(1. 上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；2. 上海市汽車(chē)動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804)

0 前言

氣門(mén)機(jī)構(gòu)也稱(chēng)配氣機(jī)構(gòu)，主要用來(lái)保證氣缸內(nèi)充氣效率高、換氣損失小，使得發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)，要求其本身工作平穩(wěn)可靠，噪聲低。氣門(mén)機(jī)構(gòu)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)換氣過(guò)程，即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的工作順序，定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén)，以保證排出廢氣和吸入新鮮空氣。

近年來(lái)，關(guān)于氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算研究較多，發(fā)展?jié)u趨成熟，作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，對(duì)氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證并開(kāi)展相關(guān)指導(dǎo)設(shè)計(jì)已經(jīng)顯得尤為重要。

本文利用一維軟件RICARDO/VALDYN，采用一維與三維相結(jié)合的方法建立了氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。且在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)影響動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，為今后的氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算提供了指導(dǎo)和參考。

1 氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，就是根據(jù)作用在彈性系統(tǒng)中各構(gòu)件上的力的平衡關(guān)系，并考慮系統(tǒng)中的阻尼、間隙、脫離，落座等各種因素，建立氣門(mén)運(yùn)動(dòng)微分方程并進(jìn)行求解的一種計(jì)算方法。氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析主要是考察凸輪飛脫、氣門(mén)落座、氣門(mén)彈簧振動(dòng)等動(dòng)態(tài)特性，動(dòng)態(tài)特性的好壞直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲，以及工作的可靠性，因此動(dòng)態(tài)特性對(duì)氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究有重大意義。

1.1 數(shù)學(xué)模型

氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算是將復(fù)雜的零部件簡(jiǎn)化成等效的數(shù)學(xué)模型，然后采用不同的理論方法進(jìn)行求解計(jì)算。氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算中常用的數(shù)學(xué)模型包括單質(zhì)量模型和多質(zhì)量模型等。

單質(zhì)量模型即單自由度模型，其單自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程為

(1)

式中，m為質(zhì)量，c為阻尼，k為剛度，u(t)為位移，f(t)為激勵(lì)力。

為了考慮高階振動(dòng)的影響，細(xì)致描述各驅(qū)動(dòng)零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，往往采用多自由度模型，特別是氣門(mén)彈簧，每一圈離散為多個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，計(jì)算得到每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和受力。多自由度系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為：

(2)

式中，M為質(zhì)量矩陣，c為阻尼矩陣，k為剛度矩陣，u(t)為位移向量，f(t)為激勵(lì)力向量。

1.2 動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)現(xiàn)有氣門(mén)機(jī)構(gòu)的幾何布置、質(zhì)量慣量、剛度和阻尼等參數(shù)采用軟件RICARDO/VALDYN搭建了氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型(圖1)。氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型主要包括凸輪搖臂、液壓挺柱、氣門(mén)總成和氣門(mén)彈簧等，其中搖臂和液壓挺柱模型主要由供應(yīng)商提供，氣門(mén)彈簧則可以自行設(shè)計(jì)或采用供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)。凸輪形狀一般由型線設(shè)計(jì)得到。圖1為某一發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂式氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，其中搖臂采用柔性體。為了方便計(jì)算而采用相對(duì)坐標(biāo)系，以液壓挺柱球頭中心為零點(diǎn)。

1.3 動(dòng)力學(xué)仿真與試驗(yàn)對(duì)比

按照以上單氣門(mén)機(jī)構(gòu)的建模方法，可以得出動(dòng)力學(xué)氣門(mén)升程、氣門(mén)速度以及凸輪接觸力等動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，圖2為某發(fā)動(dòng)機(jī)在6 600 r/min高轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果與試驗(yàn)的對(duì)比情況。

圖1 氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型示意圖

圖2 氣門(mén)升程測(cè)試

從圖2可知，氣門(mén)升程的差異較小，兩者之差滿(mǎn)足工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，有很好的可比性。圖3顯示，氣門(mén)速度和落座速度均有高度的一致性。

圖3 氣門(mén)速度測(cè)試

圖4 凸輪接觸力測(cè)試

從圖4可以看出，接觸力峰值和波形吻合度很高。

綜上所述，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有高度的一致性，滿(mǎn)足工程應(yīng)用的要求，同時(shí)也驗(yàn)證了氣門(mén)機(jī)構(gòu)仿真模型的正確性，說(shuō)明該仿真模型可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2 參數(shù)化研究

由于仿真模型與試驗(yàn)有高度的一致性，能較好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步提升氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能，避免在開(kāi)發(fā)后期出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究。

2.1 氣門(mén)升程緩沖段對(duì)氣門(mén)落座的影響

凸輪型線的設(shè)計(jì)對(duì)氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能影響很大，而緩沖段的設(shè)計(jì)直接影響氣門(mén)落座的好壞。圖5為不同氣門(mén)升程對(duì)比示意圖,圖6為對(duì)應(yīng)的氣門(mén)加速度對(duì)比示意圖，從圖中可以看出兩者升程差別很小，但緩沖段相對(duì)于更改前有所降低。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)氣門(mén)升程對(duì)比

圖6 運(yùn)動(dòng)學(xué)氣門(mén)加速度的對(duì)比

兩個(gè)不同升程代入氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型后發(fā)現(xiàn)氣門(mén)落座速度和氣門(mén)落座力都有明顯的改變。圖7和圖8分別示出了氣門(mén)落座速度和氣門(mén)落座力的對(duì)比情況。

