機車柴油機配氣機構仿真設計研究

李浩生

【摘 要】16V240ZJ型柴油機的原型進行了柴油機配氣機構的仿真設計，在掌握配氣機構的構造和工作原理后，對配氣機構零件的尺寸進行了設計。通過Solidworks Motion對配氣機構添加驅動和約束后進行了運動仿真分析，驗證了仿真模型的合理性。最后進行了凸輪軸與氣門彈簧的強度校核，為柴油機配氣機構運動學特性進一步分析提供了基礎，還可以為整個機構的優化設計提供參考，從而提高柴油機配氣機構工作的可靠性和經濟性。

【關鍵詞】列車;配氣機構;Solidworks;仿真

前言

柴油機是一種非常重要的為各種機器提供動力的裝置，而配氣機構是柴油機最重要的呼吸系統。配氣機構作為柴油機換氣機構的控制部分，它的好壞很大程度上影響了一個柴油機的優劣。所以要拯救一臺柴油機，對配氣機構的優化是一種重要的途徑。下面我將簡單介紹幾種典型的優化形式。

2008年曹曉軼、彭健教授建立了多氣門的配氣系統，并且利用C++進行參數化及二次開發，研究了配氣機構的氣門仿真，得到了氣門工作時的性能參數。2009年張學文，申立中教授，采用DOE軟件建立了柴油機配氣機構模型，通過控制變量法，分別研究了在速度相同，轉矩相同和功率相同時由于配氣相位不同而柴油機表現出來的特性，分析了發火順序對柴油機的影響，主要分析了配氣相位對燃油消耗的關系，得到了配氣相位的優化可以大大改善柴油機的工況。2011年郭建，蘇鐵熊教授研究了可變配氣機構的有凸輪和無凸輪情況，比較了它們各自的特點，得到了無凸輪機構能夠更加有效的控制配氣機構的運行。2012年趙冬青、蘇鐵熊教授采用matlab建立了柴油機配氣機構模型，采用數值模擬的方法，研究了頂置凸輪軸技術對配氣機構的影響。2016年劉雪洪教授建立了柴油機配氣機構的三維模型，研究了可變配氣技術對配氣機構的影響，實現了根據配氣機構的需要來確定凸輪軸的輪廓曲線。本論文以機車柴油機配氣機構為研究對象，對此進行運動學和動力學分析及零部件強度可靠分析。

1.配氣機構的零部件建模

1.1配氣機構的構成及工作原理

配氣機構它的主要部件包括凸輪、氣門推桿、氣門搖臂、氣門彈簧、氣門。配氣機構是柴油機換氣機構的控制部分，它的作用是根據柴油機氣缸的做功順序和配氣相位，定時的開啟進、排氣門，并且與排氣系統配合，保證柴油機各氣缸盡可能多的排出廢氣和吸進更多新鮮空氣。

1.2配氣機構各零件的建模

1.氣門。氣門的建模過程：建草圖→旋轉凸臺→拉伸凸臺→拉伸切除→完成。

2.彈簧擋圈。彈簧擋圈建模過程：建草圖→兩次凸臺拉伸→倒角→切除拉伸。

3.凸輪軸。先在草圖上繪制軸的二維圖形，通過拉伸命令得到軸。再在草圖上繪制凸輪的二維圖形，通過拉伸命令得到凸輪。然后將軸和凸輪零件進行裝配。

4.氣門彈簧。氣門彈簧的建模過程：新建草圖→三條直線段→簧條圓→三次掃描→切除→完成。

5.推桿。通過凸臺拉伸命令得到推桿。

6.導塊。建模過程：新建草圖→拉伸凸臺→拉伸切除→圓角→鏡像→完成。

7.搖臂。建模過程：新建草圖→凸臺拉伸→凸臺拉伸→拉伸切除→凸臺拉伸→拉伸切除→圓角→完成。

8.氣門橫臂。建模過程：新建草圖→拉伸凸臺→拉伸切除1→拉伸切除2→鏡像→拉伸凸臺→完成。

2.配氣機構CAE分析

2.1配氣機構動力學仿真模型建立

2.2仿真結果分析

1.凸輪軸的強度分析

在SolidWorks Simulation中對凸輪軸進行有限元強度分析。本文中凸輪軸選用的質為合金鋼，將凸輪軸內孔壁固定，將約束設置為彈性支撐，在凸輪面上畫一個應力斑，在應力斑處加一個數值為2000N且方向垂直向下的力，進行有限元分析。如圖2所示。

配氣機構凸輪軸材料是合金鋼，采用高頻淬火熱處理和滾壓工藝，它的屈服極限是620.4MPa由分析結果得出，凸輪軸最大應力為20.95MPa<<620.4MPa。可見，該凸輪軸滿足設計要求，凸輪軸結構強度滿足設計要求。

2.排氣門的位移

通過Solidworks Motion運動仿真分析得到的排氣門的位移隨凸輪轉動的變化曲線如圖3，排氣門的位移曲線光滑，說明排氣門運行平穩，沒有發生脫離。

3.排氣門的加速度

可以看出，在凸輪軸開始轉動后，氣門在開啟的一剎那有突然的振動，而且振動較大，這是不可避免的，不過在氣門開啟后，振動就會減小。

4.凸輪軸與挺柱間的接觸力

通過Solidworks Motion運動仿真得到的凸輪軸與挺柱之間接觸力隨凸輪轉動的變化可以看出凸輪軸與挺柱之間的接觸力是跟著時間不斷變化的，而且分析配氣機構如果運行平穩的話，接觸力應始終為壓力，即數值不發生變號。反作用力始終為正值，說明接觸力一直是壓力。仿真結果表明該配氣機構運行穩定。

3.結論

1、利用Solidworks軟件為工具，完成柴油機配氣機構零部件三維實體建模和裝配模型，對配氣機構部分零部件進行了強度可靠性分析，所得結果可以用于柴油機配氣機構運動學特性分析，還可以為整個機構的優化設計提供基礎，從而提高柴油機配氣機構工作的可靠性，經濟性。

2、確定了柴油機配氣機構的運動規律及運動中的受力情況，對柴油機配氣機構進行了仿真分析。仿真機構的仿真結果在總體變化趨勢和實際工作情況比較一致，對工作時的假設基本合理，滿足設計任務，可以為工業提供參考。

3、通過Solidworks Motion運動仿真，采用額定的凸輪軸轉速而對各個零件的一些參數分別進行測量，得到了不同的變化曲線，在進行比較后，得到的氣門運動規律和零部件之間的接觸力中可以看出該配氣機構的動力學性能良好。

參考文獻：

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（作者單位：蘭州交通大學機電工程學院）