寧科亮

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

某款柴油機(jī)的凸輪軸優(yōu)化設(shè)計(jì)

寧科亮

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

研究了凸輪軸優(yōu)化設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。首先依附CAE模擬分析資源，對(duì)氣門(mén)升程曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后根據(jù)氣門(mén)升程曲線計(jì)算出對(duì)應(yīng)的凸輪軸凸輪型線，形成凸輪軸優(yōu)化方案。并計(jì)算了新的凸輪軸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。最后通過(guò)配氣機(jī)構(gòu)閥系模擬校核，確認(rèn)新設(shè)計(jì)方案符合運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)要求，最后通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)新方案進(jìn)行驗(yàn)證。

凸輪軸；凸輪軸設(shè)計(jì)；氣門(mén)升程；凸輪軸型線

凸輪軸作為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零部件，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)氣門(mén)按時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉，其直接影響著配氣機(jī)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。文章在某款柴油機(jī)凸輪軸的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置開(kāi)發(fā)目標(biāo)，依附CAE資源設(shè)計(jì)優(yōu)化方案并進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)該柴油機(jī)凸輪軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取得了良好的工程目標(biāo)。

1 凸輪軸的性能開(kāi)發(fā)目標(biāo)

結(jié)合原柴油機(jī)及凸輪軸的性能特點(diǎn)，提出本次優(yōu)化的主要目標(biāo)是提高該柴油機(jī)的低速動(dòng)力性能，并保證發(fā)動(dòng)機(jī)其他性能如經(jīng)濟(jì)性和排放性能等不低于原有發(fā)動(dòng)機(jī)。具體的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)性能目標(biāo)為：最大扭矩：240N·m，額定功率：72kW，低端扭矩：＞180N·m/1000rpm。

2 氣門(mén)升程曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 模擬計(jì)算目的及說(shuō)明

凸輪軸是通過(guò)控制氣門(mén)的升程來(lái)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣時(shí)間和進(jìn)氣量，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。所以首先需要根據(jù)開(kāi)發(fā)目標(biāo)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)升程和相位進(jìn)行模擬分析，本例中利用BOOST模擬軟件進(jìn)行計(jì)算分析從而形成三套氣門(mén)升程的優(yōu)化方案

本模擬計(jì)算的主要目的是采用AVL的氣體交換模擬軟件BOOST對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，通過(guò)修正氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)刻及氣門(mén)持續(xù)角度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣進(jìn)行優(yōu)化，形成優(yōu)化后的氣門(mén)升程方案。

2.2 輸入數(shù)據(jù)和基本假設(shè)

（1）計(jì)算模型。圖1是發(fā)動(dòng)機(jī)的BOOST計(jì)算模型。環(huán)境氣體從邊界SB1吸入，通過(guò)管1到空濾器CL1，再通過(guò)管2進(jìn)入渦輪增壓器，出來(lái)再通過(guò)管3導(dǎo)向中冷器CO1，再經(jīng)連接管4進(jìn)入進(jìn)氣歧管的諧振腔，用PL1代替，考慮到EGR的存在，容腔的一部分容積轉(zhuǎn)化成連接管16，17。管子5-8代表進(jìn)氣歧管和氣道，通過(guò)氣道將氣引到氣缸C1-C4。管子9-12代表排氣歧管和氣道，通過(guò)氣道將氣引到容腔PL2，再通過(guò)管13連接到增壓器TC1，經(jīng)管14連接到消聲器PL3，然后經(jīng)管15，通過(guò)SB2流向大氣。

圖1 計(jì)算模型

（2）壓力損失。為了發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到更好的性能，進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失、排氣背壓要盡可能的小。在計(jì)算模擬中，假設(shè)了下列的壓力損失：（一般發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)可以達(dá)到）

進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力降： ＜50mbar（標(biāo)定點(diǎn)）

中冷器壓降： ＜100mbar（標(biāo)定點(diǎn)）

排氣背壓： ＜350mbar（標(biāo)定點(diǎn)）

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦。FMEP：摩擦平均有效壓力，僅考慮機(jī)械損失，比如：所有軸瓦的摩擦；活塞、活塞環(huán)和缸筒的摩擦；氣門(mén)系統(tǒng)的摩擦；驅(qū)動(dòng)動(dòng)力附件的損失等。IMEP：指示平均有效壓力，考慮了熱量損失、泵氣損失。BMEP：制動(dòng)平均有效壓力。三者的關(guān)系為：BMEP=IMEP-FMEP。

