发动机配气机构系统的动力学建模及仿真分析罗卫平,陈曼华,姜小菁,王(金陵科技学院机电工程学院,江苏南京211169)摘要:针对发动机配气机构系统,在ADAM S/Engine软件中建立了其虚拟模型,在此基础上,对该机构进行了仿真分析,得到了气门的升程、速度、加速度和摇臂与挺柱的接触力等特性曲线,为配气机构动态性能的评价和优化提出了理论依据,从而为虚拟样机技术在新产品开发中的应用提供了有效方法。
关键词:配气机构;ADAM S/Engine;虚拟样机;多体动力学中图分类号:U463.33;TP391.9文献标识码:A文章编号:1672-1616(2012)01-0051-04配气机构的功用是根据发动机每一汽缸内进行的工作循环顺序,定时地开启和关闭各汽缸的进、排气门,以保证新鲜可燃混合气或空气得以及时进入汽缸,并把燃烧后生成的废气及时排出汽缸。
配气机构的传统开发方法往往是多方案的比较和试凑过程,这种基于物理样机的频繁的试验,会延长研发周期和增加开发成本。
虚拟样机技术就是在这种情况下产生的一种数字化的研发模式,即工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能的分析,然后改进样机设计方案,最后投入生产。
本文就是在这样的背景下,以多体动力学为理论基础,采用美国MDI公司开发的ADAM S软件。
对发动机配气机构进行建模与仿真,预测实际产品的特性,提供一个全面地研究产品工作性能的方法。
1多体系统动力学研究的理论基础随着多体动力学的发展,目前应用于多刚体系统动力学的方法主要有以下几种:牛顿-欧拉法、拉格朗日方法论、图论4法、凯恩法、变分法、旋量法等。
ADAMS用刚体i的质心迪卡儿坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标,即:q i=[x,y,z,W,H,<]T i,q=[q T1,,,q T n]T。
采用拉格朗日乘子法建立系统运动方程[1]:d d t 5T5q#T-5T5qT+f T q Q+g T q#L=Q(1)式中:T为系统动能;q为系统广义坐标列阵;Q 为广义力列阵;Q为对应于完整约束的拉氏乘子列阵,完整约束方程时,f(q,t)=0;L为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵,非完整约束方程时,g(q, q#,t)=0。
2配气机构的动力学建模配气机构是由凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧、挺柱、气门座等多个构件组成的机械系统,它是由凸轮的旋转带动驱动气门按预定的运动规律开启和关闭来实现配气的过程。
ADAM S/Engine提供了多种配气机构部件模型的模板,因此在建立配气机构的模型时只需在ADAMS/Engine软件中选取正确的模板,然后根据实际部件的特征,修改部件几何参数。
如果模型库中不包含要建立的几何部件类型,则可以根据需要建立新的模板,然后导入标准界面进行分析[2]。
本文利用ADAM S/Eng ine 模板建立了某柴油发动机顶置凸轮轴式配气机构的多刚体虚拟样机模型,如图1所示。
1)凸轮轴;2)摇臂;3)挺柱;4)气门弹簧;5)气门;6)气门座图1配气机构的虚拟样机模型收稿日期:2011-08-10作者简介:罗卫平(1973-),女,江苏南京人,金陵科技学院讲师,硕士,主要研究方向为虚拟技术和动力学仿真。
3 配气机构多体动力学仿真分析根据以上所建立的配气机构虚拟模型,对凸轮轴施加恒定转速,通过ADAM S/Engine 提供的试验台对配气机构进行动力学仿真计算[3],可得到气门升程、速度、加速度以及摇臂与挺柱之间接触力等运动和力学参数[4]。
3.1 气门的升程与速度由于所选的柴油机标定转速为1000r/min,因此选择500r/min 作为凸轮轴转速进行虚拟仿真,得到气门的运动学响应,如图2所示,气门的最大升程为4.762mm,上升段最大速度为398.8mm /s,下降段最大速度为-505.3m m/s 。
