氣門機構動力學仿真與試驗研究

(1. 上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804；2. 上海市汽車動力總成重點實驗室,上海 201804)

0 前言

氣門機構也稱配氣機構，主要用來保證氣缸內充氣效率高、換氣損失小，使得發動機有良好的動力性和經濟性，同時，要求其本身工作平穩可靠，噪聲低。氣門機構的任務是實現換氣過程，即根據發動機氣缸的工作順序，定時開啟和關閉進、排氣門，以保證排出廢氣和吸入新鮮空氣。

近年來，關于氣門機構動力學仿真計算研究較多，發展漸趨成熟，作為傳統發動機的重要組成部分，對氣門機構動力學仿真計算進行試驗驗證并開展相關指導設計已經顯得尤為重要。

本文利用一維軟件RICARDO/VALDYN，采用一維與三維相結合的方法建立了氣門機構動力學模型，并與試驗結果進行了對比。且在現有基礎上對影響動力學性能的關鍵參數進行了研究，為今后的氣門機構動力學仿真計算提供了指導和參考。

1 氣門機構動力學分析

氣門機構動力學，就是根據作用在彈性系統中各構件上的力的平衡關系，并考慮系統中的阻尼、間隙、脫離，落座等各種因素，建立氣門運動微分方程并進行求解的一種計算方法。氣門機構動力學分析主要是考察凸輪飛脫、氣門落座、氣門彈簧振動等動態特性，動態特性的好壞直接影響著發動機振動噪聲，以及工作的可靠性，因此動態特性對氣門機構動力學的研究有重大意義。

1.1 數學模型

氣門機構動力學計算是將復雜的零部件簡化成等效的數學模型，然后采用不同的理論方法進行求解計算。氣門機構動力學計算中常用的數學模型包括單質量模型和多質量模型等。

單質量模型即單自由度模型，其單自由度系統運動學微分方程為

(1)

式中，m為質量，c為阻尼，k為剛度，u(t)為位移，f(t)為激勵力。

為了考慮高階振動的影響，細致描述各驅動零件的運動規律，往往采用多自由度模型，特別是氣門彈簧，每一圈離散為多個質量點，計算得到每個質量點的運動和受力。多自由度系統運動微分方程為：

(2)

式中，M為質量矩陣，c為阻尼矩陣，k為剛度矩陣，u(t)為位移向量，f(t)為激勵力向量。

1.2 動力學仿真模型

根據現有氣門機構的幾何布置、質量慣量、剛度和阻尼等參數采用軟件RICARDO/VALDYN搭建了氣門機構動力學仿真模型(圖1)。氣門機構動力學模型主要包括凸輪搖臂、液壓挺柱、氣門總成和氣門彈簧等，其中搖臂和液壓挺柱模型主要由供應商提供，氣門彈簧則可以自行設計或采用供應商提供的數據。凸輪形狀一般由型線設計得到。圖1為某一發動機搖臂式氣門機構動力學仿真分析模型，其中搖臂采用柔性體。為了方便計算而采用相對坐標系，以液壓挺柱球頭中心為零點。

1.3 動力學仿真與試驗對比

按照以上單氣門機構的建模方法，可以得出動力學氣門升程、氣門速度以及凸輪接觸力等動力學仿真結果，圖2為某發動機在6 600 r/min高轉速下的仿真結果與試驗的對比情況。

圖1 氣門機構動力學仿真模型示意圖

圖2 氣門升程測試

從圖2可知，氣門升程的差異較小，兩者之差滿足工程應用標準，有很好的可比性。圖3顯示，氣門速度和落座速度均有高度的一致性。

圖3 氣門速度測試

圖4 凸輪接觸力測試

從圖4可以看出，接觸力峰值和波形吻合度很高。

綜上所述，仿真結果與試驗結果有高度的一致性，滿足工程應用的要求，同時也驗證了氣門機構仿真模型的正確性，說明該仿真模型可以用于指導設計。

2 參數化研究

由于仿真模型與試驗有高度的一致性，能較好地指導設計，為了進一步提升氣門機構動力學性能，避免在開發后期出現問題，對幾個關鍵參數進行了研究。

2.1 氣門升程緩沖段對氣門落座的影響

凸輪型線的設計對氣門機構動力學性能影響很大，而緩沖段的設計直接影響氣門落座的好壞。圖5為不同氣門升程對比示意圖,圖6為對應的氣門加速度對比示意圖，從圖中可以看出兩者升程差別很小，但緩沖段相對于更改前有所降低。