（4）氣道流量系數(shù)。μσ流量系數(shù)：是指實(shí)際流量和理論流量的比值，無(wú)量剛。實(shí)際流量mmean：是通過(guò)在指定壓降下，測(cè)量在不同氣門(mén)升程下的流量。理論流量mth：是通過(guò)理論計(jì)算得到在不同氣門(mén)面積下的流量。

式中：μσ為流量系數(shù)；mmean為實(shí)際流量（kg/s）；mth為理論流量（kg/s）；Aν為氣門(mén)座面積（m2）；Δp為壓力降（Pa）；ρm為平均密度（kg/m3）。

氣道的流通特性需要通過(guò)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際測(cè)量得到的流量和壓差通過(guò)換算轉(zhuǎn)換成流量系數(shù)。如果沒(méi)有試驗(yàn)測(cè)量手段，當(dāng)氣道的形狀與一個(gè)已知流通特性的氣道結(jié)構(gòu)相似時(shí)，也可以根據(jù)相似原理，采用無(wú)量剛的氣門(mén)升程定義的方法，對(duì)氣道的流通特性進(jìn)行定義。當(dāng)然，也可以通過(guò)CFD分析軟件，通過(guò)三維建模分析的方法計(jì)算得到氣道的流量系數(shù)。

（5）氣門(mén)升程曲線。氣門(mén)正時(shí)影響充氣效率，從而影響扭矩特性、高壓循環(huán)的指示效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失。IVC遲關(guān)有利于充分利用氣體運(yùn)動(dòng)動(dòng)量，提升充氣效率，但過(guò)遲會(huì)發(fā)生倒流。EVO遲開(kāi)有利于充分利用氣體膨脹功能量，但同時(shí)會(huì)增加泵氣損失功。所以正時(shí)是優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要參數(shù)。

2.3 計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化方案建議

通過(guò)分析計(jì)算，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻提前，排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻退后有利于低速進(jìn)氣量；重疊角減小有利于低速充氣效率。具體給出以下三個(gè)方案：方案一：進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻提前10°，排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻退后10°，1000rpm扭矩達(dá)到182（N·m）；方案二：進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻提前20°，排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻退后20°，1000rpm扭矩達(dá)到193（N·m）；方案三：進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)刻提前10°，排氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻退后10°，重疊角減小10°1000rpm扭矩達(dá)到187（N·m）；各方案的低端扭矩、最大扭矩和高端扭矩如表1所示。

表1 各方案與原方案對(duì)比

各方案的氣門(mén)升程對(duì)比如圖2所示，各方案與原方案過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)比如圖3所示，各方案與原方案低端扭矩對(duì)比如圖4所示。

圖2 各方案的氣門(mén)升程對(duì)比

圖3 各方案與原方案過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)比

圖4 各方案與原方案低端扭矩對(duì)比

通過(guò)以上各方案數(shù)據(jù)對(duì)比，方案優(yōu)先級(jí)別為：方案三，方案一，方案二。

3 凸輪軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)CAE設(shè)計(jì)形成的氣門(mén)升程方案，對(duì)凸輪軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定新凸輪軸方案的凸輪型線曲線。

（1）計(jì)算方法及說(shuō)明。凸輪型線設(shè)計(jì)，主要是計(jì)算在凸輪型線的作用下從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，檢查反映該運(yùn)動(dòng)規(guī)律的各相關(guān)指標(biāo)是否滿足要求。運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算不考慮零部件間的脫離，認(rèn)為系統(tǒng)是剛性的，從動(dòng)件嚴(yán)格按凸輪型線確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。凸輪型線設(shè)計(jì)常采用分段加速度函數(shù)法，將目標(biāo)氣門(mén)升程的加速度曲線由整體分成幾段，從而實(shí)現(xiàn)精確控制，使設(shè)計(jì)出來(lái)氣門(mén)升程與熱力學(xué)升程曲線相符合，從而完成凸輪型線的設(shè)計(jì)。

（2）計(jì)算結(jié)果。根據(jù)三套氣門(mén)升程方案，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的三套凸輪軸凸輪升程表，如圖5、圖6、圖7所示：

圖5 方案一凸輪升程表

圖6 方案二凸輪升程表

圖7 方案二凸輪升程表

4 優(yōu)化方案的CAE驗(yàn)證

針對(duì)已形成的三套凸輪軸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為了確保新方案的正確性，需要通過(guò)閥系模擬計(jì)算，檢驗(yàn)方案的可行性。

