某發動機單閥系動力學分析

楊興共，阮仁宇，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某發動機單閥系動力學分析

楊興共，阮仁宇，劉芯娟

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶為研究配氣機構的動態特性，文章某四缸汽油機為研究對象，通過分析軟件TYCON，建立了發動機的單閥系模型，進行了運動學以及動力學計算，對配氣機構的凸輪-挺柱接觸應力、氣門落座特性等進行了研究。結果表明：閥系運動學結果均滿足評價標準；該配氣機構的最大接觸應力均小于許用限值，接觸力正常；氣門落座平穩，沖擊力較小，氣門無反跳；氣門彈簧受力平穩，無并圈現象發生。

∶配氣機構；接觸應力；落座特性；并圈

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.046

CLC NO.: U464.13Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-132-03

前言

配氣機構是發動機的重要組成部分，其作用是按照發動機的工作順序和工作要求，定時開啟和關閉各缸的進、排氣門，使新氣進入氣缸，廢氣排出氣缸。配氣機構設計的好壞直接影響著發動機的動力性、經濟性、排放以及工作的可靠性，尤其是在高速情況下，要保證其在較惡劣的條件下仍能平穩可靠的工作。

由于實際配氣機構是一個彈性系統，工作時機構的彈性變形會使位于傳動鏈末端的氣門運動產生畸變，并增大整個機構各零部件之間的相互作用力，因此必須進行配氣機構動力學計算，查看是否有從動件飛脫、氣門反跳等不良現象。本文以某四缸汽油機為研究對象，利用AVL TYCON分析軟件對其配氣機構的動態特性進行仿真分析。

1、搭建計算模型

1.1分析模型

該發動機閥系主要由凸輪軸、挺柱、頂桿、搖臂、氣門、氣門座圈以及氣門彈簧等零部件組成，采用雙頂置凸輪軸布置結構，通過機械式圓柱形挺柱，凸輪驅動氣門開閉。在計算中，進氣和排氣單獨計算，未引入正時傳動模型。進氣和排氣閥系計算模型如圖1、圖2所示。

圖1　進氣分析模型

圖2　排氣分析模型

1.2輸入參數

發動機基本參數如表1所示。

表1　發動機基本參數

凸輪軸參數如表2所示。

表2　凸輪軸參數

1.3計算邊界和載荷

氣門在工作的過程中，承受氣缸內的氣體壓力，缸壓載荷如圖3所示。

圖3　氣門承受的缸壓載荷

2、運動學分析

圖4、圖5所示的分別是進/排氣門型線相位圖。由圖中可知，進氣門間隙0.2mm，對應1mm升程的氣門包角為225°曲軸轉角。而排氣門間隙為0.3mm，對應1mm升程的氣門包角為181°曲軸轉角。均在一個合理的范圍內。

圖4　進氣門型線相位

圖5　排氣門型線相位

閥系運動學結果見表3所示，從計算結果來看，各項結果指標均滿足評價標準。

表3　運動學計算結果數值統計

3、動力學分析

動力學分析是在運動學基礎上進行，在滿足理論氣門工作要求后，檢驗動態特性。運動學計算中只考慮閥系總剛度，而動力學計算中則要考慮從動件系統中各彈性構件產生的彈性變形，故各部件可看做彈性質點。

3.1凸輪-挺柱接觸應力分析

在閥系中，凸輪與挺柱的接觸應力是最重要的摩擦源之一，是閥系疲勞失效的主要形式。二者的接觸應力過大，容易引起發生過早磨損、刮傷、點蝕、甚至碎裂等故障，因此在設計階段必須對凸輪-挺柱的接觸應力進行校核。凸輪與挺柱接觸表面的工作可靠性一般用接觸面的最大接觸應力來估算，使最大接觸應力低于許用應力范圍，該機型接觸面的許用應力為800-850MPa。

圖6、圖7分別是額定工況（4850rpm）時，進、排氣凸輪接觸應力曲線圖，從圖中可以看到，進氣凸輪最大接觸應力為405MPa，而排氣凸輪最大接觸應力為681MPa，均小于800-850MPa的許用限值，接觸力正常，滿足要求，未發現飛脫現象。

圖6　進氣凸輪接觸應力曲線圖

圖7　排氣凸輪接觸應力曲線圖

3.2氣門落座特性分析

圖8　進氣門落座的特性曲線圖

圖9　排氣門落座的特性曲線圖

氣門落座時將會對氣門座產生沖擊，如果沖擊力過大，將會導致兩者之間的密封錐面被破壞，進而導致密封性能下降，最終使得發動機性能下降。此外，這種沖擊也是配氣機構機械噪聲的主要噪聲源。因此，有必要對氣門的落座性能進行分析。一般我們考查的是氣門落座速度，根據評價標準要求氣門落座速度小于1m/s。

圖8、圖9分別是進、排氣門落座的特性曲線圖，圖中包括氣門升程、氣門落座速度以及氣門落座力三條曲線。從圖中可以看到，進氣門落座速度為0.3m/s，而排氣門落座速度為0.4m/s，均小于1m/s的限值，說明氣門落座平穩，沖擊力較小，氣門無反跳現象。

3.3氣門彈簧動態特性分析

分析氣門彈簧的動態特性，主要是考察氣門彈簧是否存在并圈現象，所謂并圈是指彈簧相鄰簧圈發生碰撞的現象，這將直接影響彈簧的性能，進而影響整個配氣機構的正常運行，嚴重時甚至會導致彈簧產生塑性變形進而損壞彈簧，因此，在設計中必須避免彈簧并圈現象的發生。

圖10、圖11所示的分別是進、排氣門彈簧的受力曲線圖，從圖中可以看到，彈簧受力曲線光滑平穩，不存在受力突變的地方，說明彈簧無并圈現象發生，受力正常。

圖10　進氣門彈簧的受力曲線圖

圖11　排氣門彈簧的受力曲線圖

4、結束語

本文通過分析軟件TYCON，建立了發動機的單閥系模型，進行了運動學以及動力學計算，得到了相應的氣門升程曲線、氣門落座特性曲線、接觸力曲線等。通過這些結果，有助于研究配氣機構的動力學特性，能夠了解到各零部件的真實運動情況、所受載荷變化規律以及預測飛脫等不正常工況，為配氣機構的優化設計提供理論參考。這樣將仿真技術應用于發動機配氣機構的開發過程中，不僅可以提高產品設計質量，還有利于縮短研發周期，降低開發成本。

[1] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社.2003,02.

[2] 劉朋,周海.發動機配氣機構系統動力學研究[J].中國科技縱橫,2015（22）.

[3] 陳陽,姜學濤,劉建.配氣機構動力學仿真分析[J].科技風,2011（01）.

Dynamic Analysis on Single Valve Train of a Certain Engine

Yang Xinggong, Ruan Renyu, Liu Xinjuan
(Anhui Jianghuai Automobile Co,. Ltd, Anhui Hefei 230601)

In order to study dynamics characteristic of valve train, the article built single valve train model and had a

kinematics and dynamic analysis on valve train of a certain 4-cylinders gasoline engine by using TYCON. Cam-follower contact stress and valve closing characteristics were studied. The result showed that kinematics results met evaluation standard, maximum contact stress was less than allowable stress, cam-follower contact force met requirement, impact force valve seat was at low level and valve bounce was not found, and valve spring was smoothly, collision was not found.

Valve Train; Contact Stress; Valve Closing Characteristics; Collision

∶U464.13

∶A

∶1671-7988 (2016)09-132-03

楊興共（1990 -），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。主要工作是技術管理。