从图2中可以看出,气门升程与速度曲线光滑,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。
3.2 转速对配气机构动力学性能的影响当凸轮轴转速超过500r/min,达到某一转速时,配气机构将会出现气门反跳和构件飞脱等问题,导致配气机构的损坏,产生噪声。
因此,为了分析此配气机构动力特性所能满足的极限速度,本文将凸轮轴转速逐步提高,分别讨论凸轮轴转速为1000r/m in 、2000r/m in 、3000r/min 、4000r/min 和5000r/min 5种工况下气门的动态特性。
图2 气门的升程与速度曲线图3所示为不同转速下的气门的升程曲线,从中可以看出,当凸轮轴转速为1000r/min 、2000r/min 、3000r/m in 、4000r/min 时,升程曲线光滑且数值变化不大,说明气门开启平稳,配气机构工作正常。
然而当凸轮轴转速达到5000r/min 时,气门升程曲线在下降段开始脱离设计升程曲线,此时排气门发生反跳,说明气门在下降段中已不受凸轮约束。
图4所示为不同转速下的气门的速度曲线,在1000r/min 、2000r/min 、3000r/min 、4000r/min 凸轮轴转速下,配气机构工作正常,最大速度值分别为1010mm/s 、2002mm/s 、3026mm /s 、4171mm /s,但是当转速达到5000r/min 时,气门在落座时存在着较明显的振动现象。
图5所示为不同转速下的气门的加速度曲线,由于气门间隙的存在,在开启和落座阶段的加速度值非常大,但当转速为5000r/min 时,在气门落座时刻出现加速度峰值,对气门座造成了很大的冲击,必须避免。
3.3 摇臂与挺柱的接触力通过动力学虚拟仿真表明,摇臂与挺柱之间接触力是随凸轮轴转角而变化的。
当摇臂与挺柱压紧时,就有接触压力存在。
在正常工作中,接触压力应大于零,否则会在配气机构中产生脱开现象,图3 不同转速下气门的升程曲线图4不同转速下气门的速度曲线图5 不同转速下气门的加速度曲线即气门的运动脱离了凸轮的控制,处于瞬时失控状态,影响配气机构的运动规律[5]。
为了讨论凸轮轴转速对接触力的影响,分别将凸轮轴转速设为500r/m in 、1000r/min 、1500r/min 和2000r/min 4种工况,通过仿真得到如图6所示的摇臂与挺柱的接触力曲线图,从图中可以看出,当凸轮轴转速为500r/min 和1000r/m in 时,摇臂与挺柱之间没发生飞脱;当转速达到1500r/min 时,摇臂与挺柱的接触力出现了零值,说明此时有了轻微的飞脱;当转速达到2000r/min 时,摇臂与挺柱之间飞脱严图6 摇臂与挺柱的接触力曲线重,配气机构已不能正常工作。
通过以上分析可以看出,当凸轮轴转速在1500r/min 以内时,该配气机构运转良好,气门开启平稳,运行中不会出现气门落座反跳及飞脱现象,配气机构工作正常。
4 结束语本文以多体动力学为理论基础,建立了发动机配气机构的虚拟模型,进行了多体动力学计算,得到了相应的运动学及动力曲线,如气门的升程、速度、加速度和接触力曲线等,这些特性曲线不仅为机构进行性能评价提供了有力的参考,而且还为今后进一步的分析和预测奠定了基础。
由此可以看出,在发动机配气机构的开发中,应用ADAM S虚拟样机技术不仅可以提高产品设计质量,还可以大幅度缩短产品研制周期,降低开发成本。
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由图4(b)可知,图中的点分布在一定区域内且不重复,这表明偏心块1相对于偏心轴的运动是混沌的。
5结论通过对端面式混沌激振器的建模、仿真与识别可得出以下结论:a.端面式混沌激振器在结构上与传统的混沌激振器不同,易于加工、调整与装配。
b.数值仿真中,其相轨线在一定区域内折叠、缠绕且不重复;其Poincare图中点分布在一定区域内且不重复,这说明偏心块1相对于偏心轴的运动是混沌的。
c.端面式混沌激振器产生的运动具有混沌性。
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