氣門活塞極限間隙分析新算法的應(yīng)用研究

劉芳， 田入園， 陶麗芳， 劉建華

（安徽航瑞航空動(dòng)力裝備有限公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

氣門和活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)性能得以實(shí)現(xiàn)的重要部件，通過氣門的開啟和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的配合，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門和活塞都遵循一定的規(guī)律在運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞由下止點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)上止點(diǎn)時(shí)，若氣門仍處于較大開啟狀態(tài)，就會出現(xiàn)氣門撞活塞的現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致氣門折斷[3]，為使氣門與活塞運(yùn)動(dòng)順暢，必須保證活塞與氣門之間有足夠的間隙。

傳統(tǒng)的氣門活塞間隙的分析方法包括利用公式求解和CAE軟件分析。高永胤[4]和陳文壁[5]通過構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)氣門活塞間隙計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，通過簡化方程求解得出氣門和活塞間的最小距離。這種數(shù)學(xué)模型求解過程復(fù)雜而繁瑣，包括大量的數(shù)學(xué)理論知識，使得這種分析方法很難推廣。施玉春等[6]通過數(shù)學(xué)建模，計(jì)算了4G15V機(jī)型柴油機(jī)的氣門活塞最小運(yùn)動(dòng)間隙，并闡述了理論與實(shí)際情況的誤差來源于凸輪的制造公差、零件的熱變形等。

隨著CAE分析軟件的廣泛應(yīng)用，上述問題得到了很好的解決并效果顯著[7-11]。王東玉等[7]利用Adams軟件，搭建了整個(gè)曲軸系統(tǒng)、正時(shí)系統(tǒng)及配氣系統(tǒng)的模型，并應(yīng)用軟件中的間隙分析功能得到了活塞與氣門的最小運(yùn)動(dòng)間隙。但該方法前處理往往會占據(jù)大量時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程師無法及時(shí)有效地分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；另外，隨著企業(yè)職能的劃分，很多設(shè)計(jì)師沒有仿真計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)與CAE之間的數(shù)據(jù)交換大大降低了工作效率。

針對上述存在的不足之處，本文修正了氣門活塞極限運(yùn)動(dòng)間隙計(jì)算方法，增加了尺寸公差、加工及裝配誤差等因素；并基于Excel強(qiáng)大的計(jì)算功能，設(shè)計(jì)出用戶界面良好、操作簡單、功能強(qiáng)大的氣門活塞間隙分析計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)分析自動(dòng)化，設(shè)計(jì)師只需要校核輸入數(shù)據(jù)，即可得出計(jì)算分析結(jié)果，不僅降低了設(shè)計(jì)師對仿真能力的要求，也大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

1 分析方法構(gòu)建

影響氣門活塞間隙的主要因素[12]有：氣門升程及氣門傾角、活塞運(yùn)動(dòng)方程、相關(guān)零件尺寸、極限公差及熱變形、凸輪的制造公差、傳動(dòng)鏈的裝配公差以及傳遞誤差。

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

1）根據(jù)圖1，可建立活塞運(yùn)動(dòng)方程為x=f（φ），其中φ為曲軸轉(zhuǎn)角。假設(shè)活塞從上止點(diǎn)開始運(yùn)動(dòng)，曲柄半徑為R，連桿長度為L，得到活塞的運(yùn)動(dòng)方程[13]：

2）氣門升程h=g（φ）。

3）氣門關(guān)閉時(shí)，氣門頂與活塞避閥坑的名義距離Hl，包括缸墊厚度、避閥坑深、活塞上表面到缸體表面的距離。

4）各關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)件的尺寸公差及熱變形Δl。

5）制造裝配傳遞相位總公差Δα，凸輪的制造誤差及凸輪軸與曲軸的裝配誤差最后都會體現(xiàn)在氣門相位的前滯或后滯。

6）氣門相位調(diào)節(jié)角度δ，相位前滯時(shí)，取正值，相位后滯時(shí)，取負(fù)值。

圖1 活塞運(yùn)動(dòng)圖

氣門與活塞間隙:

式中：β為氣門傾角；計(jì)算進(jìn)氣門與活塞間隙時(shí)Δα取正，計(jì)算排氣門與活塞間隙時(shí)Δα取負(fù)。

1.2 Excel的實(shí)現(xiàn)

在Excel中，對不同類型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行歸類，通過強(qiáng)大的計(jì)算功能，對氣門活塞間隙計(jì)算公式進(jìn)行求解；利用Excel繪圖功能，將計(jì)算的結(jié)果顯示出來，得到氣門升程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及最小氣門活塞間隙Min.C，如圖2所示。

