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计算结果与实验结果吻合较好, 应力应变数值同时 快速减小, 而且具体结果数值差别较小。
度小于许用落座速度, 且气门落座速度也无跳动, 说 明了气门不存在反跳; 进排气门负加速度区间大, 动 力性能良好; 凸轮和摇臂之间的接触力 且接触应力最大值小于许用接触应力等结论。
( 1. 重庆科技学院 机械学院 , 重庆 400042; 2. 重庆大学 机械传动国家重点实验室, 重庆 400030)
摘 要: 内燃机配气机构直接影响着内燃机的性能和可靠性。论文对顶置四气门配气机构工
作过程进行了分析, 采用理论计算和实验方法确定了配气机构动力学模型的主要参数, 利用 AVL /
配气机构是内燃机的重要组成部分, 其设计优 良与否直接影响内燃机的性能指标。这些指标不仅 包括动力性、经济性, 也包括运转性能如内燃机的振 动、噪声、排放指标和可靠性等, 因而开展配气机构 系统动力学研究具有重要意义。
配气凸轮机构一直是内燃机研究的重要组成部 分, 研究内容已从最初单纯的凸轮经验设计, 拓展到 整个配气机构的运动学与动力学的综合研究。国外 自 20世纪初就有许多学者开始进行这方面的深入
气门加速度是 配气机构 动力学特 性的重要 指 标, 在凸轮型线设计中, 常将其正向加速度峰值和反 向加速度峰值作为约束条件, 控制凸轮接触应力以 及防止机构中产生气门飞脱。由进排气门的加速度 图可以看出, 进 气门加速度最 大值为 722. 2 r/ rad2, 在限制范围 1 000 r/ rad2 内, 气门运动平稳, 过度平 顺, 无大的突变; 负加速度区间较大, 在该特征速度 下动力学性能良好。
6 250 r/m in, 经过仿真分析得到配气机构气门运动 及动力学响应, 如图 1- 3所示 [ 5] 。
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图 1 进气门加 速度
由图 1- 2可知, 气门升程和速度曲线光滑, 配 气机构运行平稳, 未出现不连续的情况, 说明没有飞 脱现象发生。一般对于合金钢材料的气门座圈, 其 落座速度应小于 0. 6 m / s; 对于铸铁及粉末冶金材料 的气门座圈, 其落座速度应小于 0. 3 m / s, 由气门速 度曲线可以得到最大气门落座速度为 0. 202 m / s, 小 于许用落座速度, 气门升程曲线连续且在闭合处无 波动, 气门落座速度也无跳动, 表明气门不存在反跳 现象。
进气 - 94 - 65 0. 35 0. 015 0. 35 - 0. 015 0. 3
排气 - 96 - 69 0. 35 0. 015 0. 35 - 0. 015 0. 3
主要模块 凸轮单元 机械单元 (弹簧 /阻尼 /质量 ) 气门弹簧 凸轮与从动件之间的油膜
摇臂 轴段单元 支撑和轴承单元
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张晓蓉, 等: 内燃机配气机构系统动力学分析
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学分析模型, 对其动态特性进行了数值仿真和实验
在建立配气机构系统动力学分析模型时, 首先
研究。
要确定配气机构系统的特征参数。其特征参数有:
1 配气机构动力学建模
系统及各构件的刚度、阻尼系数、气门与气门座的冲 击力、凸轮与摇臂接触应力、气门杆端与气门间隙调
收稿日期: 2007- 11- 27 基金项目: 新世纪优秀人才计划资助项目 ( N CET- 05- 0766) 作者简介: 张晓蓉 ( 1965-), 女, 重庆科技学院讲师, 硕士, 主要从事机械设计及理论研究。朱才朝 (联系人 ), 男, 重庆大学
教授, 博士生导师, ( E-m a il) zcc92@ sohu. com。
表 2 TYCON 建模主要模块 功能描述
输入输出凸轮型线 计算两相邻单元间飞脱 计算两单元接触时的冲击力
凸轮表面接触应力及油膜厚度 摇臂和指形从动件
用多节轴单元代表实际轴 径向轴承、支撑轴承
图标
2 配气机构动态特性仿真
对于该款大排量高转速的发动机, 需要保证其
在特定转速下的动力性能。当曲轴转速为额定转速
第 31卷第 3期 2008年 3月
重庆大学学报 Journal of Chongqing U niversity
文章编号: 1000- 582X ( 2008) 03- 0294- 05
Vo .l 31 No. 3 M ar. 2008
内燃机配气机构系统动力学分析
张晓蓉 1, 2, 朱才朝 2, 吴佳芸 2
