某款柴油機的凸輪軸優(yōu)化設計

寧科亮

（安徽江淮汽車集團股份有限責任公司，安徽 合肥 230601）

某款柴油機的凸輪軸優(yōu)化設計

寧科亮

（安徽江淮汽車集團股份有限責任公司，安徽 合肥 230601）

研究了凸輪軸優(yōu)化設計的開發(fā)過程。首先依附CAE模擬分析資源，對氣門升程曲線進行優(yōu)化設計，然后根據(jù)氣門升程曲線計算出對應的凸輪軸凸輪型線，形成凸輪軸優(yōu)化方案。并計算了新的凸輪軸對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性的影響。最后通過配氣機構(gòu)閥系模擬校核，確認新設計方案符合運動學及動力學要求，最后通過臺架試驗對新方案進行驗證。

凸輪軸；凸輪軸設計；氣門升程；凸輪軸型線

凸輪軸作為汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)中的關鍵零部件，負責驅(qū)動氣門按時開啟和關閉，其直接影響著配氣機構(gòu)及發(fā)動機的整體性能。文章在某款柴油機凸輪軸的基礎上，通過設置開發(fā)目標，依附CAE資源設計優(yōu)化方案并進行驗證，對該柴油機凸輪軸進行優(yōu)化設計，取得了良好的工程目標。

1 凸輪軸的性能開發(fā)目標

結(jié)合原柴油機及凸輪軸的性能特點，提出本次優(yōu)化的主要目標是提高該柴油機的低速動力性能，并保證發(fā)動機其他性能如經(jīng)濟性和排放性能等不低于原有發(fā)動機。具體的發(fā)動機開發(fā)性能目標為：最大扭矩：240N·m，額定功率：72kW，低端扭矩：＞180N·m/1000rpm。

2 氣門升程曲線的優(yōu)化設計

2.1 模擬計算目的及說明

凸輪軸是通過控制氣門的升程來影響發(fā)動機的進氣時間和進氣量，從而影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。所以首先需要根據(jù)開發(fā)目標對發(fā)動機氣門升程和相位進行模擬分析，本例中利用BOOST模擬軟件進行計算分析從而形成三套氣門升程的優(yōu)化方案

本模擬計算的主要目的是采用AVL的氣體交換模擬軟件BOOST對發(fā)動機配氣機構(gòu)進行預測計算，通過修正氣門開啟、關閉的時刻及氣門持續(xù)角度，對發(fā)動機的配氣進行優(yōu)化，形成優(yōu)化后的氣門升程方案。

2.2 輸入數(shù)據(jù)和基本假設

（1）計算模型。圖1是發(fā)動機的BOOST計算模型。環(huán)境氣體從邊界SB1吸入，通過管1到空濾器CL1，再通過管2進入渦輪增壓器，出來再通過管3導向中冷器CO1，再經(jīng)連接管4進入進氣歧管的諧振腔，用PL1代替，考慮到EGR的存在，容腔的一部分容積轉(zhuǎn)化成連接管16，17。管子5-8代表進氣歧管和氣道，通過氣道將氣引到氣缸C1-C4。管子9-12代表排氣歧管和氣道，通過氣道將氣引到容腔PL2，再通過管13連接到增壓器TC1，經(jīng)管14連接到消聲器PL3，然后經(jīng)管15，通過SB2流向大氣。

圖1 計算模型

（2）壓力損失。為了發(fā)動機達到更好的性能，進氣系統(tǒng)的壓力損失、排氣背壓要盡可能的小。在計算模擬中，假設了下列的壓力損失：（一般發(fā)動機應可以達到）

進氣系統(tǒng)的壓力降： ＜50mbar（標定點）

中冷器壓降： ＜100mbar（標定點）

排氣背壓： ＜350mbar（標定點）

（3）發(fā)動機的摩擦。FMEP：摩擦平均有效壓力，僅考慮機械損失，比如：所有軸瓦的摩擦；活塞、活塞環(huán)和缸筒的摩擦；氣門系統(tǒng)的摩擦；驅(qū)動動力附件的損失等。IMEP：指示平均有效壓力，考慮了熱量損失、泵氣損失。BMEP：制動平均有效壓力。三者的關系為：BMEP=IMEP-FMEP。

（4）氣道流量系數(shù)。μσ流量系數(shù)：是指實際流量和理論流量的比值，無量剛。實際流量mmean：是通過在指定壓降下，測量在不同氣門升程下的流量。理論流量mth：是通過理論計算得到在不同氣門面積下的流量。

式中：μσ為流量系數(shù)；mmean為實際流量（kg/s）；mth為理論流量（kg/s）；Aν為氣門座面積（m2）；Δp為壓力降（Pa）；ρm為平均密度（kg/m3）。

氣道的流通特性需要通過氣道穩(wěn)流試驗臺架進行測量，實際測量得到的流量和壓差通過換算轉(zhuǎn)換成流量系數(shù)。如果沒有試驗測量手段，當氣道的形狀與一個已知流通特性的氣道結(jié)構(gòu)相似時，也可以根據(jù)相似原理，采用無量剛的氣門升程定義的方法，對氣道的流通特性進行定義。當然，也可以通過CFD分析軟件，通過三維建模分析的方法計算得到氣道的流量系數(shù)。

