基于AVL EXCITE TD的凸輪型線仿真優化

唐海嬌 夏志豪

（上汽通用五菱汽車股份有限公司）

凸輪型線就是凸輪運動曲線，它控制氣門的開閉，配合曲軸和活塞運動進行進/排氣，凸輪型線的設計對發動機性能有很大的影響，良好的凸輪型線要求其既能使汽油機具有良好的充氣性能又能保證配氣機構平穩且可靠地工作。不良的凸輪型線設計會導致發動機充氣效率、功率及扭矩低，甚至配氣機構運行不平穩且不可靠。因此，凸輪軸型線的設計優化尤為重要，而傳統的設計方法往往需要大量的計算，非常復雜。運用CAE 對凸輪軸型線進行設計優化，可以方便地找出最優的凸輪型線范圍，減少設計計算和試驗工作，降低開發周期和成本[1]。文章針對某改進小型汽油發動機，運用AVLEXCITE TD 對凸輪型線進行優化，目的是改善對運動學和動力學的要求，同時提高發動機中低轉速扭矩。

1 單閥系模型

1.1 單閥系結構及模型的建立

該小型汽油發動機配氣機構結構采用頂置凸輪機構，由凸輪、平面機械挺柱、氣門、氣門彈簧、鎖夾及彈簧座組成，單閥系結構形式和模型，如圖1 所示。

1.2 模擬及計算結果

根據該款汽油發動機相關參數，設置各部件質量、剛度及阻尼等參數，動力學按發動機幾個關鍵轉速點附件（1 000，3 000，6 000 r/min）進行計算，將原有凸輪型線導入到模型中，進行配氣機構的運動學和動力學計算，檢查其運動學和動力學是否滿足要求，主要評價標準，如表1 所示。

表1 配氣機構運動學和動力學評價標準

運動學檢查結果表明，該凸輪要求的挺柱直徑為26.9 mm，超出現有挺柱直徑26 mm 的要求。可見，優化的目標之一就是要改善型線，使其滿足直徑26 mm 的要求。

動力學的檢查包括兩方面：

1）氣門運動。圖2 示出優化前氣門升程曲線，從圖2 可以看出，在轉速6 000 r/min 下氣門無反跳。落座速度滿足氣門落座速度＜0.5 m/s 的評判標準，氣門的落座力滿足氣門落座力小于6 倍彈簧預緊力（彈簧預緊力為120 N）的要求[2]，優化前氣門落座速度和落座力曲線圖，如圖3 和圖4 所示。

2）凸輪與挺柱接觸應力。圖5 示出優化前凸輪-挺柱接觸應力曲線，從圖5 可以看出，挺柱與凸輪最大接觸應力為690 MPa，應力值偏大（根據AVL 提供各材料下挺柱-凸輪的接觸應力查得其限值為700 MPa），且伴隨有飛脫發生。可見，優化的目標是減小接觸應力值，且避免飛脫。

2 優化過程

配氣凸輪外形與氣門的通過能力（時面值大小）和構件加速度變化規律（動負荷大小）等有直接關系。因為凸輪外形與凸輪從動件的升程規律有對應關系，而直接測量凸輪的幾何形狀十分困難，測量升程規律易于實現，所以實際上通常不直接設計凸輪幾何外形，而是設計從動件運動規律。本設計優化凸輪型線是對氣門加速度曲線進行優化，因為它對機構動力學影響最直接，而且對凸輪形狀的變化最敏感[3]。

凸輪型線的優化要在滿足發動機低轉速下提高扭矩的要求外，還要滿足配氣機構運動學和動力學的要求。從以上分析可以看出，原有凸輪型線的運動學和動力學分析存在挺柱直徑要求超差、Jerk 值偏大、凸輪與挺柱接觸應力偏大及飛脫等情況，這也是優化的目標。

2.1 工作段優化

凸輪型線工作段函數一般有POLYDYNE（氣門多項動力加速度函數）、STAC（氣門等加速度函數）及ISAC（氣門分段加速度函數）。多項式函數是一個光滑的具有充分適應性的簡單形式，與ISAC 比較，缺乏局部控制的靈活性。氣門等加速度函數，常用于大中型低速發動機，使用比POLYDYNE 靈活。ISAC 可用任意函數自由搭配，靈活性好，如方便控制正加速度寬度等。本款發動機凸輪型線采用ISAC。凸輪寬度與平面挺柱接觸圖，如圖6 所示。

