發動機配氣機構系統動力學研究

劉朋周海

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心，湖北襄陽 441053）

發動機配氣機構系統動力學研究

劉朋1，2周海1，2

（1.湖北文理學院機械與汽車工程學院，湖北襄陽 441053；2.汽車零部件制造裝備數字化湖北省協同創新中心，湖北襄陽 441053）

配氣機構作為內燃機重要的進排氣定時機構，對進氣量和排氣量的調控起著重要作用，而進氣和排氣性能的好壞直接影響著燃油燃燒性能的好壞，從而對內燃機的動力性、燃油消耗性、尾氣排放造成影響。所以如何科學地開發和設計適宜的配氣機構是研究的重點之一。一般來說，配氣機構系統都要考慮配氣定時的適宜性和機構運動的動力學性能。

配氣機構 動力學 TYCON

配氣機構是發動機中的一個重要組成部分，其工作性能的好壞直接關系到整機的運行狀況，雖然配氣機構的主要功能是滿足發動機進排氣量的需求，但其對整機的影響不僅限于此，配氣機構的動力學及其零部件可靠性也是要急需關注的問題，在設計中，配氣機構的動力學性能和各零部件強度都要符合相關要求。

表1　發動機主要技術參數表

圖1　配氣機構的動力學模型

圖2　氣閥升程曲線的對比

圖3　氣閥速度的對比

1　研究模型概述

本文是以一單缸機凸輪軸下置式、雙搖臂四氣門、帶閥橋配氣機構為研究對象，本單缸機的主要參數如表1所示。

本文工作主要集中在運用專業軟件TYCON進行配氣機構模型的建立和仿真，從動力學角度分析研究配氣機構的特性。雖然現今出現了很多配氣機構的新技術，像可變配氣機構，其可變的范圍包括氣門正時可變、氣門升程可變、氣門開啟延續時間可變等，一些汽車公司研究的對象也各有側重點。但在配氣機構的研究上，都離不開運動學和動力學的研究，運動學僅僅考慮理想的狀況，把零部件都看成剛性體，整個系統沒有變形和彈性，忽略系統摩擦和阻尼能量損耗，其分析的結果僅能得到一些基本的位移、速度、加速度和力參數，一般以凸輪型線的正加速度寬度、閥系的自振頻率、凸輪與從動件的接觸應力、凸輪的曲率半徑、彈簧裕度、豐滿度、潤滑系數等為運動學評價指標，而動力學模型考慮的因素更多，把物體都簡化成有集中質量、剛度和相對阻尼的彈性質點，考慮了各零部件的接觸和變形，動力學分析的結果可以得到很多更符合實際情況的一些信息，可以考察凸輪從動件的脫離接觸、彈簧各有效圈動力特性、閥面落座反跳和沖擊等情況。運動學中要輸入的參數也較少，工作量小，但動力學中要考慮的因素較多，輸入的參數也多，工作量大。對于低速或低載發動機的配氣機構，其運動學和動力學分析的結果差異不是很大，氣閥升程、速度和加速度曲線的整體趨勢相差無幾，兩者吻合較好，但在高速或重載發動機中，由于必須考慮配氣機構系統零部件的相互影響問題，其動力學和運動學分析結果有很大差異。一般情況下，先通過運動學設計出初步符合要求的凸輪型線，再進行動力學分析加以驗證和修正，不斷的反復調試出最優化的配氣機構動力學性能。

圖4　氣閥加速度的對比

圖5　凸輪接觸應力的對比

圖6　氣門落座力曲線

2　配氣機構動力學模型分析

本文的排氣側動力學模型如圖1所示。

其中動力學模型的模擬設置以兩個循環（即凸輪軸轉角720°）為其計算長度，步長取為0.5°。為與運動學模型的結果作比較，將其兩者分析結果疊加在一張圖上顯示。

2.1氣閥升程的比較

從圖2可知，實際氣閥的最大升程為26.3355mm，與理論的設計值27.7mm出現了偏差，這說明動力學分析是對氣閥升程有影響的，另外，只從氣閥升程曲線看，氣閥沒有出現明顯的反跳現象。

2.2氣閥速度的比較

從圖3可以看到動力學分析的氣閥速度曲線出現震蕩，而運動學分析沒有這一現象，但兩者的曲線趨勢比較一致。

2.3氣閥加速度的比較

從圖4可以看到動力學分析的氣閥加速度曲線出現很大的震蕩，與運動學分析的最大加速度峰值存在較大的差別。

2.4凸輪接觸應力的比較

從圖5可知，在凸輪的工作段沒有飛脫現象的出現。

2.5氣門落座力

從圖6可知，氣門落座時有輕微的落座力突然增大的現象?？芍獨忾T出現了反跳。適當增大凸輪下降側的緩沖段的長度可以避免這種現象。

這里要說明的是，上述運動學和動力學分析采用的都是對稱型的凸輪型線，由于配氣機構的性能要求對凸輪的上升側和下降側是不同的，在實際中往往采用非對稱型的凸輪型線，并要根據各種指標的要求和重要程度進行凸輪型線的調整和優化，這需要反復調試和對比，工作量很大。就以凸輪型線的設計為例，緩沖段曲線基本型式有3種，工作段曲線型式有3種，若采用非對稱設計，則就有3的4次方81種組合方案，而且每種曲線型式的輸入參數也是不定的，至少有2個以上參數需要確定，這樣起碼有上千條凸輪型線要進行分析和對比，這只能借助于計算機處理了。當然，一些輸入參數的常用經驗值范圍是很重要的，這可以減少優化分析的工作量和盲目性。

3　結語

配氣機構的各項動力學指標參數（如氣閥的位移，速度，加速度，氣門落座力等）均在相應的數量級范圍內，故計算的結果具有一定的參考價值。

本文的凸輪型線設計，只考慮了在設計轉速下的情況，沒有考慮在不同轉速下配氣機構動力學性能的變化，通過多工況計算，有助于了解動力學結果隨轉速的變化趨勢，從而可以推算出該閥系的適用轉速范圍，并且可以對超速極限工況進行分析，總之，多工況計算必然可以提供很多的分析結果，可以為凸輪型線的設計指明需要修正的方向。

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劉朋（1987—），男，安徽臨泉人，碩士，湖北文理學院機械與汽車工程學院助教，研究方向：動力機械及工程；周海（1993—），男，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：汽車服務，載運工具。