基于CAD/CAE集成的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)數(shù)值研究

朱文波，蔣軼謙,程 艷

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

在提升汽車研發(fā)能力的眾多因素中，以CAD/CAE為核心的數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，可以說(shuō)是其中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，被認(rèn)為是繼福特流水線、豐田精益生產(chǎn)方式之后，汽車工業(yè)具有革命意義的重大技術(shù)進(jìn)步。

以CAD/CAE集成技術(shù)為核心的仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，使得汽車制造中新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大為縮短，同時(shí)也使得以往時(shí)間中的一些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，可以以量化的形式出現(xiàn)，使得產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率更高[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)是整車研究技術(shù)中含量最高、最核心的技術(shù)，而配氣機(jī)構(gòu)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其性能的好壞，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲與振動(dòng)產(chǎn)生直接影響[2]。因此，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的CAD/CAE集成的研究和應(yīng)用非常重要。本文將通過(guò)一種四缸發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，來(lái)說(shuō)明CAD/CAE集成的數(shù)值研究。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析流程

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，包括配氣機(jī)構(gòu)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程的優(yōu)化、凸輪軸強(qiáng)度校核、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和振動(dòng)的分析、配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化。具體流程如圖1所示。

先在根據(jù)相關(guān)參數(shù)在Pro/E中進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的總成設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)，然后對(duì)設(shè)計(jì)的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析，得到配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，并根據(jù)分析結(jié)果，決定是否進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣性能、凸輪軸強(qiáng)度校核、疲勞分析、噪聲振動(dòng)分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，最好將優(yōu)化的結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)中，完成配氣機(jī)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)。

圖1 配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析流程

2 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括總成設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)。總成設(shè)計(jì)根據(jù)總體輸入?yún)?shù)確定配氣機(jī)構(gòu)基本布置結(jié)構(gòu)，如氣門驅(qū)動(dòng)形式（直接驅(qū)動(dòng)和搖臂驅(qū)動(dòng)式等）、氣門間隙的調(diào)整方式等。并根據(jù)相關(guān)理論和計(jì)算公式，得到氣門直徑、氣門升程、氣門錐角、馬赫指數(shù)、氣門彈簧特性及基本尺寸、凸輪軸直徑、凸輪軸承直徑等參數(shù)。在基本參數(shù)確定后，就在Pro/E中進(jìn)行參數(shù)化建模，參數(shù)化骨架和模型如圖2和圖3所示。

圖2 配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)化Pro/E骨架模型

圖3 配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)化Pro/E模型

圖4 配氣機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)流程

3 配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析

要保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好工作性能，配氣機(jī)構(gòu)就要滿足相應(yīng)的要求。通常從以下幾個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)配氣機(jī)構(gòu)的性能[3]。

（1）準(zhǔn)確的配氣正時(shí)；

（2）良好的換氣性能；

（3）工作平穩(wěn)，振動(dòng)和噪聲較小；

（4）最大接觸應(yīng)力不應(yīng)過(guò)大；

（5）凸輪應(yīng)有良好的潤(rùn)滑特性；

（6）氣門與活塞不能發(fā)生干涉。

要滿足以上要求，應(yīng)該對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。應(yīng)用AVL-Timing Drive軟件可以對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化。

鑒于中外人文社會(huì)背景存在差異，為避免研究結(jié)果交叉融合，本研究只納入國(guó)內(nèi)實(shí)習(xí)護(hù)生在臨床實(shí)習(xí)期間的認(rèn)知、體驗(yàn)、期望或需求相關(guān)研究文獻(xiàn)，國(guó)外實(shí)習(xí)護(hù)生真實(shí)體驗(yàn)未予以研究。且本次納入的質(zhì)性研究均未考慮研究者對(duì)研究的潛在影響，有待日后進(jìn)一步改進(jìn)。

該四缸發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型如圖5所示。

圖5 配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型

配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析流程如圖6所示。

圖6 配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析流程

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果，我們可以決定是否優(yōu)化，并且如何優(yōu)化配氣機(jī)構(gòu)。

4 凸輪軸強(qiáng)度校核及疲勞分析

作為配氣機(jī)構(gòu)中質(zhì)量最大、功能最重要的零件，凸輪軸應(yīng)具有足夠高的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)在輕量化設(shè)計(jì)的要求下，也應(yīng)該使其質(zhì)量保持在一個(gè)較低的水平。為了同時(shí)滿足這兩個(gè)相互矛盾的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)凸輪軸進(jìn)行有限元分析[4]。

