楊 曉，郭 濤

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

配氣機(jī)構(gòu)作為內(nèi)燃機(jī)三大機(jī)構(gòu)之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程，根據(jù)氣缸的工作次序，定時(shí)地開啟和關(guān)閉進(jìn)排氣門，以保證氣缸吸入新鮮空氣和排出燃燒廢氣?，F(xiàn)今對于發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一方面希望氣門加速度越大，以使氣門迅速開關(guān)，從而達(dá)到最好的換氣效果，以提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；另一方面，希望載荷保持相對較小，以減小加速度，從而減小振動(dòng)和噪音，并延長使用壽命。這樣的矛盾要求，給配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來困難，因此需要精心設(shè)計(jì)進(jìn)排氣門的升程曲線，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)開發(fā)方法，往往是多方案的比較和試湊過程，在無物理樣機(jī)的初始開發(fā)階段，不但難以滿足這樣復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求，而且反復(fù)進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，會延長研發(fā)周期和增加開發(fā)成本，同時(shí)對進(jìn)行頻繁的試驗(yàn)，也是不現(xiàn)實(shí)的。而通常配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，僅是把機(jī)構(gòu)當(dāng)作一個(gè)彈性振動(dòng)系統(tǒng)，模型可以是單質(zhì)量模型或多質(zhì)量模型，雖然大體上能滿足描述氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求，但是這種方法可視化較差，無法直觀地反映出各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)情況，并且某些機(jī)構(gòu)的剛度和阻尼參數(shù)，必須通過實(shí)測或分析計(jì)算才能得到，質(zhì)量也需要經(jīng)過折算，這不僅增加了建模的難度，而且也影響分析的精度，其應(yīng)用范圍受到限制。為此，人們相繼把多體動(dòng)力學(xué)和虛擬樣機(jī)技術(shù)，應(yīng)用到配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析中。

本文就是在這樣的背景下，以多體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，應(yīng)用ADAMS軟件，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的建模與仿真，從而得到整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)特性。利用該種方法建立的配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型，不但能很好地描述配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，而且具有極佳的可視化效果，為提高今后產(chǎn)品自主開發(fā)能力起到積極的作用。

1 配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)方程

以多體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程為理論基礎(chǔ)，建立配氣系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。對于機(jī)構(gòu)中的剛體i，采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡兒坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角或廣義歐拉角作為廣義坐標(biāo)，即

接著建立這個(gè)系統(tǒng)的約束方程和作用力方程，并將它們也都寫成廣義坐標(biāo)的表達(dá)式，最后應(yīng)用拉格朗日乘子法，建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，如下所示。

完整約束方程φ(q，t)=0

非完整約束方程 θ(q，q，t)=0

T——系統(tǒng)動(dòng)能；

q——系統(tǒng)廣義坐標(biāo)列陣；

Q——廣義力列陣；

ρ——對應(yīng)于完整約束的拉氏乘子列陣；

μ——對應(yīng)于非完整約束的拉氏乘子列陣。

在動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)實(shí)際情況建立后，運(yùn)用集成在軟件中的求解器，對動(dòng)力學(xué)微分方程進(jìn)行求解，從而得到動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。

2 多體動(dòng)力學(xué)模型建立

對于配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，可以從多個(gè)角度進(jìn)行分類。如按氣門的布置形式，凸輪軸的布置位置和曲軸與凸輪軸的傳動(dòng)方式等。

從結(jié)構(gòu)布置的方式來看，文中所研究的配氣機(jī)構(gòu)采用氣門頂置，凸輪軸頂置，凸輪直接驅(qū)動(dòng)挺柱，主要有凸輪軸，挺柱，氣門彈簧，氣門，氣門座等組成。在ADAMS/ENGINE軟件中選用正確的模板即可，多體動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

為讓蔬果在自然環(huán)境下得到充分生長，肖健時(shí)刻觀察著各類蔬果的物候期。有些在雨季來臨前種，有些種在凹地，有些種在壟上。何時(shí)施肥、如何澆灌、是否該進(jìn)行松土……肖健常為蔬果“把脈”。

圖1 配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)模型

3 配氣機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果及分析

3.1 排氣門運(yùn)動(dòng)

