某發(fā)動機配氣機構動力學分析

張辰，許濤，劉芯娟，胡宏德

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

某發(fā)動機配氣機構動力學分析

張辰，許濤，劉芯娟，胡宏德

(安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601)

采用分析軟件TYCON對某型發(fā)動機配氣機構進行動力學分析，對配氣機構的凸輪-挺柱接觸應力、氣門落座特性等進行研究。結果表明：該配氣機構的最大接觸應力均小于許用限值，接觸力正常；氣門落座平穩(wěn)，沖擊力較小，氣門無反跳。

配氣機構；接觸應力；落座特性

0 引言

配氣機構是發(fā)動機的重要組成部分，其作用是按照發(fā)動機的工作順序和工作要求，定時開啟和關閉各缸的進、排氣門，使新氣進入氣缸、廢氣排出氣缸。配氣機構設計的好壞直接影響著發(fā)動機的動力性、經濟性、排放以及工作的可靠性，尤其是在高速情況下，要保證其在較惡劣的條件下仍能平穩(wěn)可靠地工作。

由于實際配氣機構是一個彈性系統(tǒng)，工作時機構的彈性變形會使位于傳動鏈末端的氣門運動產生畸變，并增大整個機構各零部件之間的相互作用力，因此必須進行配氣機構動力學計算，查看是否有從動件飛脫、氣門反跳等不良現(xiàn)象。文中利用AVL TYCON分析軟件對某型發(fā)動機配氣機構的動態(tài)特性進行仿真分析。

1 搭建計算模型

1.1 分析模型

該發(fā)動機配氣機構是四氣門結構，雙頂置凸輪軸，主要由凸輪軸、挺柱、頂桿、搖臂、氣門、氣門座圈以及氣門彈簧等零部件組成。根據(jù)配氣機構實體結構及零部件布置情況，在TYCON中建立全閥系計算模型。在計算中，進氣和排氣單獨計算，未引入正時傳動模型。進氣和排氣全閥系模型如圖1所示。

1.2 參數(shù)設置

搖臂剛度輸入通過有限元計算得到，參數(shù)和結果如表1所示。

表1 搖臂參數(shù)

凸輪軸參數(shù)如表2所示。

表2 凸輪軸參數(shù)

1.3 計算邊界和載荷

氣缸壓力施加在排氣門上的力如圖2所示。

2 計算結果與分析

2.1 氣門升程曲線分析

圖3、圖4所示分別為進、排氣門的氣門升程曲線。可以看出：進氣門最大升程為8.96 mm，而排氣門最大升程為8.46 mm。無論是進氣門升程曲線還是排氣門升程曲線，曲線均光滑連續(xù)，說明配氣機構運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)不連續(xù)的情況，表示氣門無飛脫現(xiàn)象。且氣門升程曲線在閉合處無波動，說明氣門不存在反跳現(xiàn)象。

2.2 氣門落座特性分析

氣門落座時將會對氣門座產生沖擊，如果沖擊力過大，將會導致兩者之間的密封錐面被破壞，進而導致密封性能下降，最終使得發(fā)動機性能下降。此外，這種沖擊也是配氣機構機械噪聲的主要噪聲源。因此，有必要對氣門的落座性能進行分析。一般考查的是氣門落座速度，根據(jù)評價標準要求氣門落座速度小于1 m/s。

圖5、圖6分別是進、排氣門落座的特性曲線圖，圖中包括氣門升程、氣門落座速度以及氣門落座力3條曲線。

可以看到：進氣門在曲軸轉角1 355.5°時落座，落座速度為0.22 m/s，而排氣門則在曲軸轉角1 633.3°時落座，其落座速度為0.23 m/s，均小于1 m/s的限值，說明氣門落座平穩(wěn)，沖擊力較小，氣門無反跳現(xiàn)象。

2.3 凸輪-挺柱接觸應力分析

在閥系中，凸輪與挺柱的接觸應力是最重要的摩擦源之一，是閥系疲勞失效的主要形式。二者的接觸應力過大，容易引起發(fā)生過早磨損、刮傷、點蝕甚至碎裂等故障，因此在設計階段必須對凸輪-挺柱的接觸應力進行校核。凸輪與挺柱接觸表面的工作可靠性一般用接觸面的最大接觸應力來估算，使最大接觸應力低于許用應力范圍，該機型接觸面的許用應力為1 200～1 300 MPa。

圖7、圖8分別是6 000 r/min時，進、排氣凸輪接觸應力曲線圖，可以看到：進氣凸輪最大接觸應力為824.72 MPa，而排氣凸輪最大接觸應力為1 022.24 MPa，均小于1 200～1 300 MPa的許用限值，接觸力正常，滿足要求，未發(fā)現(xiàn)飛脫現(xiàn)象。

3 結束語

基于分析軟件TYCON，建立了發(fā)動機的全閥系模型，進行了動力學計算，得到了相應的氣門升程曲線、氣門落座特性曲線、接觸力曲線等。通過這些結果，有助于研究配氣機構的動力學特性，能夠了解各零部件的真實運動情況、所受載荷變化規(guī)律以及預測飛脫等不正常工況，為配氣機構的優(yōu)化設計提供理論參考。將仿真技術應用于發(fā)動機配氣機構的開發(fā)過程中，不僅可以提高產品設計質量，還有利于縮短研發(fā)周期、降低開發(fā)成本。

【1】陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2003.

【2】劉朋,周海.發(fā)動機配氣機構系統(tǒng)動力學研究[J].中國科技縱橫，2015(22):40-41.

【3】陳陽,姜學濤,劉建.配氣機構動力學仿真分析[J].科技風，2011(1):187.

【4】林平.發(fā)動機配氣機構的動力學模型及計算分析[J].重慶理工大學學報:自然科學版,2010,24(8):17-20.

Dynamic Analysis on Valve Train of a Certain EngineL

ZHANG Chen, XU Tao, LIU Xinjuan, HU Hongde
(Research & Development Canter,Anhui Jianghuai Automobile Co,.Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

TYCON software was used to make a dynamic analysis on valve train of a certain engine. Cam-follower contact stress and valve closing characteristics were studied. The results show that maximum contact stress is less than allowable stress and cam-follower contact force meets requirement, valve seat impact force is at a low level and valve bounce is not found.

Valve train; Contact stress; Valve closing characteristics

2016-04-13

張辰(1990—),女，本科，助理工程師，研究方向為發(fā)動機設計。E-mail:chen20122228@163.com。

U464.134

A

1674-1986(2016)06-050-03