圖5 運動學氣門升程對比

圖6 運動學氣門加速度的對比

兩個不同升程代入氣門機構動力學模型后發現氣門落座速度和氣門落座力都有明顯的改變。圖7和圖8分別示出了氣門落座速度和氣門落座力的對比情況。

圖7 氣門落座速度對比

圖8 氣門落座瞬間受力對比

從動力學對比結果來看，對于該款機型的進氣側，隨著氣門升程緩沖段降低后，氣門落座速度明顯降低，氣門瞬時落座力也有著不同程度的降低，說明合理的調整緩沖段對氣門座的磨損有好處。

2.2 氣門彈簧余隙對彈簧顫振的影響

彈簧余隙指代彈簧最大升程位置到彈簧完全壓縮位置之間的距離。從理論上來講，彈簧余隙過大，彈簧偏長，彈簧顫振就會變大，但彈簧余隙不能無限制減小，一般需要控制在1.5～2.5 mm之間。圖9為不同彈簧余隙對應的氣門彈簧顫振對比圖，可以看出控制彈簧余隙可以減小彈簧顫振。

圖9 不同彈簧余隙對應的氣門彈簧顫振振幅

2.3 安裝高度在剛度曲線中所處的位置對氣門彈簧顫振的影響

目前，發動機上大多采用兩級剛度彈簧和漸變剛度彈簧，對于漸變剛度彈簧，安裝高度處于剛度漸變開始即可，而對于兩級剛度彈簧則建議安裝高度處于一級到兩級剛度之間的某個位置。圖10為彈簧剛度曲線對比示意圖,圖11為安裝高度處于不同位置的彈簧顫振對比圖。從圖8可知，安裝高度在剛度曲線中所處位置的更改使得彈簧顫振現象得以明顯改善。

圖10 彈簧剛度曲線對比

圖11 不同彈簧剛度曲線對應的彈簧顫振振幅

2.4 氣門彈簧顫振對彈簧安全系數的影響

彈簧安全系數與彈簧顫振影響到彈簧安全系數，減小彈簧顫振有利于增加彈簧安全系數，從圖12中的彈簧安全系數與彈簧顫振的相互關系來看，彈簧安全系數幾乎和彈簧顫振成正比關系，因此改善彈簧顫振是提高彈簧安全系數的一個重要措施。

圖12 彈簧安全系數與彈簧顫振振幅的關系圖

2.5 凸輪型線豐滿系數對彈簧顫振的影響

通常認為彈簧顫振受自身結構以及設計參數影響較大，同時凸輪型線對彈簧顫振影響也很大。圖13為凸輪型線更改前后對應的加速度傅里葉變化對比圖，圖14為型線更改前后彈簧顫振的對比圖。

圖13 加速度傅里葉變化幅值

從圖13可以看出，優化型線傅里葉變化后的幅值較之前有所減小，主要表現在5.5階(轉速6 660 r/min)、7階(轉速5 237 r/min)、7.5階(轉速4 888 r/min)，9階(轉速4 073r/min)其對應的彈簧顫振變化也有不同程度的減小。因而優化凸輪型線，減小凸輪加速度傅里葉變化幅值有利于降低彈簧顫振。在滿足性能要求的前提下，適當調整凸輪升程是改善彈簧顫振的一個重要措施。

3 結語

本文結合試驗和仿真分析的對比情況，證實了氣門機構動力學仿真模型的正確性，指出了該模型的計算結果可以用于指導設計。為了進一步提升氣門機構動力學性能，避免在開發后期出現問題，本文對影響氣門機構動力學的關鍵因素進行了分析。具體總結如下：(1)仿真與試驗結果具有高度的一致性；(2)氣門升程緩沖段的設計直接影響了氣門落座的好壞，適當優化氣門升程緩沖段能夠有效降低氣門落座速度和氣門瞬間落座力；(3)彈簧顫振受自身結構以及設計參數影響較大，其中彈簧余隙和安裝高度處在剛度曲線中的位置是影響氣門彈簧顫振的重要因素；(4)彈簧顫振增加會影響彈簧安全系數；(5)在滿足性能要求的前提下，適當調整凸輪型線的設計可在一定程度上改善彈簧顫振。

圖14 不同型線對應的彈簧顫振