白軍愛 王旭蘭 王紅麗 郝勇剛 李元石

摘要： 應(yīng)用Excite_TD軟件，對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，保證氣門良好、準(zhǔn)確、平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律下，重新設(shè)計(jì)了凸輪型線，優(yōu)化后的凸輪型線，經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，具有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。

Abstract： With the application of Excite TD software， the kinematics and dynamics analysis of the valve mechanism of an engine was carried out. Under the condition that the valve was good， accurate and flat floor motion law， the CAM profile was redesigned. The optimized CAM profile was verified by engine test to have good kinematics and dynamics characteristics.

關(guān)鍵詞： 配氣機(jī)構(gòu);凸輪型線;運(yùn)動(dòng)學(xué);動(dòng)力學(xué)

Key words： valve mechanism;CAM profile;kinematics;dynamics

中圖分類號(hào)：S219.031????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0003-02

0? 引言

配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)三大結(jié)構(gòu)之一，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的工作次序，定時(shí)地開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，以保證氣缸排除廢氣和吸進(jìn)新鮮空氣。現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)中，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)占有重要地位，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能是否優(yōu)越，工作是否可靠，噪音與振動(dòng)能否控制在較低的限度，常常與配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理有密切關(guān)系。配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于柴油機(jī)總體布置的需要和限制，配氣機(jī)構(gòu)零件的設(shè)計(jì)有一定限制，唯獨(dú)配氣凸輪型線的設(shè)計(jì)比較靈活，因此配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線的設(shè)計(jì)成為研究的重點(diǎn)。

1? 問題提出

本文研究對(duì)象為一臺(tái)小缸徑高速渦輪增壓中冷三缸柴油機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型為雙頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)，在整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試中，該發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)排氣溫度高，結(jié)構(gòu)件在高熱負(fù)荷沖擊下可靠性下降嚴(yán)重引起發(fā)動(dòng)機(jī)失效，針對(duì)這一問題，開展配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線優(yōu)化。配氣機(jī)構(gòu)主要參數(shù)見表1。

2? 配氣機(jī)構(gòu)模型建立

與帶有挺柱、推桿的下置配氣機(jī)構(gòu)相比，搖臂式頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有以下特點(diǎn)：凸輪表面與搖臂滾輪面、搖臂頭部與氣門桿部端面之間，既存在著滾動(dòng)，又存在著滑動(dòng)，接觸點(diǎn)在不斷改變，因此搖臂比是不斷變化的。搖臂比的變化較大，在數(shù)學(xué)計(jì)算中不能按定值處理;凸輪軸、搖臂和氣門的位置關(guān)系對(duì)氣門升程運(yùn)動(dòng)規(guī)律有重要影響;凸輪升程及其一階導(dǎo)數(shù)共同影響氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律。上述特點(diǎn)決定了計(jì)算頂置凸輪氣門理論運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性。該機(jī)型配氣機(jī)構(gòu)由凸輪軸驅(qū)動(dòng)搖臂，從而控制氣門的運(yùn)動(dòng)。該配氣機(jī)構(gòu)主要包括凸輪軸、液壓挺柱、搖臂、氣門彈簧以及氣門，該發(fā)動(dòng)機(jī)為四氣門，其機(jī)構(gòu)布置如圖1所示。

根據(jù)該機(jī)型的機(jī)構(gòu)形式，以及各零件的裝配關(guān)系，建立單閥系的配氣系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，其配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由以下模塊組成：凸輪軸單元，接觸單元，液壓挺柱單元，氣門彈簧單元，氣門單元，運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型如圖2、圖3所示。

配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型需要設(shè)置的參數(shù)包括結(jié)構(gòu)參數(shù)及邊界條件等。根據(jù)實(shí)際零件獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用有限元軟件計(jì)算零部件的剛度，使用Creo軟件計(jì)算零部件質(zhì)量。按照Excite_TD軟件要求將各個(gè)模塊的質(zhì)量和剛度轉(zhuǎn)化到當(dāng)量質(zhì)量，邊界條件根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。

3? 結(jié)果對(duì)比

若發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能要求，則可保證其在中低轉(zhuǎn)速下也能滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)要求，故本研究以額定轉(zhuǎn)速（4000r/min）進(jìn)行分析。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2計(jì)算結(jié)果可知，樣機(jī)型線的開啟側(cè)包角較小，而排氣延續(xù)角一般取250-270°（CA），此型線的工作包角在170°（CA），因凸輪型線工作包角過小，不利于換氣造成氣缸排氣溫度高。

樣機(jī)關(guān)閉側(cè)豐滿系數(shù)較小，不利于廢氣排出，樣機(jī)的最大躍度超過限定值1000，這是會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)排氣溫度高，運(yùn)動(dòng)件之間受力過大而使壽命下降。樣機(jī)凸輪型線的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果也解釋了樣機(jī)試驗(yàn)出現(xiàn)排溫高的試驗(yàn)現(xiàn)象。在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能的前提下，對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，從表2可以看出優(yōu)化型線滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)要求，對(duì)此型線進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，由圖4可以看出型線的氣門落座速度在額定轉(zhuǎn)速下為0.23m/s，氣門落座速度應(yīng)小于0.5m/s，此型線符合動(dòng)力學(xué)的要求。采用優(yōu)化型線的凸輪軸進(jìn)行整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比，新的凸輪型線對(duì)排氣溫度降低起到了很好的效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

4? 結(jié)論

①利用Excite_Td軟件對(duì)某小缸徑高速渦輪增壓中冷三缸柴油機(jī)的凸輪型線進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，主要優(yōu)化了凸輪包角，豐滿度及躍度。優(yōu)化后的型線在運(yùn)動(dòng)學(xué)上有較大改善，且符合動(dòng)力學(xué)要求。②優(yōu)化后的型線經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，降低了排氣溫度，動(dòng)力性有不同程度的提高，為小缸徑柴油機(jī)性能改進(jìn)提供了方向。

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