岳開國 陸修進(jìn)

摘要：為了解某柴油機(jī)整改后配氣機(jī)構(gòu)的工作性能，根據(jù)該柴油機(jī)性能參數(shù)和配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Virtual Engine軟件塔建單閥配氣機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，對模型進(jìn)行動力學(xué)計(jì)算，分析觀察配氣機(jī)構(gòu)在怠速、最大扭矩轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下的特性。計(jì)算結(jié)果表明：①進(jìn)排氣門落座速度低于1m/s，沒有發(fā)生反跳現(xiàn)象，最大落座力發(fā)生在進(jìn)氣門側(cè)，其值為238N@額定轉(zhuǎn)速。②在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，凸輪與搖臂之間未出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象。③最大赫茲壓力出現(xiàn)在排氣側(cè)，其值為896MPa@最大扭矩轉(zhuǎn)速，滿足鑄鐵凸輪軸與100Cr6搖臂的極限值1100MPa。④氣門彈簧受力在要求范圍內(nèi)，彈簧沒有發(fā)生并圈現(xiàn)象。⑤搖臂與氣門的最大接觸應(yīng)力為606N@最大扭矩轉(zhuǎn)速。⑥單閥系的凸輪軸驅(qū)動扭矩為5.81Nm@額定轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞：配氣機(jī)構(gòu);落座力;赫茲壓力;接觸應(yīng)力;驅(qū)動扭矩

0? 引言

配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)既要提高充氣效率和降低殘余廢氣系數(shù)，又要使其具有良好的運(yùn)動規(guī)律，氣門落座速度低、加速度曲線連續(xù)光滑、落座力和接觸應(yīng)力小、氣門落座反跳以及彈簧無并圈現(xiàn)象等問題[1]。本文采用Vritual Engine動力學(xué)分析軟件搭建一個(gè)等效虛擬的配氣機(jī)構(gòu)多體系統(tǒng)，軟件程序能夠模擬各單元部件之間連接關(guān)系，另外外部的載荷和摩擦也能考慮，比如氣門面的氣體載荷。對不同轉(zhuǎn)速工況的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，對實(shí)踐工程過程具有重要參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1? 仿真建模

1.1 配氣機(jī)構(gòu)模型建立

柴油機(jī)采用頂置式凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)包括凸輪軸、凸輪、搖臂、液力挺柱、氣門、氣門彈簧、彈簧座圈、氣門座等組成。配氣機(jī)構(gòu)模型的特征參數(shù)包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)和力學(xué)特性參數(shù)[2]。在Vritual Engine 提供了多個(gè)閥系和單個(gè)閥系模擬分析功能，本文僅對進(jìn)氣和排氣單個(gè)配氣閥系的配氣機(jī)構(gòu)工作情況進(jìn)行研究[3]。首先將凸輪軸的基圓中心作為該模型的基本參考坐標(biāo)系，建立其它相關(guān)聯(lián)的部件。其次在凸輪與搖臂滾輪之間建立線接觸，在搖臂與氣門桿之間建立點(diǎn)接觸，在氣門盤處建立氣體力與盤面接觸。

1.2 仿真工況及邊界條件

1.2.1 凸輪型線

凸輪型線是配氣機(jī)構(gòu)的重要參數(shù)，決定氣門開啟時(shí)刻、開啟持續(xù)時(shí)間、氣門開啟落座時(shí)刻的速度等，該柴油機(jī)凸輪型線的進(jìn)氣最大凸輪升程為3.7115mm，排氣最大凸輪升程為3.6894mm，進(jìn)排氣凸輪的旋轉(zhuǎn)方向從發(fā)動機(jī)前端看都順時(shí)針方向。進(jìn)氣氣門最大加速度（不管是開啟還是關(guān)閉時(shí)刻）都比排氣氣門的大（進(jìn)氣大約4.55mm/rad2，排氣大約3.6mm/rad2）。

1.2.2 氣體力及氣門正時(shí)

本分析將點(diǎn)火上止點(diǎn)對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角定義為零度曲軸轉(zhuǎn)角，一維性能仿真計(jì)算獲得的氣道壓力、缸內(nèi)壓力作為邊界條件。圖1為進(jìn)排氣門完成一次工作循環(huán)氣道壓力、缸內(nèi)壓力和氣門升程三者對應(yīng)凸輪轉(zhuǎn)角的位置關(guān)系。此外得知?dú)忾T正時(shí)為：進(jìn)氣提前角165°凸輪轉(zhuǎn)角，排氣提前角71°凸輪轉(zhuǎn)角;進(jìn)氣最大氣門升程223°凸輪轉(zhuǎn)角，排氣最大氣門升程130°凸輪轉(zhuǎn)角。

1.2.3 彈簧預(yù)緊力

氣門彈簧的主要作用是保證氣門關(guān)閉時(shí)能緊密地與氣門座圈貼合，并克服在氣門開啟時(shí)配氣機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不相互脫離[4]。氣門受到來自氣缸、氣道和彈簧的三個(gè)力，為了保證具有足夠預(yù)緊力，通常將氣缸最低壓力設(shè)為一個(gè)大氣壓1.0bar，改機(jī)進(jìn)氣門和排氣門受到的最大氣道壓力分別為2.867bar和4.566bar，所以進(jìn)氣門和排氣門最大壓差分別為1.867bar和3.566bar，再根據(jù)氣門盤的面積計(jì)算進(jìn)排氣門氣門彈簧的預(yù)緊力。

為了驗(yàn)證氣門彈簧的預(yù)緊力是否可靠，根據(jù)實(shí)際缸內(nèi)壓力來計(jì)算氣門壓差，計(jì)算得到進(jìn)氣門最大壓力差0.516bar，排氣門最大壓差2.251bar，與氣門彈簧預(yù)緊相比如下對比所示，所以設(shè)置的彈簧預(yù)緊力可用。