圖2 氣門活塞間隙計(jì)算程序界面圖

采用分析程序，可以省略建模的時(shí)間及降低分析人員對仿真分析和計(jì)算能力的要求。在前期產(chǎn)品開發(fā)階段，設(shè)計(jì)工程師只需要收集相關(guān)輸入數(shù)據(jù)，輸入到程序中即可得到所需的結(jié)果，從而可以將主要精力投入到方案優(yōu)化上[14]。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 已知條件

1）某兩缸四沖程汽油機(jī)，沖程為34.5 mm，連桿長度43 mm；2）氣門升程見圖3；3）活塞在上止點(diǎn)（TDC）時(shí)，缸體頂面到活塞頂面的距離為2 mm；4）缸墊厚度為0.75 mm，避閥坑深0 mm；5）氣門關(guān)閉時(shí)刻最低點(diǎn)與缸蓋底部的距離1 mm；6）各關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)件的尺寸總公差為0.821 mm；7）制造及裝配相位總偏差控制在4.5°曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)。

圖3 氣門升程曲線

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

在計(jì)算分析控制中，設(shè)定尺寸+相位公差的分析計(jì)算，考慮尺寸公差及制造裝配傳動(dòng)相位公差對氣門活塞間隙的影響。圖4給出了氣門-活塞的運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖及氣門活塞運(yùn)動(dòng)間隙圖。

圖5給出了最小氣門活塞間隙值，可以看出，在氣門達(dá)到上止點(diǎn)后5.75°凸輪轉(zhuǎn)角（camdeg）時(shí)，最小氣門活塞間隙為1.48 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 氣門-活塞運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖

之前在很多有關(guān)氣門活塞間隙的研究工作中，都忽略了尺寸公差及制造裝配傳動(dòng)相位公差的影響。實(shí)際上，根據(jù)尺寸鏈公差理論[15]可知，系統(tǒng)的尺寸公差及制造裝配傳動(dòng)相位公差勢必會影響原有的氣門活塞運(yùn)動(dòng)軌跡，從而影響氣門活塞運(yùn)動(dòng)間隙。現(xiàn)根據(jù)計(jì)算結(jié)果來說明不同參數(shù)對最小氣門活塞間隙的影響。

圖5 氣門-活塞最小間隙值圖

圖6給出了不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，可以得到不同參數(shù)對最小氣門活塞間隙的影響。由圖可知，不考慮尺寸公差及相位公差的影響時(shí)，得到名義值Min.C=2.67 mm，這種計(jì)算結(jié)果就是現(xiàn)在傳統(tǒng)的計(jì)算方法得出的理論結(jié)果。單獨(dú)考慮尺寸公差的影響，得到Min.C=1.85 mm；單獨(dú)考慮相位公差，得到Min.C=2.30 mm；綜合考慮所有參數(shù)的影響，得到Min.C=1.48mm。

圖6 不同參數(shù)的計(jì)算結(jié)果

從圖6中4種結(jié)果對比可知，尺寸公差的影響值為（2.67-1.85）=0.82 mm，相位公差的影響值為（2.67-2.30）=0.37 mm，總公差的影響值為（0.82+0.37）=1.19 mm。可知尺寸及相位公差對氣門活塞間隙影響顯著，不容忽視。

圖7給出了不同名義距離下的計(jì)算結(jié)果，可知當(dāng)名義距離由3.75 mm減少到2.1 mm時(shí)，名義值Min.C=1.02 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)公司推薦的值，最小氣門活塞間隙名義值為1 mm，由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)考慮到尺寸及相位公差時(shí)，最小氣門活塞間隙值為-0.17 mm，可知，在此工況下，會出現(xiàn)氣門撞活塞的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1）通過分析氣門活塞間隙的影響因素，提出了一種計(jì)算氣門-活塞間隙的新算法，通過考慮相關(guān)零部件的公差、凸輪的制造公差及曲軸-凸輪裝配傳動(dòng)誤差等因素影響，使得該計(jì)算方法更加精確。

圖7 不同名義距離下的計(jì)算結(jié)果

2）利用Excel強(qiáng)大的計(jì)算和繪圖功能，設(shè)計(jì)了氣門－活塞間隙計(jì)算分析程序，可以大幅度提高工作效率。

3）通過對某發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)算分析，該程序直觀地顯示了尺寸公差、相位公差因素對最小氣門－活塞間隙的影響貢獻(xiàn)值，為設(shè)計(jì)師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及優(yōu)化方案提供了理論依據(jù)。