配气机构在实际运动过程中, 运动从凸轮开始, 经过一长串传动链才传到气门。由于传动链本身具 有一定的质量和弹性, 工作时产生的弹性变形会使 位于传动链末端气门处的运动产生很大畸变, 即气 门的升程、速度、加速度曲线 / 失真 0。气门的运 动 有时滞后于挺柱, 有时又超越于 挺柱, 使传动链 脱 节, 气门开闭不正常、反跳, 整个机构振动和噪声加 大, 甚至机构的正常工作遭到破坏。随着发动机转 速的提高, 这种因传动链变形而产生的不利影响尤 为明显, 因此有必要对内燃机配气机构进行动力学 计算, 以便对配气机构的动力性能进行评价, 为配气 机构的设计提供一种评价的理论依据 [ 4-5] 。
TYCON分析软件建立了顶置配气机构凸轮轴 ) 摇臂 ) 气门系统的一维动力学分析模型, 并对其动
态特性进行了数值仿真, 验证了动力学模型及分析结果的正确性, 为配气机构动态性能的评价和优
化提出了理论依据。
关键词: 内燃机; 配气机构; 动力学
中图分类号: TH 132. 47
文献标志码: A
System Dynam ic Analysis of Engine Valve- train
表 1 部分设计参数及 计算参数
项目 摇臂在气门处的当量质量 /g
气门头质量 /g 气门杆当量质量 /g 摇臂刚度 (支臂 1) /( N# mm - 1 ) 摇臂刚度 (支臂 2) /( N# mm - 1 ) 摇臂轴刚度 /( N# mm- 1 ) 设定轴承刚度 /( N # mm- 1 )
进气
排气
44. 8
50. 0
25. 66
21. 32
21. 34
20. 48
1 347 000 1 347 000
819 000 819 000
2 613 000 971 000
190 000 190 000
项目 基圆包角 /( b ) 侧包角 / ( b) 侧面开起高度 /mm 侧面开起速度 / ( mm# ( b) - 1 ) 侧面闭合高度 /mm 侧面闭合速度 / ( mm# ( b) - 1 ) 额定气门落座速度 /( m# s- 1 )
ZHANG X ia o-ro ng 1, 2, ZHU C a i-cha o 2, W U J ia -yun2
( 1. C ollege o fM echan ical Eng ineering, Chongqing U niversity o f Science and T echno logy, Chongqing 400042, P. R. China;
节螺栓的赫兹应力等。这里以一款单缸四气门顶置 配气机构为例, 通过理论计算和实验测试相结合, 得 到其部分特征参数见表 1[ 6] 。
AVL /TYCON 是奥地利 AVL 公司用于配气机构 系统运动学、凸轮型线的设计和动力学分析的软件。 AVL /TYCON 提供了配气机构运动学、动力学计算 及配气凸轮型 线改进设计模块。这里利用 TYCON 软件建立该配气机构的凸轮轴 ) 摇臂 ) 气门系统动 力学分析模型, 凸轮轴离散为一系列静定短轴由轴 承刚度部件支撑, 模型中涉及的主要模块及含义如 表 2所示 [ 5] 。
图 7 曲轴转速 6 250 r /m in时气门杆杆身动态应变
4结 论
配气机构控制内燃机进排气过程, 直接影响着 内燃机的性能和可靠性。随着对发动机性能的要求 不断提高, 研究发动机配气机构动力学特性具有十 分重要的意义。文中对顶置四气门配气机构工作过 程进行了分析, 通过理论计算和实验方法确定了配 气机构动力学模 型的主要参 数, 利 用 AVL /TYCON 分析软件建立了顶置配气机构凸轮轴 ) 摇臂 ) 气门 系统动力学分析模型, 对其动态特性进行了数值仿 真和评价, 实验验证了动力学模型及分析结果的正 确性。研究结果表明: 该内燃机配气机构气门升程 曲线连续光滑, 配气机构运行平稳; 最大气门落座速
图 2 排气门加速度响应曲线 图 3 气门力响应曲线
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图 3- 4是气门落座力和凸轮摇臂接触力变化 曲线。从图中可以看出气门落座力小于弹簧预紧力 的 6倍, 气门落座力的范围为 ( - 300~ 300 N) , 强度 中等且小于 6倍弹簧预紧力。凸轮和摇臂之间的接 触力、接触应力连续, 说明凸轮与摇臂工作接触过程 中无脱离现象。凸轮与摇臂材料分别为冷激铸铁和 钢, 其允许最大接触应力为 1 100 N /mm2, 而实际凸 轮与摇臂的接触应力最大值为 650 N /mm2, 在允许 最大接触应力范围内。
研究; 相比而言, 国内则起 步较迟, 20 世纪 70年 代 起才开始全面研究凸轮设计与动力学分析, 研究的 重点放 在 凸 轮 型 线 设 计、多 质 量 动 力 学 研 究 方 面 [ 1-3 ] 。目前, 国际上已有各种配气凸轮设计软件, 国内也出现了一些类似的软件, 这些软件在速度与 计算精度上都有所提高。文中以顶置四气门配气机 构为例, 通过理论计算和利用实验方法确定了配气 机构动力学模型的主要参数, 利用 TYCON 分析软件 建立了该配气机构的凸轮轴 ) 摇臂 ) 气门系统动力
图 6是摇臂凸轮接触应力分布图, 图 7 是气门 杆杆身动态应变变化曲线, 从试验和计算的动态应 力应变曲线来看, 计算结果和试验结果的曲线形状 基本一致。凸轮轴在转动过程中, 当摇臂与气门之