此外，對(duì)承受周期性動(dòng)態(tài)載荷的凸輪軸來(lái)說(shuō)，疲勞破壞是最為重要的破壞形式之一，需引起足夠的重視[5]。

在有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行凸輪軸網(wǎng)格劃分，賦予相應(yīng)的材料屬性，并將配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析得到的凸輪軸的載荷邊界條件，如軸承對(duì)凸輪軸的力及搖臂（或挺柱）對(duì)凸輪的反力等施加在凸輪軸中，就可以計(jì)算得到凸輪軸的應(yīng)力分布情況，如圖7所示。

圖7 凸輪軸在某工況下的應(yīng)力分布圖

疲勞分析通常分為兩類：

一類是疲勞安全因子計(jì)算，用來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生疲勞破壞，疲勞安全因子為1則表示應(yīng)力振幅大約是疲勞極限；

在獲得凸輪軸瞬態(tài)應(yīng)力數(shù)據(jù)后，便可采用基于有限元方法的疲勞分析軟件FEMFAT，對(duì)結(jié)果進(jìn)行疲勞預(yù)測(cè)。圖8為凸輪軸的疲勞安全因子分布。

圖8 凸輪軸的疲勞安全因子分布

5 發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程優(yōu)化

設(shè)計(jì)合理的配氣機(jī)構(gòu)，應(yīng)具有良好的換氣性能，進(jìn)氣充分，排氣徹底，即具有較大的時(shí)面值，泵氣損失小，配氣正時(shí)恰當(dāng)[6]。換氣性能的好壞及優(yōu)化，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算軟件GT-POWER中進(jìn)行，先建立發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)GT-POWER模型。

將配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析中得到的氣門升程曲線，輸入到GT-POWER模型中的氣門模塊，在模型中通過(guò)優(yōu)化氣門升程、配氣相位、氣門間隙等，使發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的換氣性能。

通過(guò)GT-POWER模擬計(jì)算，可以得到優(yōu)化前后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、功率等性能，也可以得到優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率、泵氣損失、氣道空氣流量等，通過(guò)GT-POWER計(jì)算得到的優(yōu)化氣門升程曲線前后發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率對(duì)比曲線如圖9所示。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率對(duì)比曲線

6 配氣機(jī)構(gòu)的噪聲分析

內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)噪聲，可分為氣門桿與搖臂的撞擊噪聲、氣門落座噪聲、鏈條噪聲以及摩擦振動(dòng)噪聲（軸承）等[7]。AVL-EXCITE、ANSYS和 SYSNOISE軟件，將用于配氣機(jī)構(gòu)的噪聲與振動(dòng)分析。先在AVL-EXCITE中建立發(fā)動(dòng)機(jī)多體動(dòng)力學(xué)分析模型（如圖10所示）。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)EXCITE多體動(dòng)力學(xué)模型

將配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析得到的凸輪軸支承力、氣門彈簧力、氣門落座力等邊界條件輸入到EXCITE中，根據(jù)此模型進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析后可以得到各個(gè)體之間的相互作用力，將相互作用力作為響應(yīng)分析的力邊界條件，并結(jié)合ANSYS有限元分析，得到發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)分析得到主自由度點(diǎn)的位移邊界，然后再回到有限元程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，得到有限元模型全部節(jié)點(diǎn)在頻域上的位移、速度、加速度分布，作為下一步輻射生場(chǎng)分析的輸入邊界。

利用NOISE的邊界元計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射聲場(chǎng)，同時(shí)提取缸蓋罩的連接螺栓處主自由度的位移信息，作為缸蓋罩精細(xì)模型的激勵(lì)，再進(jìn)行有限元和邊界元的聯(lián)合求解，得到缸蓋罩模型的輻射噪聲情況。缸蓋罩的計(jì)算聲強(qiáng)分布如圖11所示。可以根據(jù)計(jì)算得到的缸蓋罩聲強(qiáng)分布情況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩及配氣機(jī)構(gòu)的相關(guān)部件進(jìn)行優(yōu)化。

圖11 缸蓋罩計(jì)算聲強(qiáng)分布

7 配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果的綜合分析

根據(jù)以上各部分對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的分析和優(yōu)化結(jié)果，并綜合考慮各方面的要求和側(cè)重點(diǎn)，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行綜合分析，最終確定配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化方案，并將其反饋到配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化和修改。

8 結(jié)束語(yǔ)

探討了一種基于CAD/CAE集成開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)數(shù)值研究的思路和流程；對(duì)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析、發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過(guò)程優(yōu)化、凸輪軸有限元分析、噪聲振動(dòng)分析進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明；可以為配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化提供參考和借鑒。

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