圖2到圖4為排氣門升程、速度、加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。氣門升程和速度曲線光滑，說明配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，沒有發(fā)生飛脫現(xiàn)象。氣門加速度是配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)性的重要參數(shù)，氣門加速度變化率最大值即Jerk值最大為0.01mm/deg3沒有超出限值范圍，配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)。

圖2 排氣門升程曲線

圖3 排氣門速度曲線

圖4 排氣門加速度曲線

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對氣門速度的影響

仿真分析選擇怠速（750 r/min），標(biāo)定轉(zhuǎn)速（6000 r/min），極限轉(zhuǎn)速（7000 r/min）共3種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下排氣門的速度。

從圖5中可以看出，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，氣門在開啟和落座一瞬間均存在振動(dòng)，只是在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)振動(dòng)幅值較小，而高轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)幅值較大。

配氣機(jī)構(gòu)在工作中，氣門往復(fù)地不斷沖擊氣門座圈，而且在工作中一般無潤滑條件，因此氣門與氣門座圈之間的摩擦磨損，是其主要失效方式之一。在設(shè)計(jì)中，除了要對氣門與氣門座圈的材料進(jìn)行良好選擇匹配外，同時(shí)還須控制氣門相對于氣門座圈的沖擊速度。對于鑄鐵及粉末冶金材料的氣門座圈，其落座速度應(yīng)小于400mm/s。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下排氣門速度曲線

通過仿真不同轉(zhuǎn)速下氣門動(dòng)力學(xué)特性，不僅可以得到3個(gè)不同轉(zhuǎn)速工況下，氣門落座時(shí)的速度，還可以看出，配氣機(jī)構(gòu)氣門落座速度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，極限轉(zhuǎn)速7000 r/min時(shí)最大速度為290mm/s，小于許用落座速度，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 凸輪與挺柱間的接觸力和接觸應(yīng)力

通過動(dòng)力學(xué)仿真得到的凸輪與挺柱之間接觸力與接觸應(yīng)力隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化，見圖6和圖7。凸輪與挺柱之間的接觸力，是隨時(shí)間不斷變化的，如果機(jī)構(gòu)不發(fā)生飛脫、反跳等分離現(xiàn)象，該作用力應(yīng)始終為壓力，即數(shù)值不發(fā)生變號。從圖中可以看出，接觸力始終為壓力，說明該配氣機(jī)構(gòu)沒有飛脫和反跳發(fā)生。從圖7可以看出，凸輪與挺柱之間最大接觸應(yīng)力，為417MPa，小于目標(biāo)值 700MPa。

圖6 凸輪與挺柱之間的接觸力

圖7 凸輪與挺柱之間的接觸應(yīng)力

3.4 氣門與氣門座的作用力

圖8為氣門與氣門座之間的作用力隨凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的變化情況，氣門靜止過程中，缸內(nèi)氣體對氣門的壓力產(chǎn)生氣門對氣門座的作用力，在氣門回落時(shí)，氣門由運(yùn)動(dòng)到靜止，與氣門座產(chǎn)生撞擊，產(chǎn)生一個(gè)峰值作用力，但由于氣門落座速度很小，所以撞擊力很小。

圖8 排氣門落座力

4 結(jié)束語

文章以多體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到相應(yīng)各運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及各運(yùn)動(dòng)件之間的相互作用力和碰撞力的變化規(guī)律，并得到如下結(jié)論：

（1）從動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果可以看到，該配氣機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，沒有飛脫和反跳等現(xiàn)象發(fā)生，說明該凸輪型線的設(shè)計(jì)，有效防止了系統(tǒng)由于運(yùn)動(dòng)件的飛脫和反跳帶來不良后果。

（2）由分析結(jié)果可以看到，該虛擬樣機(jī)能夠正確反映發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)特性，說明應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)仿真分析的可行性。

（3）在無實(shí)際的物理樣機(jī)的條件下，虛擬樣機(jī)仿真可提供大量的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)果，這些結(jié)果可用于分析機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，也為今后做進(jìn)一步的分析和預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

（4）在發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)中，虛擬樣機(jī)技術(shù)不但能提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，還可以降低開發(fā)成本。

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