基于GT-SUITE的柴油機VVA系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

王斌 高定偉 朱濤 屈偉 韓澤明 桂小林

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

·設(shè)計·計算·

基于GT-SUITE的柴油機VVA系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

王斌1，2高定偉1，2朱濤1，2屈偉1，2韓澤明1，2桂小林1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

開發(fā)了一種可用于柴油機可變氣門執(zhí)行系統(tǒng)，即VVA系統(tǒng)（Variable Valve Actuation）。在概念設(shè)計階段使用GT-suite軟件對柴油機VVA系統(tǒng)進(jìn)行原理驗證及模型搭建，通過多體動力學(xué)仿真，預(yù)測系統(tǒng)的運動學(xué)規(guī)律及動力學(xué)特性，并對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的失效進(jìn)行了優(yōu)化。系統(tǒng)成功實現(xiàn)了氣門二次開啟及開啟持續(xù)期可變功能，節(jié)省了大量系統(tǒng)零部件的詳細(xì)設(shè)計時間，論證了柴油機搭載VVA系統(tǒng)的可行性。

VVA系統(tǒng)柴油機多體動力學(xué)

引言

柴油機以其良好的經(jīng)濟(jì)性、強勁的動力性在工程機械及汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是，日漸突顯的能源危機，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)給柴油機的綜合性能提出了更加嚴(yán)格的要求[1]。隨著行業(yè)對發(fā)動機新技術(shù)的關(guān)注不斷提高，VVA可變氣門執(zhí)行系統(tǒng)逐漸走入了人們的視線。

傳統(tǒng)發(fā)動機的氣門驅(qū)動機構(gòu)，其配氣相位一般基于發(fā)動機某一狹小工況范圍的局部優(yōu)化而確定，在工作過程中固定不變，且氣門運動規(guī)律完全由凸輪型線決定。但傳統(tǒng)發(fā)動機凸輪型線單一，不能根據(jù)發(fā)動機實際工況需求情況而調(diào)整氣門運動規(guī)律。傳統(tǒng)發(fā)動機配氣機構(gòu)的氣門運行參數(shù)也是固定不變的，參數(shù)的確定取決于設(shè)計的工況點。

VVA系統(tǒng)可以在傳統(tǒng)配氣機構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多種可控的氣門動作，例如氣門二次開啟、開啟升程可變、開啟持續(xù)期可變等功能，當(dāng)其應(yīng)用在配氣機構(gòu)的排氣側(cè)，對發(fā)動機，尤其是柴油機的冷啟動性、冷啟動排放及低速扭矩提升有明顯的作用[2]。

但是由于國外先進(jìn)技術(shù)的封鎖及系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，給設(shè)計及優(yōu)化設(shè)置了很多體動力學(xué)分析技術(shù)就變得十分必要。多體系統(tǒng)是指由多個物體通過運動副連接的復(fù)雜機械系統(tǒng)，其根本目的是應(yīng)用計算機技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機械系統(tǒng)的動力學(xué)分析與仿真。作者利用GT-suite軟件完成了柴油機VVA系統(tǒng)概念設(shè)計階段的模型仿真，驗證了氣門運動規(guī)律的正確性，并為零部件的詳細(xì)設(shè)計提供了大量幾何參數(shù)[3]。在完成系統(tǒng)零部件CAD模型的詳細(xì)設(shè)計后，將詳細(xì)物理參數(shù)反饋給GT-suite仿真模型，預(yù)測系統(tǒng)的動力學(xué)特性并提出優(yōu)化方案，大大縮短了設(shè)計流程。

1 系統(tǒng)概念設(shè)計

由于VVA系統(tǒng)需要實現(xiàn)多種氣門動作，因此采用一根凸輪軸來驅(qū)動機構(gòu)的傳統(tǒng)理念必須打破，在此使用兩根凸輪軸同時驅(qū)動同一搖臂來實現(xiàn)復(fù)雜氣門運動。所產(chǎn)生的氣門運動情況如圖1所示，系統(tǒng)布置草圖如圖2所示，設(shè)計開發(fā)流程如圖3所示。

