不同轉速下柴油機多剛體配氣機構動力學仿真分析

吳文江， 張學強， 鄭明軍， 李晨陽（．石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北石家莊050043；．石家莊鐵道大學機械工程學院，河北石家莊050043）

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不同轉速下柴油機多剛體配氣機構動力學仿真分析

吳文江1， 張學強2， 鄭明軍2， 李晨陽2
（1．石家莊鐵道大學工程訓練中心，河北石家莊050043；2．石家莊鐵道大學機械工程學院，河北石家莊050043）

摘 要：在已經創建好的ADAMS多剛體配氣系統模型基礎上，通過仿真分析得到了不同凸輪軸轉速情況下氣門運動規律及凸輪與挺柱接觸力、搖臂與氣門接觸力、氣門與氣門座的落座力數值，并分析了配氣機構氣門運動規律、主要零部件之間的接觸力和應力，得到了在該模型中2 000r／min時氣門會發生反跳現象、主要零部件的接觸力和應力會發生突變產生飛脫及作用失效等現象，為配氣系統設計改進提供了依據。

關鍵詞：多剛體配氣系統；動力學；運動規律；接觸力；反跳；飛脫

在柴油機配氣系統中，當凸輪軸轉速達到某一特定值或者轉速過高時，配氣機構將會產生進、排氣門反跳和零部件飛脫等現象，造成配氣機構零部件的損壞和振動加劇［1］；并且，隨著凸輪軸轉速的增大零部件之間的接觸力也會產生比較大的變化，所以研究不同的轉速下配氣機構動力學性能有很重要的意義。文章主要研究在凸輪軸轉速分別在800r／min、1600r／min、1 800r／min和2 000r／min時配氣機構的動力學性能。

利用ADAMS建立柴油機配氣機構［2］的多剛體動力學模型如圖1，然后直接在模型上進行動力學仿真分析，得到了排氣機構在凸輪軸轉速分別為800r／min、1 600r／min、1 800r／min和2 000r／min時配氣機構的動力學性能曲線。

圖1 ADAMS建立的單排氣機構多剛體系統動力學模型

1　氣門的運動規律分析

多剛體模型通過動力學仿真分析，得到了不同凸輪軸轉速下氣門的位移、速度、加速度曲線［3］，如圖2所示。

從圖2中可以看出，配氣機構在前3個凸輪軸轉速下排氣門的位移曲線平滑并且連續，沒有間斷的情況，并且數值變化很小，說明氣門在開啟時相對平穩。從圖中可以看出氣門在開啟時加速度比較大，這樣有利于氣門可以快速的開啟；氣門在落座時的加速度很小，有利于減小對氣門座圈的沖擊和損害。當凸輪軸轉速達到1 800r／min時，發現氣門落座時的加速度顯著增大，造成了氣門座圈受到很大的沖擊力；而當凸輪軸轉速在2 000r／min時，氣門位移曲線出現了比較明顯的跳動，此刻氣門產生了反跳現象。

2　凸輪與挺柱之間的接觸力及應力

多剛體模型通過動力學仿真分析，得到了不同凸輪軸轉速下凸輪與挺柱之間的接觸力及應力曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看到，隨著凸輪軸轉速的不斷增大，排氣凸輪與挺柱之間的接觸力以及應力曲線波動變得越來越顯著。當凸輪軸轉速達到1 800r／min時，從圖3（c）中看到凸輪與挺柱之間的接觸力以及應力在某一角度變成了零值，說明此刻排氣凸輪與挺柱之間產生了輕微飛脫的現象。而當凸輪軸轉速在2 000r／min時，排氣凸輪與挺柱之間產生了嚴重飛脫現象，配氣機構已經不能進行正常工作了［4］。

圖2　不同凸輪軸轉速下氣門的位移、速度、加速度曲線

圖3　不同凸輪軸轉速下凸輪與挺柱之間的接觸力及應力曲線

3　搖臂與氣門之間接觸力

多剛體模型通過動力學仿真分析，得到了不同凸輪軸轉速下搖臂與氣門之間接觸力曲線，如圖4所示。

從圖4中可以看到，隨著凸輪軸轉速的不斷增大，排氣凸輪與挺柱之間的接觸力以及應力曲線波動變得越來越顯著。與凸輪與挺柱之間接觸的情況不同，當凸輪軸轉速達到1 800r／min時，搖臂與氣門之間并沒有產生飛脫現象。而當凸輪軸轉速在2 000r／min時，搖臂與氣門之間接觸情況發生了嚴重破壞。

4　氣門與氣門座之間的落座力

多剛體模型通過動力學仿真分析，得到了不同凸輪軸轉速下氣門與氣門座之間的落座力曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，凸輪軸在各種轉速的情況下，氣門與氣門座圈的碰撞力都產生了振動現象。在凸輪軸轉速為n＝800r／min時，因為氣門彈簧預緊力與氣門落座力相互抵消了，所以落座力振幅變化不是很明顯；隨著凸輪軸轉速的增大，此時的碰撞力增加比較顯著，振幅變化也更加劇烈，而當凸輪軸轉速在2 000r／min時氣門落座時產生了比較大的峰值，表明當氣門與氣門座圈的碰撞力達到某一定值后，氣門會產生反跳現象。

