應(yīng)的彈性恢復(fù)力足以抵消氣門彈簧預(yù)緊等。關(guān)閉段避免由于泄漏引起的液壓元件中長度損失的額外補(bǔ)償。氣門頭部與氣門座的工作條件較差，且氣門關(guān)閉側(cè)參與撞擊的氣門座等零件質(zhì)量較大，磨損會相對更大些，因此有時關(guān)閉側(cè)最大速度可小于開啟側(cè)。

在緩沖段設(shè)計時，一般上升段和下降段高度通常相等，車用為0.2～0.4 mm，緩沖段末端速度最大速度小于300 mm/s（運動學(xué)），高轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)可取下限，避免氣門過度沖擊和過大噪聲。緩沖段長度一般在15～40°范圍內(nèi)，與緩沖段高度、形狀及末端速度配合考慮。

圖7 示出幾種常見的緩沖段函數(shù)圖，本次優(yōu)化采用梯形函數(shù)，開啟側(cè)和關(guān)閉側(cè)對稱，高度取0.29 mm，緩沖段末端速度取0.3 m/s。

2.3 提高中低轉(zhuǎn)速性能的凸輪型線優(yōu)化

凸輪型線影響發(fā)動機(jī)性能主要有兩方面：一是氣門開啟和關(guān)閉時刻；二是凸輪的升程和工作包角。發(fā)動機(jī)在低速運行時，氣流慣性相對較小，如果長時間的氣門開啟反而會導(dǎo)致新鮮氣流回流。因此在配氣相位和氣門升程不變的情況下，想提高中低轉(zhuǎn)速性能可通過適當(dāng)減小凸輪工作包角，減小氣門持續(xù)開啟角以滿足中低轉(zhuǎn)速性能要求，優(yōu)化時需要兼顧到運動學(xué)和動力學(xué)的要求，調(diào)整各段參數(shù)，包括長度、函數(shù)及幅值等，凸輪型線優(yōu)化流程，如圖8 所示。在AVL boost 軟件里建立發(fā)動機(jī)整機(jī)性能分析模型，如圖9 所示。

3 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后凸輪型線包角和緩沖段角度，如圖10 所示。

3.1 運動學(xué)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后的配氣機(jī)構(gòu)運動學(xué)特性對比，如表3 所示。優(yōu)化后凸輪與挺柱最大接觸應(yīng)力和最大躍度都有較大改善，滿足挺柱直徑要求，優(yōu)化后潤滑系數(shù)雖有所降低，但仍滿足桃尖±30°內(nèi)大于0.15 的要求。

表3 優(yōu)化前后的配氣機(jī)構(gòu)運動學(xué)特性對比

3.2 動力學(xué)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力，如圖11 所示。優(yōu)化后接觸應(yīng)力幅值有較大幅度降低，同時也避免了飛脫的現(xiàn)象，如圖12 所示。氣門落座力及落座速度均滿足要求，如圖13 和圖14 所示。

3.3 性能優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后發(fā)動機(jī)性能對比分析結(jié)果，如圖15 和圖16 所示，仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的凸輪型線能夠明顯提高發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速扭矩。

4 結(jié)論

文章運用AVL Excite Timing Drive 軟件對某款自然吸氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，對配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行凸輪型線優(yōu)化。通過優(yōu)化得出：1）優(yōu)化后的型線滿足挺柱直徑要求，滿足基本的運動學(xué)和動力學(xué)要求，同時改善了凸輪與挺柱接觸應(yīng)力及最大躍度等性能；2）優(yōu)化后的型線明顯提高了發(fā)動機(jī)中低轉(zhuǎn)速扭矩。