圖1 氣門可變動作示意圖

圖2 系統(tǒng)布置草圖

圖3 設(shè)計分析流程圖

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

下列參數(shù)用于控制VVA系統(tǒng)的設(shè)計邊界條件：

1）氣門最大升程為6 mm；

2）保證發(fā)動機轉(zhuǎn)速<4500 r/min條件下，系統(tǒng)可以正常工作；

3）保證氣門可以實現(xiàn)可選擇二次開啟功能及開啟持續(xù)期任意調(diào)節(jié)功能。

1.2 概念模型搭建

GT-suite軟件具有完整而強大的通用機構(gòu)元件庫和配氣機構(gòu)模版庫，可以輕松地實現(xiàn)傳統(tǒng)配氣機構(gòu)模型的搭建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)。

系統(tǒng)布置草圖已將零部件之間的大致相對位置及連接關(guān)系確定，需要從機構(gòu)庫中選擇對應(yīng)的元件并輸入設(shè)計得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)即可完成概念模型的搭建。圖4為搭建完成的模型圖及選用的凸輪型線。

1.3 運動學(xué)計算

將凸輪型線數(shù)據(jù)輸入模型設(shè)置求解條件即可進(jìn)行運動學(xué)分析。概念分析模型成功實現(xiàn)了氣門的二次開啟及開啟持續(xù)期可變功能，選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)可用于零部件的詳細(xì)設(shè)計中。圖5為系統(tǒng)零部件設(shè)計圖。

圖4 VVA仿真模型及凸輪型線

圖5 系統(tǒng)設(shè)計圖

2 系統(tǒng)動力學(xué)分析

運動學(xué)分析可以再現(xiàn)系統(tǒng)的運動規(guī)律，但是在配氣機構(gòu)實際工作期間，機械系統(tǒng)在載荷作用下各部件之間的作用力和材料接觸是一個相當(dāng)復(fù)雜的動力學(xué)響應(yīng)過程，可能出現(xiàn)磨損、斷裂及不規(guī)則運動現(xiàn)象。

2.1 接觸建模

部件之間的接觸是一種典型的非線性狀態(tài)，接觸分析是多體動力學(xué)分析中一個很重要的內(nèi)容。其中，最為重要的就是由此產(chǎn)生的接觸力計算問題。接觸力的計算基于Hertz接觸理論[4]，并在此基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，其法向接觸力fn的計算公式為：

式中：k為接觸剛度系數(shù)；c為阻尼系數(shù)；δ為接觸穿透深度；δ′為接觸穿透深度的導(dǎo)數(shù)，即接觸點的相對速度；m1、m2、m3分別為剛度指數(shù)、阻尼指數(shù)、凹痕指數(shù)（默認(rèn)為0）。

發(fā)生接觸時，接觸摩擦力f 由以下方程確定：

式中：fn為法向接觸力，fmax為最大摩擦力，μ（ν）為摩擦系數(shù)，其數(shù)值由接觸點的相對切向速度值確定。

2.2 分析輸入條件

當(dāng)首輪零部件詳細(xì)設(shè)計完成后，將得到的材料屬性、質(zhì)量、彈簧力及轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)反饋給GT-suite模型各部件，完善概念模型，完成多體動力學(xué)分析并進(jìn)行優(yōu)化。表1為主要運動部件的質(zhì)量，表2為選用的彈簧參數(shù)，運動部件接觸參數(shù)由試驗測試及材料屬性得出，模型搭建完成后如圖6所示。

表1 部件質(zhì)量

表2 彈簧參數(shù)

圖6 VVA多體動力學(xué)示意圖

3 分析結(jié)果評價

在圖7所示機構(gòu)的凸輪相位可實現(xiàn)正常氣門動作，將上凸輪軸沿逆時針調(diào)整20°相位可延長氣門開啟持續(xù)期，將上凸輪軸沿順時針調(diào)整35°相位可實現(xiàn)氣門二次開啟動作，氣門升程規(guī)律如圖7所示。

圖7 氣門升程規(guī)律

氣門開啟持續(xù)期延長及氣門二次開啟功能作為配氣機構(gòu)功能的延伸，其多體動力學(xué)特性呈現(xiàn)出一定的獨特性。為了驗證VVA系統(tǒng)在發(fā)動機上應(yīng)用的可行性，針對三種不同凸輪相位，對系統(tǒng)部件的動力學(xué)特性分別進(jìn)行評價。

