基于ADAMS的柴油機配氣機構動力學仿真分析

陳仲海，魏玉娜，白峭峰

（中北大學 機械工程與自動化學院，山西 太原 030051）

0 引言

在柴油機配氣機構設計上，人們一方面希望氣門加速度較大，使得氣門可以迅速地開閉，這樣可以改善換氣效果，提高配氣機構的動力性和經濟性；另一方面也希望配氣機構各構件之間的接觸力較小，運動件的加速度較小，這樣可以降低配氣機構高速運轉時所產生的振動和噪聲，延長其使用壽命，提高柴油機的可靠性［1］。而當柴油機高速運行時，氣門系統的振動是影響柴油機運行的關鍵問題。該振動可以引起發動機性能下降、凸輪－挺桿副和氣門座磨損、噪聲增大等，有時還可能引起氣門損壞［2］。因此，必須分析配氣機構各零部件的運動和動力學參數，從而控制配氣機構的振動。

1 配氣機構多剛體動力學模型的建立

本文以某型柴油機配氣機構為研究對象。首先利用Pro／Engineer軟件建立配氣機構各零部件的實體模型，然后根據各零部件之間的位置和約束關系建立配氣機構的裝配模型。其中，各機構模型均按照實際結構建立，各零部件的質量、轉動慣量、質心位置等物理特性參數均由Pro／E軟件精確計算得到。

把該裝配模型導入ADAMS中，根據實際配氣機構各部件的聯接和約束關系，施加各種約束副（見表1），使得配氣機構的多剛體動力學模型的運動和受力形式符合實際情況，最終建立的配氣機構多剛體系統動力學模型如圖1所示。

2 仿真結果分析

施加了約束關系以后，在凸輪與Ground的回轉副上加載驅動，本文分別進行了2 100 r／min、2 310 r／min、2 520 r／min三種發動機轉速的模擬，得到配氣機構在不同轉速下進氣門的運動規律和關鍵運動件間的作用力，為后續進行振動噪聲分析提供精確的邊界條件。

表1 配氣機構的約束關系

圖1 配氣機構多剛體動力學模型

2.1 進氣門運動規律

圖2、圖3和圖4分別為3種轉速下進氣門位移、速度和加速度曲線。由圖2、圖3和圖4可見，隨著發動機轉速的提高，氣門的速度不斷增大，進氣門在開啟與關閉時加速度沖擊較大，這與實際現象吻合。當發動機轉速為2 100 r／min時，進氣門的落座速度為0.18 m／s；當發動機轉速為2 310 r／min時，進氣門的落座速度為0.21 m／s；當發動機轉速為2 520 r／min時，進氣門的落座速度為0.23 m／s，符合合金材料氣門座圈的一般要求（落座速度小于0.6 m／s）。

圖2 曲軸轉速為2 100 r／min時進氣門的運動規律

圖3 曲軸轉速為2 310 r／min時進氣門的運動規律

圖4 曲軸轉速為2 520 r／min時進氣門的運動規律

2.2 配氣機構的接觸力

當發動機轉速分別為2 100 r／min、2 310 r／min、2 520 r／min時，進氣凸輪與挺柱間的接觸力隨凸輪轉角的變化曲線如圖5所示，進氣門與氣門座之間的接觸力隨凸輪轉角的變化曲線如圖6所示。

從圖5可以看出，3種轉速下的凸輪與挺柱的接觸力是隨著凸輪轉角不斷發生變化的，并且接觸力始終為壓力，說明該配氣機構在發動機運行過程中沒有發生“飛脫”、“反跳”等現象。從圖6可以看出，3種轉速下的進氣門與氣門座的接觸力曲線基本吻合，但是氣門落座力是隨著發動機轉速的提高而增大的，且氣門落座時與氣門座發生碰撞，氣門與氣門座的接觸力突然增大形成峰值。

圖5 進氣凸輪與挺柱之間的接觸力隨凸輪轉角的變化曲線

圖6 進氣門與進氣門座之間的接觸力隨凸輪轉角的變化曲線

3 結論

仿真結果，與柴油機配氣機構的實際工作情況相吻合，也就說明了利用Pro／E和ADAMS軟件對某柴油機的配氣機構系統進行多剛體動力學仿真分析是可行的，所以可以用該模型進行后續的振動噪聲分析。

［1］ 李興然.配氣機構多體系統動力學建模及仿真［D］.太原：中北大學，2010：1－3.

［2］ 徐兀.汽車振動和噪聲控制［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［3］ 賈長治，殷軍輝，薛文星.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2010.