基于CAD/CAE集成的發動機配氣機構數值研究

朱文波，蔣軼謙,程 艷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

在提升汽車研發能力的眾多因素中，以CAD/CAE為核心的數字化產品開發，可以說是其中最為重要的一個環節，被認為是繼福特流水線、豐田精益生產方式之后，汽車工業具有革命意義的重大技術進步。

以CAD/CAE集成技術為核心的仿真驅動設計技術的應用，使得汽車制造中新產品開發周期大為縮短，同時也使得以往時間中的一些經驗知識，可以以量化的形式出現，使得產品的開發效率更高[1]。

發動機是整車研究技術中含量最高、最核心的技術，而配氣機構作為發動機的重要組成部分，其性能的好壞，直接影響到發動機的動力性、經濟性、可靠性，并對發動機噪聲與振動產生直接影響[2]。因此，對配氣機構的CAD/CAE集成的研究和應用非常重要。本文將通過一種四缸發動機配氣機構的設計和分析，來說明CAD/CAE集成的數值研究。

1 發動機配氣機構設計分析流程

發動機配氣機構的設計和分析，包括配氣機構的三維參數化設計、配氣機構運動學和動力學分析、發動機換氣過程的優化、凸輪軸強度校核、發動機噪聲和振動的分析、配氣機構優化。具體流程如圖1所示。

先在根據相關參數在Pro/E中進行配氣機構的總成設計和零部件設計，然后對設計的配氣機構進行運動學分析和動力學分析，得到配氣機構的動力學特性，并根據分析結果，決定是否進行相應的優化，同時對發動機的換氣性能、凸輪軸強度校核、疲勞分析、噪聲振動分析，并根據分析結果進行相應的優化，最好將優化的結果反饋到設計中，完成配氣機構的最終設計。

圖1 配氣機構設計分析流程

2 發動機配氣機構設計

配氣機構設計，包括總成設計和零部件設計。總成設計根據總體輸入參數確定配氣機構基本布置結構，如氣門驅動形式（直接驅動和搖臂驅動式等）、氣門間隙的調整方式等。并根據相關理論和計算公式，得到氣門直徑、氣門升程、氣門錐角、馬赫指數、氣門彈簧特性及基本尺寸、凸輪軸直徑、凸輪軸承直徑等參數。在基本參數確定后，就在Pro/E中進行參數化建模，參數化骨架和模型如圖2和圖3所示。

圖2 配氣機構參數化Pro/E骨架模型

圖3 配氣機構參數化Pro/E模型

圖4 配氣機構具體設計流程

3 配氣機構設計運動學動力學分析

要保證發動機具有良好工作性能，配氣機構就要滿足相應的要求。通常從以下幾個方面來評價配氣機構的性能[3]。

（1）準確的配氣正時；

（2）良好的換氣性能；

（3）工作平穩，振動和噪聲較小；

（4）最大接觸應力不應過大；

（5）凸輪應有良好的潤滑特性；

（6）氣門與活塞不能發生干涉。

要滿足以上要求，應該對配氣機構進行運動學和動力學分析。應用AVL-Timing Drive軟件可以對配氣機構進行運動學、動力學分析及配氣機構優化。

鑒于中外人文社會背景存在差異，為避免研究結果交叉融合，本研究只納入國內實習護生在臨床實習期間的認知、體驗、期望或需求相關研究文獻，國外實習護生真實體驗未予以研究。且本次納入的質性研究均未考慮研究者對研究的潛在影響，有待日后進一步改進。

該四缸發動機配氣機構運動學分析模型如圖5所示。

圖5 配氣機構運動學分析模型

配氣機構運動學動力學分析流程如圖6所示。

圖6 配氣機構運動學動力學分析流程

根據運動學動力學分析的結果，我們可以決定是否優化，并且如何優化配氣機構。

4 凸輪軸強度校核及疲勞分析

作為配氣機構中質量最大、功能最重要的零件，凸輪軸應具有足夠高的剛度和強度，同時在輕量化設計的要求下，也應該使其質量保持在一個較低的水平。為了同時滿足這兩個相互矛盾的設計要求，需要對凸輪軸進行有限元分析[4]。

此外，對承受周期性動態載荷的凸輪軸來說，疲勞破壞是最為重要的破壞形式之一，需引起足夠的重視[5]。

在有限元分析軟件ABAQUS中進行凸輪軸網格劃分，賦予相應的材料屬性，并將配氣機構運動學和動力學分析得到的凸輪軸的載荷邊界條件，如軸承對凸輪軸的力及搖臂（或挺柱）對凸輪的反力等施加在凸輪軸中，就可以計算得到凸輪軸的應力分布情況，如圖7所示。