3.1 氣門動力學(xué)特性對比及優(yōu)化

圖8為三種凸輪相位下，不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速對應(yīng)的氣門速度曲線對比。當(dāng)發(fā)動機運行在中低轉(zhuǎn)速下，三種氣門動作功能的速度曲線都比較光滑，與運動學(xué)預(yù)測結(jié)果高度吻合。而在高轉(zhuǎn)速工況，三種氣門動作的氣門速度曲線在不同程度上出現(xiàn)鋸齒，說明氣門組件的動力學(xué)特性開始影響整個系統(tǒng)，氣門剛度、氣門彈簧的動態(tài)響應(yīng)（包括剛度、阻尼及共振頻率）都會對氣門的速度曲線產(chǎn)生影響。當(dāng)VVA系統(tǒng)使用氣門開啟持續(xù)期延長功能，發(fā)動機運行在全速全負(fù)荷工況時，氣門在關(guān)閉過程中計算得到的最大速度為3.35m/s，并且在氣門落座的過程中，出現(xiàn)落座不穩(wěn)的現(xiàn)象，對氣門座圈產(chǎn)生了較大的沖擊。而氣門正常動作及二次開啟功能氣門速度不超過2.7m/s，且落座過程平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)反跳現(xiàn)象。

圖8 氣門速度比較

表3列出了在發(fā)動機中高轉(zhuǎn)速工況段的氣門落座力分布情況。根據(jù)表3，可以看出，在VVA系統(tǒng)使用兩根凸輪軸驅(qū)動同一側(cè)氣門的情況下，氣門正常動作及氣門開啟持續(xù)期延長功能的氣門落座力隨轉(zhuǎn)速呈近似線性增長，而氣門二次開啟的氣門落座力明顯小于前兩者，且變化不大，可見在使用氣門二次開啟功能時，氣門與座圈之間的沖擊更小，有利于配氣機構(gòu)的工作耐久性。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，氣門最大落座力限值為氣門彈簧預(yù)緊力的6倍，約為1608N，三種功能都滿足設(shè)計要求，但結(jié)合持續(xù)期功能氣門落座不穩(wěn)的問題，需要重點優(yōu)化持續(xù)期功能的氣門動力學(xué)特性。

由于上凸輪型線決定了氣門落座時的動力學(xué)特性，因此，對上凸輪型線緩沖段進(jìn)行優(yōu)化（如圖9所示）。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速4500r/min工況，氣門落座力下降至1125.42N，氣門最大速度下降至2.86m/s，氣門落座不穩(wěn)現(xiàn)象消失，減小了氣門對座圈的沖擊，使氣門開啟持續(xù)期延長功能可以全轉(zhuǎn)速段應(yīng)用。

表3 氣門落座力仿真結(jié)果

圖9 上凸輪型線優(yōu)化

3.2 氣門彈簧的動力特性

在彈簧建模中，將每一活動彈簧圈視為一個質(zhì)點。以氣門二次開啟和持續(xù)期延長功能為例，在發(fā)動機全速工況下，觀察氣門彈簧各質(zhì)點的受力情況（如圖10、11所示），結(jié)果顯示氣門彈簧均未發(fā)生彈簧并圈現(xiàn)象，但是在同一工況下，使用持續(xù)期功能得到的氣門彈簧各質(zhì)點動態(tài)受力振幅要明顯高于二次開啟功能時的結(jié)果，其最大幅值為81N，在進(jìn)行氣門彈簧疲勞耐久試驗時，建議選擇持續(xù)期功能作為試驗工況。在安裝狀態(tài)下，氣門彈簧的自振頻率為512.6Hz，校驗頻率比（彈簧自振頻率和凸輪軸標(biāo)定轉(zhuǎn)速的比）為13.67，AVL公司建議頻率比大于12，可見氣門彈簧未發(fā)生共振，氣門彈簧設(shè)計符合要求。

