雙凸輪軸頂置四氣門配氣機構的建模及運動仿真

摘 要:本文利用CATIA軟件對484汽油機雙凸輪軸頂置四氣門配氣機構的主要零部件進行了三維實體建模，然后利用其插件SIMDesigner建立了該配氣機構的虛擬樣機，對其運動特性進行仿真，并對仿真結果加以分析。

關鍵詞:配氣機構 運動仿真 現代設計方法

中圖分類號:V46文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(a)-0021-02

配氣機構作為內燃機的重要組成部分，其作用是:按照各缸的工作順序和工作循環的要求，實現換氣過程;當進、排氣門關閉時，保證氣缸的密封。因此，發動機的性能是否優越，工作是否可靠，噪聲和振動水平能否控制在較低的限度，與配氣機構設計的是否合理密切相關。設計合理的配氣機構應保證進氣充分，排氣徹底，即進、排氣門具有較大的時面值，工程上常采用的方法是增加進、排氣門數目，由一進、一排變成兩進、兩排;與此同時，配氣機構還應有良好的工作性能，配氣正時恰當，運動平穩，振動和噪音小，不發生強烈的沖擊磨損等現象，這就需要對配氣機構的運動進行仿真，以便驗證進、排氣門速度和加速度的變化規律是否符合設計要求。鑒于上述原因，本論文以484汽油機雙凸輪軸頂置4氣門配氣機構為例，利用現代設計方法，對其進行設計、建模和運動仿真。

1 配氣機構的建模

484汽油機的基本技術參數如表1所示，根據參考文獻[4～5]中的設計原則、要求和方法設計該配氣機構零部件的具體尺寸，利用CATIA軟件繪制進排氣凸輪、進排氣凸輪軸、進排氣門等主要零部件的三維實體模型(分別如圖1、2、3、4、5、6所示)，并進行裝配，然后，利用SimDesigner插件，在配氣機構各零部件之間添加約束，進排氣凸輪軸之間采用偏移約束，同一缸排氣凸輪的頂點相對于進氣凸輪的頂點沿凸輪旋轉方向超前的角度105°。凸輪與挺柱之間采用接觸、偏移約束，挺柱與氣門之間采用相合、偏移約束，完成配氣機構的虛擬樣機，如圖7所示。

2 配氣機構的運動仿真及分析

利用SimDesigner插件對配氣機構的模型進行后處理，得到發動機以額定轉速5500r/min運轉，即凸輪軸的轉速為2750r/min(凸輪軸轉動一周大約需要0.02s)時氣門的位移、速度、加速度曲線的仿真結果(以一缸進氣門的仿真結果為例)，如圖8所示。從圖中可以看出:氣門的升程先增大，后減小。在0.01秒左右達到最大值。在氣門開啟時，其加速度在瞬間達到最大值;在速度的絕對值達到最大時，其加速度的方向發生突變;在氣門的速度為0時，其升程達到最大，加速度為正向最大;在氣門落座的瞬間，其加速度突變為0。因此，在該配氣機構工作的一個周期內，氣門的加速度發生了四次突變。

凸輪軸轉動一個周的時間是0.02s，在一個周期內，每缸的進、排氣門均要開啟和關閉一次，即它們之間的間隔是1/4個周期。以一個周期內各缸進氣門運動的位移曲線為例(如圖9所示)進行說明。從圖中可以看出:各缸進氣門升程的周期是0.005s，即1/4周期，進一步驗證了配氣機構運動特性的正確性。

3 結論

本論文對雙凸輪軸頂置四氣門配氣機構進行了設計、三維實體建模和運動仿真，得出以下結論:該配氣機構運動特性的仿真結果基本正確;但在該配氣機構工作的過程中，氣門的加速度發生了四次突變，將引起較大的振動和噪聲，因此，需對該配氣機構的凸輪型線進行優化。

參考文獻

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].第二版.機械工業出版社，2009:79～98.

[2] 劉云.WD618.44柴油機配氣機構的改進設計[D].山東大學優秀碩士論文:2004.

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[4] 袁兆成.內燃機設計[M].機械工業出版社，2010.

[5] 吳兆漢.內燃機設計[M].北京理工大學出版社，1990.