圖7 氣門(mén)落座速度對(duì)比

圖8 氣門(mén)落座瞬間受力對(duì)比

從動(dòng)力學(xué)對(duì)比結(jié)果來(lái)看，對(duì)于該款機(jī)型的進(jìn)氣側(cè)，隨著氣門(mén)升程緩沖段降低后，氣門(mén)落座速度明顯降低，氣門(mén)瞬時(shí)落座力也有著不同程度的降低，說(shuō)明合理的調(diào)整緩沖段對(duì)氣門(mén)座的磨損有好處。

2.2 氣門(mén)彈簧余隙對(duì)彈簧顫振的影響

彈簧余隙指代彈簧最大升程位置到彈簧完全壓縮位置之間的距離。從理論上來(lái)講，彈簧余隙過(guò)大，彈簧偏長(zhǎng)，彈簧顫振就會(huì)變大，但彈簧余隙不能無(wú)限制減小，一般需要控制在1.5～2.5 mm之間。圖9為不同彈簧余隙對(duì)應(yīng)的氣門(mén)彈簧顫振對(duì)比圖，可以看出控制彈簧余隙可以減小彈簧顫振。

圖9 不同彈簧余隙對(duì)應(yīng)的氣門(mén)彈簧顫振振幅

2.3 安裝高度在剛度曲線中所處的位置對(duì)氣門(mén)彈簧顫振的影響

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)上大多采用兩級(jí)剛度彈簧和漸變剛度彈簧，對(duì)于漸變剛度彈簧，安裝高度處于剛度漸變開(kāi)始即可，而對(duì)于兩級(jí)剛度彈簧則建議安裝高度處于一級(jí)到兩級(jí)剛度之間的某個(gè)位置。圖10為彈簧剛度曲線對(duì)比示意圖,圖11為安裝高度處于不同位置的彈簧顫振對(duì)比圖。從圖8可知，安裝高度在剛度曲線中所處位置的更改使得彈簧顫振現(xiàn)象得以明顯改善。

圖10 彈簧剛度曲線對(duì)比

圖11 不同彈簧剛度曲線對(duì)應(yīng)的彈簧顫振振幅

2.4 氣門(mén)彈簧顫振對(duì)彈簧安全系數(shù)的影響

彈簧安全系數(shù)與彈簧顫振影響到彈簧安全系數(shù)，減小彈簧顫振有利于增加彈簧安全系數(shù)，從圖12中的彈簧安全系數(shù)與彈簧顫振的相互關(guān)系來(lái)看，彈簧安全系數(shù)幾乎和彈簧顫振成正比關(guān)系，因此改善彈簧顫振是提高彈簧安全系數(shù)的一個(gè)重要措施。

圖12 彈簧安全系數(shù)與彈簧顫振振幅的關(guān)系圖

2.5 凸輪型線豐滿(mǎn)系數(shù)對(duì)彈簧顫振的影響

通常認(rèn)為彈簧顫振受自身結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)參數(shù)影響較大，同時(shí)凸輪型線對(duì)彈簧顫振影響也很大。圖13為凸輪型線更改前后對(duì)應(yīng)的加速度傅里葉變化對(duì)比圖，圖14為型線更改前后彈簧顫振的對(duì)比圖。

圖13 加速度傅里葉變化幅值

從圖13可以看出，優(yōu)化型線傅里葉變化后的幅值較之前有所減小，主要表現(xiàn)在5.5階(轉(zhuǎn)速6 660 r/min)、7階(轉(zhuǎn)速5 237 r/min)、7.5階(轉(zhuǎn)速4 888 r/min)，9階(轉(zhuǎn)速4 073r/min)其對(duì)應(yīng)的彈簧顫振變化也有不同程度的減小。因而優(yōu)化凸輪型線，減小凸輪加速度傅里葉變化幅值有利于降低彈簧顫振。在滿(mǎn)足性能要求的前提下，適當(dāng)調(diào)整凸輪升程是改善彈簧顫振的一個(gè)重要措施。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合試驗(yàn)和仿真分析的對(duì)比情況，證實(shí)了氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型的正確性，指出了該模型的計(jì)算結(jié)果可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。為了進(jìn)一步提升氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能，避免在開(kāi)發(fā)后期出現(xiàn)問(wèn)題，本文對(duì)影響氣門(mén)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。具體總結(jié)如下：(1)仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有高度的一致性；(2)氣門(mén)升程緩沖段的設(shè)計(jì)直接影響了氣門(mén)落座的好壞，適當(dāng)優(yōu)化氣門(mén)升程緩沖段能夠有效降低氣門(mén)落座速度和氣門(mén)瞬間落座力；(3)彈簧顫振受自身結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)參數(shù)影響較大，其中彈簧余隙和安裝高度處在剛度曲線中的位置是影響氣門(mén)彈簧顫振的重要因素；(4)彈簧顫振增加會(huì)影響彈簧安全系數(shù)；(5)在滿(mǎn)足性能要求的前提下，適當(dāng)調(diào)整凸輪型線的設(shè)計(jì)可在一定程度上改善彈簧顫振。

圖14 不同型線對(duì)應(yīng)的彈簧顫振