3.3 凸輪-滾子接觸分析

圖10 氣門彈簧各質(zhì)點受力（二次開啟）

圖11 氣門彈簧各質(zhì)點受力（持續(xù)期）

本VVA系統(tǒng)需要兩種凸輪共同作用于同一氣門，才能產(chǎn)生三種不同的氣門動作，其凸輪型線也與普通頂置凸輪軸采用的設(shè)計有很大不同，兩凸輪型線見圖4，因此凸輪的接觸狀態(tài)也有別于傳統(tǒng)配氣機構(gòu)。對比三種氣門動作，氣門二次開啟時，氣門及中間擺臂的動作更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)機構(gòu)飛脫及接觸應(yīng)力超限值的問題，其后果為產(chǎn)生脈沖載荷，造成接觸表面劃傷失效。

傳統(tǒng)設(shè)計凸輪材料為GCr15過共析鋼，表面經(jīng)感應(yīng)淬火處理，表面硬度為53±5HRC；凸輪滾子及搖臂滾子采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，滾動表面使用DLC（diamond like carbon）類金鋼石涂層，其表面硬度大于67HRC[5]。

將設(shè)計接觸參數(shù)作為邊界條件輸入模型，三種氣門動作的上凸輪-滾子間接觸應(yīng)力的計算結(jié)果如表4所示。

表4 接觸應(yīng)力仿真結(jié)果

材料允許的最大接觸應(yīng)力為1250 MPa，故上凸輪與滾子的接觸應(yīng)力在安全范圍內(nèi)[6]。但二次開啟功能的接觸應(yīng)力在發(fā)動機4500 r/min時已非常接近限值，安全系數(shù)較低，并且在氣門第一次關(guān)閉階段出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象（如圖12所示），此后氣門第二次開啟階段上凸輪接觸應(yīng)力出現(xiàn)震蕩，對系統(tǒng)產(chǎn)生了沖擊。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在使用氣門二次開啟功能時，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速≤3200 r/min時可以消除飛脫現(xiàn)象及接觸表面的脈沖載荷。

圖12 凸輪接觸應(yīng)力分析（4500r/min）

4 結(jié)論

1）使用GT-SUITE軟件可以快速進(jìn)行VVA系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的概念模型搭建及原理驗證，實現(xiàn)了三種不同的氣門動作，充分體現(xiàn)了多體動力學(xué)仿真工具在進(jìn)行系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及驗證方面的優(yōu)勢，節(jié)省了大量開發(fā)時間和加工成本。

2）通過進(jìn)行系統(tǒng)級的多體動力學(xué)分析，預(yù)測并優(yōu)化影響系統(tǒng)動力學(xué)特性的因素，確認(rèn)不同氣門動作功能適用的轉(zhuǎn)速范圍，論證了VVA系統(tǒng)應(yīng)用于柴油機上的可行性。

1蔣德明.高等內(nèi)燃機原理第一版[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2004

2Jun Bota，Tomohisa Kumagai，et al.Development of continuously variable phase and lift/duration mechanism for widelyavailableautomobileengines[J].SAEPaper2013-01-0591

3Marcin Marek Okarmus，Rifat Keribar，Edward Suh.Application of a general planar kinematics and multi-body dynamics simulation tool to the analysis of variable valve actuation systems[J].SAE Paper 2010-01-1193

4劉義.RecurDyn多體動力學(xué)仿真基礎(chǔ)應(yīng)用與提高[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013

5王忠.機械工程材料第一版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005

6林靈，詹樟松，成衛(wèi)國，等.可變氣門發(fā)動機凸輪軸及滾子搖臂失效分析[J].車用發(fā)動機.2010（6）：67～70

Design and Optimization on VVA System Based on GT-SUITE

Wang Bin1，2，Gao Dingwei1，2，Zhu Tao1，2，Qu Wei1，2，Han Zeming1，2，Gui Xiaolin1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

A variable Valve Actuation（VVA）system mainly used in diesel was designed.By using GTSUITE，a model of diesel VVA system was established for the part design.The kinematics and dynamics character of VVA system was predicted by multi-body dynamics（MBD）analysis，and the possible failure modes were optimized.The model of VVA system acted the second opening control and the opening duration control successfully，the design process of system can be greatly accelerated through the use of MBD simulation tool.

VVA system，Diesel，Multi-body dynamics

TK422.41

A

2095-8234（2014）05-00045-05

2014-06-23）

王斌（1984-），男，碩士，工程師，研究方向為發(fā)動機新技術(shù)應(yīng)用及整機開發(fā)。