根據挺柱直徑（dT/mm）的設計要求，在某一轉速下dT和凸輪與挺柱接觸的瞬態偏心量（e/mm）計算公式為：

式中：w——凸輪接觸寬度，mm；

O——實際凸輪中心與挺柱中心的偏移量，mm；

emax——凸輪最大偏心率，mm；

v0——挺柱瞬態速度，mm/s；

ω——凸輪轉速，r/min；

可以看出，在給定轉速下，dT隨著emax減小而減小，e 隨著v0減小而減小。因此，通過優化凸輪型線減小挺柱最大瞬態速度可使其滿足給定dT要求。本次優化是通過在flank 后可設計一段常速度段削減最大正速度數值，即加速度曲線為零，如表2 所示。在正弦函數曲線末端加速度為零后再加入一段曲線末端加速度為零的直線函數，從而達到滿足挺柱直徑限制要求。

表2 優化加速度為零的函數表

2.2 緩沖段優化

緩沖段是連接基圓與工作段的過渡段，其作用主要是：開啟段消除閥系總間隙，其值等于換算到凸輪一邊的最大氣門間隙；消除預緊力引起的零件彈性預變形，該靜變形對應的彈性恢復力足以抵消氣門彈簧預緊等。關閉段避免由于泄漏引起的液壓元件中長度損失的額外補償。氣門頭部與氣門座的工作條件較差，且氣門關閉側參與撞擊的氣門座等零件質量較大，磨損會相對更大些，因此有時關閉側最大速度可小于開啟側。

在緩沖段設計時，一般上升段和下降段高度通常相等，車用為0.2～0.4 mm，緩沖段末端速度最大速度小于300 mm/s（運動學），高轉速發動機可取下限，避免氣門過度沖擊和過大噪聲。緩沖段長度一般在15～40°范圍內，與緩沖段高度、形狀及末端速度配合考慮。

圖7 示出幾種常見的緩沖段函數圖，本次優化采用梯形函數，開啟側和關閉側對稱，高度取0.29 mm，緩沖段末端速度取0.3 m/s。

2.3 提高中低轉速性能的凸輪型線優化

凸輪型線影響發動機性能主要有兩方面：一是氣門開啟和關閉時刻；二是凸輪的升程和工作包角。發動機在低速運行時，氣流慣性相對較小，如果長時間的氣門開啟反而會導致新鮮氣流回流。因此在配氣相位和氣門升程不變的情況下，想提高中低轉速性能可通過適當減小凸輪工作包角，減小氣門持續開啟角以滿足中低轉速性能要求，優化時需要兼顧到運動學和動力學的要求，調整各段參數，包括長度、函數及幅值等，凸輪型線優化流程，如圖8 所示。在AVL boost 軟件里建立發動機整機性能分析模型，如圖9 所示。

3 優化結果

優化前后凸輪型線包角和緩沖段角度，如圖10 所示。

3.1 運動學優化結果

優化前后的配氣機構運動學特性對比，如表3 所示。優化后凸輪與挺柱最大接觸應力和最大躍度都有較大改善，滿足挺柱直徑要求，優化后潤滑系數雖有所降低，但仍滿足桃尖±30°內大于0.15 的要求。

表3 優化前后的配氣機構運動學特性對比

3.2 動力學優化結果

優化前后凸輪與挺柱間的接觸應力，如圖11 所示。優化后接觸應力幅值有較大幅度降低，同時也避免了飛脫的現象，如圖12 所示。氣門落座力及落座速度均滿足要求，如圖13 和圖14 所示。

3.3 性能優化結果

優化前后發動機性能對比分析結果，如圖15 和圖16 所示，仿真結果表明，優化后的凸輪型線能夠明顯提高發動機中低轉速扭矩。

4 結論

文章運用AVL Excite Timing Drive 軟件對某款自然吸氣發動機進氣側配氣機構的凸輪型線進行優化，對配氣機構進行建模和仿真分析，并在此基礎上進行凸輪型線優化。通過優化得出：1）優化后的型線滿足挺柱直徑要求，滿足基本的運動學和動力學要求，同時改善了凸輪與挺柱接觸應力及最大躍度等性能；2）優化后的型線明顯提高了發動機中低轉速扭矩。