發動機凸輪軸優化設計

張敏捷，韓飛

（上海工程技術大學，上海 201620）

1 概述

凸輪軸是發動機的重要部件。凸輪運動規律直接影響發動機的功率指標、排放指標等，起著舉足輕重的作用。降低凸輪軸質量對減少發動機排量有積極的作用。隨著發動機轉速的不斷提高，對凸輪軸運動的平穩性、耐磨性、抗扭強度、以及疲勞壽命提出了更高的要求。在滿足上述要求的情況下，實現發動機的輕量化、低成本、以及節能環保的目的。

2 配氣機構動力學分析

本文選取大眾某款發動機為研究對象，配氣機構如圖 1所示：

圖1 配氣機構簡圖

2.1 利用CATIA進行三維建模

首先使用CATIA軟件對目標配氣機構進行建模，如圖2所示：

2.2 運用ADAMS建立凸輪軸動力學分析

本文所研究的配氣機構是在凸輪軸轉速為 3000r/min時

的動力學分析，已知凸輪軸動力學分析模型參數如表1：

圖2 配氣機構三維建模圖

表1 凸輪軸動力學分析模型參數

轉速為 3000 r/min 時，凸輪軸轉動5圈，計算分析氣門的動力學升程、速度、加速度、凸輪與滾珠搖臂接觸力隨凸輪軸轉角變化情況，計算結果如下圖所示，圖中位移單位為mm，速度單位為 mm/s，加速度單位為mm/s2，接觸力單位為 N。將建立好的配氣機構以及參數導入ADAMS軟件得到動力學仿真結果如圖3所示：

圖3 ADAMS動力學仿真結果

從曲線可知，氣門運動平穩，氣門升程在 8mm左右，與原發動機實際運行結果一致。氣門速度曲線連續，無飛脫現象，由于曲線顯示5圈的運動狀況，加速度曲線變化比較明顯，每圈平均最大加速度為4000m/s2，凸輪與搖臂平均最大接觸力為900N，符合實際情況?？芍⒌膭恿W模型符合配氣機構實際運行狀態，能夠為下面的瞬態動力學分析提供基礎。

3 凸輪軸瞬態動力學分析

瞬態分析可以確定承受任意時間變化載荷結構的動力學響應。凸輪軸轉動時，凸輪在不同時間所承受的應力、扭矩等是變化的，為了得到精準的受力狀況，需對其進行瞬態動力學分析。凸輪軸受力主要是凸輪在運轉過程中的自身的慣性力，燃氣壓力以及氣門彈簧力，為了方便進行瞬態動力學分析，假設受力形式為集中力，規定受力集中部位。

將建立好的凸輪軸模型導入workbench中，并劃分表格，添加約束。瞬態動力學結果分析如圖4所示：

圖4 凸輪軸瞬態動力學分析結果

其中，每一個氣缸做功時均有一組數據，這里由于篇幅所限，只取其中的最大值，其結果如表2所示：

表2 凸輪軸瞬態動力學分析結果

查表可知：45號鋼屈服強度355Mpa，安全系數為2.5，許用應力 142Mpa。由實際狀況可知：滿足使用要求，凸輪軸最大撓度不能超過0.5mm。經比較，原凸輪軸滿足使用要求。

4 基于最優化算法與工藝要求，完成凸輪軸結構優化

為了擴大軸中心孔，降低凸輪軸質量，通過觀察凸輪軸中心孔直徑變化時，凸輪軸所受的等效應力與總變形的變化情況，來保證等效應力與總變形在一定范圍內，使凸輪軸滿足使用功能。凸輪軸的初始參數如表3所示：

表3 原凸輪軸初始參數

系統在15～20之間隨機生成9個數，作為內孔直徑的大小，進行計算。所得數據擬合曲線如圖5所示：

圖5 Design Explorer運算數據擬合曲線

由圖5可知，隨著內孔直徑的增大，凸輪軸的最大變形量與最大等效應力均增大。當內孔直徑為18.75mm時，凸輪軸最大等效應力為 121.97Mpa，接近許用應力，使得工作不太安全。所以內孔直徑應小于18.75mm。當內孔直徑為18.125時，凸輪軸最大等效應力為114.95Mpa，滿足使用功能。

為了獲得更精確的數據，我們以0.02為間隔由小到大對凸輪軸內徑進行取值，所得關鍵數據如圖6所示：

圖6 凸輪軸內徑精確取值運算數據

為方便加工工藝，確定凸輪軸優化后的內孔直徑為18mm。

5 檢驗優化結果

5.1 數據分析

優化后的凸輪軸內徑為 18mm。當內徑擴大時，整個凸輪軸的質量、變形量和等效應力都會發生變化，其前后對比如表4所示：

表4 凸輪軸優化前后對比

優化后的凸輪軸最大變形量為0.055218，最大等效應力為113.61，均滿足使用要求，同時質量減輕156.84g。

5.2 發動機臺架實驗驗證

為了進一步驗證凸輪軸的可靠性，我們將凸輪軸安裝到發動機內進行臺架實驗，驗證凸輪軸是否可靠，優化結果如何。優化結果如圖7所示：

圖7 優化后凸輪軸臺架實驗數據

安裝優化后凸輪軸的發動機質量從原來的 113.85g減少到113.69g，同時功率從80kw提高到了84kw，功率質量比從0.702 kW/Kg提高到了0.739kW/Kg。

6 結論

優化后的凸輪軸內徑為 18mm。對比原凸輪軸，優化后的凸輪軸內徑增大了2mm，在保證凸輪軸正常工作的情況下使凸輪軸減少質量156.84g，減少率為14.26%。通過臺架實驗表明安裝優化后的凸輪軸的發動機質量減輕，功率上升，從而使得發動機的功率質量比有所上升。與此同時，保證了凸輪軸的平穩性、耐磨性、抗扭強度以及其本身的使用性能，從而實現了發動機的輕量化、低成本以及節能環保的目的。

參考文獻

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