圖4　不同凸輪軸轉速下搖臂與氣門之間接觸力曲線

圖5　不同凸輪軸轉速下氣門與氣門座之間的落座力曲線

從圖2～圖5中可以看到，對于排氣配氣機構多剛體模型而言，本文所選取的4個凸輪軸轉速中，在前3個凸輪軸轉速下配氣機構可以正常的工作。不同的凸輪軸轉速下排氣配氣機構動力學性能變化的最大數值見表1，不同轉速下變化的規律見圖6。

表1　不同凸輪軸轉速下排氣機構多剛體動力學模型仿真分析結果

5　結論

通過凸輪軸不同轉速時配氣機構的動力學仿真分析，得到如下結論：①由于氣門其加速度值在1 800r／min時急劇增加，當到達2 000r／min已經發生反跳現象，因此該排氣系統無法滿足正常要求。②分析氣門與挺柱接觸力發現，當1 800r／min時，氣門與挺柱發生輕微飛脫，當到達2 000r／min時發生了嚴重飛脫，系統無法正常運行。③與凸輪與挺柱之間接觸的情況不同，當凸輪軸轉速達到1 800r／min時，搖臂與氣門之間并沒有產生飛脫現象。而當凸輪軸轉速在2 000r／min時，搖臂與氣門之間接觸情況發生了嚴重破壞。④從氣門與氣門座之間的反力同樣可以看到當凸輪軸轉速達到2 000r／min氣門已經發生反跳現象。多剛體配氣系統的仿真結果幫助發現了凸輪軸轉速與氣門反跳的值區間，其運動規律為后續改善凸輪形狀提供了理論依據。

圖6 不同的凸輪軸轉速下排氣機構動力學特性

低速柴油發動機為1 500r／min，而中速柴油發動機轉速在1 500～3 000r／min之間，若該模型所對應的發動機僅作為低速轉動情況下使用，則該發動機可以滿足正常使用，但轉速不能超過最大1 800 r／min，否則會導致配氣機構工作不正常、異響、發動機功率降低，甚至會對挺柱等關鍵部件產生破壞。

若發動機轉速不能滿足使用要求，則需對配氣機構進行改進設計，重新設計凸輪輪廓線、氣門質量、調節彈簧剛度，測量其在不同轉速下的動力學情況，使之滿足使用要求。

凸輪輪廓線的設計，直接影響氣門的加速度，因此為預防配氣機構中氣門發生飛脫現象，常常約束正、反向加速度的峰值來控制凸輪－挺柱間的接觸應力。

調節合理的彈簧剛度、改變氣門彈簧剛度對配氣機構各個構件之間接觸力（落座力和搖臂與氣門接觸力）影響比較大。

參考文獻

［1］田運峰，鄭明軍，吳文江．內燃機配氣機構多體動力學仿真及分析［J］．國防交通工程與技術，2012，10（5）：42－45

［2］譚巍，武占華．配氣機構動力學模型的特點及研究進展［J］．大連海事大學學報，2008，34（13）：46－48

［3］肖凱．汽油機配氣機構與凸輪型線特性研究及仿真優化設計［D］．廣州：華南理工大學，2013

［4］王琪赟．配氣機構動力學性能試驗系統開發與試驗研究［D］．杭州：浙江大學，2012

A Dynamic Simulation Study of the Multi－Rigid－Body Distribution System of a Diesel Engine at Different Rotating Speeds

Wu Wenjiang1， Zhang Xueqiang2， Zheng Mingjun2， Li Chenyang2
（1．Engineering Training Center，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2．College of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract：Upon the basis of the readily－established ADAMS model for a multi－rigid－body distribution system，a simulation analysis is performed，with the law of the movement of the lower air valve，and the values of the contact force between the cam and the tappet，the contact force between the rocker arm and the air valve，and the seating force between the air valve and the air valve stand obtained when the cam shaft turns at different speeds，upon the basis of which the law of the movement of the air valves of an air distribution mechanism，the contact forces between and the stress of the major parts are also analyzed．It is found in the model that the valve will bounce at 2 000r／min，and the major parts may fly off or fail in function at 2 000r／min．The result of the present research may serve as the technical grounds for the design and improvement of the air distribution system．

Key words：multi－rigid－body distribution system；dynamics；law of movement；contact force；bounce；flyoff

作者簡介：吳文江（1965—），男，教授，主要從事載運工具運用工程和車輛工程方面的教學與研究工作 429332178＠qq．com

基金項目：河北省高等學?？茖W技術研究重點項目（ZH2012007）

收稿日期：2015－11－23

中圖分類號：U464．172

文獻標識碼：A

文章編號：1672－3953（2016）01－0015－04

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．004