圖7 凸輪軸在某工況下的應力分布圖

疲勞分析通常分為兩類：

一類是疲勞安全因子計算，用來評估結構是否會發生疲勞破壞，疲勞安全因子為1則表示應力振幅大約是疲勞極限；

在獲得凸輪軸瞬態應力數據后，便可采用基于有限元方法的疲勞分析軟件FEMFAT，對結果進行疲勞預測。圖8為凸輪軸的疲勞安全因子分布。

圖8 凸輪軸的疲勞安全因子分布

5 發動機換氣過程優化

設計合理的配氣機構，應具有良好的換氣性能，進氣充分，排氣徹底，即具有較大的時面值，泵氣損失小，配氣正時恰當[6]。換氣性能的好壞及優化，可以在發動機性能計算軟件GT-POWER中進行，先建立發動機整機GT-POWER模型。

將配氣機構運動學、動力學分析中得到的氣門升程曲線，輸入到GT-POWER模型中的氣門模塊，在模型中通過優化氣門升程、配氣相位、氣門間隙等，使發動機具有良好的換氣性能。

通過GT-POWER模擬計算，可以得到優化前后的發動機扭矩、功率等性能，也可以得到優化前后發動機充氣效率、泵氣損失、氣道空氣流量等，通過GT-POWER計算得到的優化氣門升程曲線前后發動機充氣效率對比曲線如圖9所示。

圖9 發動機充氣效率對比曲線

6 配氣機構的噪聲分析

內燃機配氣機構噪聲，可分為氣門桿與搖臂的撞擊噪聲、氣門落座噪聲、鏈條噪聲以及摩擦振動噪聲（軸承）等[7]。AVL-EXCITE、ANSYS和 SYSNOISE軟件，將用于配氣機構的噪聲與振動分析。先在AVL-EXCITE中建立發動機多體動力學分析模型（如圖10所示）。

圖10 發動機EXCITE多體動力學模型

將配氣機構運動學動力學分析得到的凸輪軸支承力、氣門彈簧力、氣門落座力等邊界條件輸入到EXCITE中，根據此模型進行多體動力學分析后可以得到各個體之間的相互作用力，將相互作用力作為響應分析的力邊界條件，并結合ANSYS有限元分析，得到發動機的節點位移，進行強迫響應分析得到主自由度點的位移邊界，然后再回到有限元程序中進行數據恢復，得到有限元模型全部節點在頻域上的位移、速度、加速度分布，作為下一步輻射生場分析的輸入邊界。

利用NOISE的邊界元計算得到發動機的輻射聲場，同時提取缸蓋罩的連接螺栓處主自由度的位移信息，作為缸蓋罩精細模型的激勵，再進行有限元和邊界元的聯合求解，得到缸蓋罩模型的輻射噪聲情況。缸蓋罩的計算聲強分布如圖11所示。可以根據計算得到的缸蓋罩聲強分布情況，對發動機缸蓋罩及配氣機構的相關部件進行優化。

圖11 缸蓋罩計算聲強分布

7 配氣機構的優化結果的綜合分析

根據以上各部分對配氣機構的分析和優化結果，并綜合考慮各方面的要求和側重點，對優化結果進行綜合分析，最終確定配氣機構的優化方案，并將其反饋到配氣機構的設計中，對配氣機構的設計進行相應的優化和修改。

8 結束語

探討了一種基于CAD/CAE集成開發的發動機配氣機構數值研究的思路和流程；對配氣機構設計、運動學動力學分析、發動機換氣過程優化、凸輪軸有限元分析、噪聲振動分析進行了比較詳細的說明；可以為配氣機構的設計、分析、優化提供參考和借鑒。

[1]韓同群.CAD/CAE集成技術在內燃機設計中的應用[J].湖北汽車工業學院學報，2006，20(1)：17-21.

[2]陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3]尚漢冀.發動機配氣凸輪機構設計與計算[M].上海：復旦大學出版社，1988.

[4]康黎云，司慶九.凸輪軸強度有限元分析[A].2007年MSC.Software中國用戶論文集[C].北京：美國MSC公司，2007.

[5]王 遠，張家璽，朱會田，等.凸輪軸動力學及多軸疲勞分析研究[J].內燃機工程，2010，31（1）：104—107.

[6]路瓊瓊，李 智，雷 晶.內燃機配氣機構計算現狀及發展[J].機械，2009，36（4）：1-4.

[7]李香梅.柴油機配氣機構的機械噪聲研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.