（1）引用規(guī)范及模型搭建。本模擬分析主要參考《單閥系分析指南》，利用AVL Excite_TD軟件，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬。閥系結(jié)構(gòu)示意圖如8所示，閥系分析模型如圖9所示。

圖8 閥系結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 單閥系分析模型

（2）輸入?yún)?shù)。模型各元件質(zhì)量參數(shù)主要通過(guò)Pro/E測(cè)量得到，剛度參數(shù)主要通過(guò)有限元FEA計(jì)算得到。凸輪軸材料為45#鋼，挺柱為合金冷激鑄鐵，搖臂為鋁合金。各元件主要參數(shù)如表2所示。

表2 各元件主要參數(shù)

（3）結(jié)果確認(rèn)。①氣門(mén)與活塞碰撞校核。本次計(jì)算對(duì)原始及優(yōu)化后凸輪型線所對(duì)應(yīng)的氣門(mén)與活塞運(yùn)動(dòng)學(xué)最小動(dòng)態(tài)間隙進(jìn)行了計(jì)算和結(jié)果提取，具體結(jié)果見(jiàn)表3。各方案下氣門(mén)與活塞最小動(dòng)態(tài)間隙均大于設(shè)計(jì)值1.1mm，滿足要求，不會(huì)發(fā)生氣門(mén)撞活塞問(wèn)題。②運(yùn)動(dòng)學(xué)其他結(jié)果。

表3 氣門(mén)與活塞最小間隙

表4提取了其他部分運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果值，由計(jì)算結(jié)果可以得出：氣門(mén)彈簧裕度滿足要求，氣門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中不會(huì)發(fā)生“飛脫”現(xiàn)象；雖然新方案氣門(mén)升程降低，但其包角變小，導(dǎo)致曲率半徑也變小，使得凸輪與挺住最大接觸應(yīng)力變化不大。在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中要進(jìn)一步查看凸輪與挺住間的接觸應(yīng)力；各方案凸輪型線均無(wú)負(fù)曲率，容易加工；新方案氣門(mén)升程與目標(biāo)升程符合良好，氣門(mén)升程豐滿度均在0.55左右，符合要求，能夠獲得較好的充氣效率。

表4 運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果數(shù)值統(tǒng)計(jì)

5 優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)已經(jīng)形成的三套凸輪軸優(yōu)化方案，制作樣件在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，低端扭矩試驗(yàn)結(jié)果與方案設(shè)計(jì)的計(jì)算值比較接近，很好地完成了開(kāi)發(fā)目標(biāo)。如表5所示：

表5 各方案試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮高端扭矩和排放等其他因素，擇優(yōu)選擇方案三作為后期量產(chǎn)方案。

6 結(jié)語(yǔ)

凸輪軸作為影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的關(guān)鍵零部件，其基本開(kāi)發(fā)流程和方法如下：先根據(jù)設(shè)計(jì)性能要求，通過(guò)CAE模擬計(jì)算分析，形成氣門(mén)升程方案，并據(jù)此計(jì)算出凸輪軸凸輪型線；并根據(jù)閥系模擬計(jì)算，對(duì)凸輪型線的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)情況進(jìn)行校核，最后以凸輪軸圖紙的形式形成設(shè)計(jì)輸出，用于指導(dǎo)凸輪軸的生產(chǎn)和檢測(cè)。

通過(guò)以上步驟可以系統(tǒng)地完成凸輪軸的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作，輸入和輸出明確，流程清晰，提高凸輪軸設(shè)計(jì)工作的效率和準(zhǔn)確性，能更好地服務(wù)于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。

［1］陳家瑞.汽車(chē)構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］王明武.內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪的研究與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］永剛.凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1995.

［4］袁兆成.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Optimization Design of Camshaft for a Diesel Engine

NING Ke-liang

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230601，China）

This paper studies the development process of optimized design of camshaft.The first attachment CAE to simulate and analyzes the resources of valve lift curve to optimize the design，then according to the valve lift curve calculates the camshaft profile corresponding to the formation of the camshaft optimization scheme.And the influence of the new camshaft on the engine power and economy is also calculated.Finally through the valve system simulation check，it confirms that the new design scheme is in line with the kinematics and dynamics requirements，and finally through the bench test to verify the new scheme.The whole process is feasible and effective，can effectively serve the development of the work.

camshaft；camshaft design；valve lift；camshaft profile

U664.121

A

2095-980X（2017）01-0059-03

2017-12-23

寧科亮（1987-），男，陜西咸陽(yáng)人，大學(xué)本科，助理工程師，主要研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。