進(jìn)氣：0.516bar<1.867bar

排氣：2.251bar<3.556bar

2? 仿真結(jié)果分析

配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)有良好的動力性、工作平穩(wěn)，振動和噪聲較小，最重要是可靠性。這就要求挺桿升程曲線高階連續(xù)可導(dǎo)，最大正負(fù)加速度不能過大，凸輪與挺桿間接觸應(yīng)力不應(yīng)過大，還要有良好的潤滑特性以減小磨損等[5]。本文分析評估了該機(jī)型單閥配氣機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)相關(guān)性能指標(biāo)。

2.1 氣門落座分析

表1列出了進(jìn)排氣門落座瞬間的速度，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變大而變大，在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)落座速度都低于1.0m/s。表2給出了落座瞬間受力大小，氣門落座瞬間受力情況與瞬間落座速度大小有關(guān)，落座速度越大氣門沖擊力就越大，所以落座力越大，從落座力大小可知都小于氣門彈簧預(yù)緊力（233N）的6倍?？傮w上氣門與氣門座之間的沖擊較小，所以氣門落座速度和落座力評估滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 凸輪與搖臂接觸分析

如果接觸力過大，凸輪與滾輪表面產(chǎn)生早期磨損，影響配氣機(jī)構(gòu)的可靠性[6]。根據(jù)進(jìn)排氣門開啟持續(xù)時(shí)段不同轉(zhuǎn)速下凸輪與搖臂滾輪之間的接觸力，在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)排氣門凸輪與滾輪之間的接觸力開始大于0，當(dāng)小于0時(shí)凸輪與滾輪飛脫，所以接觸力的評估滿足設(shè)計(jì)要求。

赫茲壓力是凸輪與滾輪線接觸而產(chǎn)生的，當(dāng)接觸力為0的時(shí)候赫茲壓力也為0。如表3所示在常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)最大赫茲壓力為898MPa@1800rpm，低于材料鑄鐵凸輪軸與材料100Cr6搖臂滾輪FEV的極限值1100MPa（參考數(shù)據(jù)庫），赫茲壓力評估滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 氣門彈簧分析

通常最大彈力過大將導(dǎo)致使配氣機(jī)構(gòu)的動力性能下降，配氣機(jī)構(gòu)的受力增大，影響機(jī)構(gòu)的使用壽命，會造成驅(qū)動功率增大。圖2為氣門彈簧底部受力隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化趨勢曲線，可以判斷氣門彈簧沒有發(fā)生并圈現(xiàn)象。該彈簧的最大壓縮量受力范圍395～435N，彈簧初始安裝長度受力（預(yù)緊力）范圍212～248N。

多體動力計(jì)算結(jié)果如表4所示，進(jìn)排氣氣門彈簧最大壓縮力隨轉(zhuǎn)速的變大而變大，最大值為422N;預(yù)緊力不會隨轉(zhuǎn)速的變化而變化都為233N，得知彈簧的受力情況吻合輸入邊界，滿足彈簧的設(shè)計(jì)要求。

2.4 搖臂與液力挺柱接觸力分析

采用液壓挺柱，主要是為了消除氣門間隙，減少氣門開啟和落座的沖擊。常用轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最小法向力發(fā)生在額定轉(zhuǎn)速4000rpm的凸輪型線工作段，其中進(jìn)氣最小法向力為187N，排氣為195N，說明在工作過程中液力挺柱始終與搖臂保持接觸并且提供動力。

2.5 搖臂與氣門桿接觸力分析

各轉(zhuǎn)速下的最大接觸力大小如表5所示，排氣接觸力在某些轉(zhuǎn)速下比進(jìn)氣的大，最大接觸力為606N@1800。該結(jié)果可以作為搖臂強(qiáng)度計(jì)算的載荷輸入邊界條件。

2.6 驅(qū)動力矩分析

驅(qū)動力矩反應(yīng)了該配氣機(jī)構(gòu)的動力性能，一般驅(qū)動越小動力性就越好。圖3所示為單閥系的驅(qū)動扭矩計(jì)算結(jié)果，隨轉(zhuǎn)速變化驅(qū)動力矩也做規(guī)律變化，且進(jìn)排氣側(cè)的驅(qū)動力矩相差不大。其中各轉(zhuǎn)速下的最大驅(qū)動扭矩如表6所示，最大驅(qū)動扭矩為5.81N·m@4000rpm。

3? 結(jié)論

通過多體動力學(xué)軟件計(jì)算單閥配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)性能，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有良好的性能，凸輪和搖臂的接觸力、赫茲壓力和氣門落座速度均在正常范圍內(nèi)，凸輪和搖臂也沒有發(fā)生飛脫，其設(shè)計(jì)滿足工程要求。

①根據(jù)搖臂、氣門、氣門彈簧、液力挺住和凸輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)布置配氣機(jī)構(gòu)，缸壓、氣門升程和分析對象質(zhì)量、慣量等邊界參數(shù)。

②氣門沒有反跳。氣門落座速度和落座力滿足設(shè)計(jì)要求。

③進(jìn)排氣側(cè)在常用轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)（800rpm至4000rpm）凸輪與搖臂沒有飛脫現(xiàn)象。

④最大赫茲壓力出現(xiàn)在排氣側(cè)的896MPa@1800rpm，小于鑄鐵凸輪軸與100Cr6搖臂的接觸技術(shù)要求極限值1100MPa。

⑤氣門彈簧受力符合設(shè)計(jì)要求，彈簧沒有發(fā)生并圈現(xiàn)象。

⑥單閥系的凸輪軸驅(qū)動扭矩為5.81N·m@4000rpm。

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