（5）氣門升程曲線。氣門正時影響充氣效率，從而影響扭矩特性、高壓循環(huán)的指示效率和發(fā)動機的泵氣損失。IVC遲關有利于充分利用氣體運動動量，提升充氣效率，但過遲會發(fā)生倒流。EVO遲開有利于充分利用氣體膨脹功能量，但同時會增加泵氣損失功。所以正時是優(yōu)化發(fā)動機性能的重要參數(shù)。

2.3 計算結(jié)果及優(yōu)化方案建議

通過分析計算，進氣門關閉時刻提前，排氣門開啟時刻退后有利于低速進氣量；重疊角減小有利于低速充氣效率。具體給出以下三個方案：方案一：進氣門關閉時刻提前10°，排氣門開啟時刻退后10°，1000rpm扭矩達到182（N·m）；方案二：進氣門關閉時刻提前20°，排氣門開啟時刻退后20°，1000rpm扭矩達到193（N·m）；方案三：進氣門關閉時刻提前10°，排氣門開啟時刻退后10°，重疊角減小10°1000rpm扭矩達到187（N·m）；各方案的低端扭矩、最大扭矩和高端扭矩如表1所示。

表1 各方案與原方案對比

各方案的氣門升程對比如圖2所示，各方案與原方案過量空氣系數(shù)對比如圖3所示，各方案與原方案低端扭矩對比如圖4所示。

圖2 各方案的氣門升程對比

圖3 各方案與原方案過量空氣系數(shù)對比

圖4 各方案與原方案低端扭矩對比

通過以上各方案數(shù)據(jù)對比，方案優(yōu)先級別為：方案三，方案一，方案二。

3 凸輪軸的優(yōu)化設計

根據(jù)CAE設計形成的氣門升程方案，對凸輪軸進行優(yōu)化設計，確定新凸輪軸方案的凸輪型線曲線。

（1）計算方法及說明。凸輪型線設計，主要是計算在凸輪型線的作用下從動件的運動規(guī)律，檢查反映該運動規(guī)律的各相關指標是否滿足要求。運動學計算不考慮零部件間的脫離，認為系統(tǒng)是剛性的，從動件嚴格按凸輪型線確定的運動規(guī)律進行運動。凸輪型線設計常采用分段加速度函數(shù)法，將目標氣門升程的加速度曲線由整體分成幾段，從而實現(xiàn)精確控制，使設計出來氣門升程與熱力學升程曲線相符合，從而完成凸輪型線的設計。

（2）計算結(jié)果。根據(jù)三套氣門升程方案，計算出相對應的三套凸輪軸凸輪升程表，如圖5、圖6、圖7所示：

圖5 方案一凸輪升程表

圖6 方案二凸輪升程表

圖7 方案二凸輪升程表

4 優(yōu)化方案的CAE驗證

針對已形成的三套凸輪軸優(yōu)化設計方案，為了確保新方案的正確性，需要通過閥系模擬計算，檢驗方案的可行性。

（1）引用規(guī)范及模型搭建。本模擬分析主要參考《單閥系分析指南》，利用AVL Excite_TD軟件，對配氣機構(gòu)進行模擬。閥系結(jié)構(gòu)示意圖如8所示，閥系分析模型如圖9所示。

圖8 閥系結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 單閥系分析模型

（2）輸入?yún)?shù)。模型各元件質(zhì)量參數(shù)主要通過Pro/E測量得到，剛度參數(shù)主要通過有限元FEA計算得到。凸輪軸材料為45#鋼，挺柱為合金冷激鑄鐵，搖臂為鋁合金。各元件主要參數(shù)如表2所示。

表2 各元件主要參數(shù)

（3）結(jié)果確認。①氣門與活塞碰撞校核。本次計算對原始及優(yōu)化后凸輪型線所對應的氣門與活塞運動學最小動態(tài)間隙進行了計算和結(jié)果提取，具體結(jié)果見表3。各方案下氣門與活塞最小動態(tài)間隙均大于設計值1.1mm，滿足要求，不會發(fā)生氣門撞活塞問題。②運動學其他結(jié)果。

表3 氣門與活塞最小間隙

表4提取了其他部分運動學分析結(jié)果值，由計算結(jié)果可以得出：氣門彈簧裕度滿足要求，氣門開啟過程中不會發(fā)生“飛脫”現(xiàn)象；雖然新方案氣門升程降低，但其包角變小，導致曲率半徑也變小，使得凸輪與挺住最大接觸應力變化不大。在動力學計算中要進一步查看凸輪與挺住間的接觸應力；各方案凸輪型線均無負曲率，容易加工；新方案氣門升程與目標升程符合良好，氣門升程豐滿度均在0.55左右，符合要求，能夠獲得較好的充氣效率。

表4 運動學計算結(jié)果數(shù)值統(tǒng)計

5 優(yōu)化方案的試驗驗證

針對已經(jīng)形成的三套凸輪軸優(yōu)化方案，制作樣件在發(fā)動機臺架進行試驗驗證，低端扭矩試驗結(jié)果與方案設計的計算值比較接近，很好地完成了開發(fā)目標。如表5所示：

表5 各方案試驗結(jié)果

根據(jù)臺架試驗結(jié)果，綜合考慮高端扭矩和排放等其他因素，擇優(yōu)選擇方案三作為后期量產(chǎn)方案。

6 結(jié)語

凸輪軸作為影響發(fā)動機性能的關鍵零部件，其基本開發(fā)流程和方法如下：先根據(jù)設計性能要求，通過CAE模擬計算分析，形成氣門升程方案，并據(jù)此計算出凸輪軸凸輪型線；并根據(jù)閥系模擬計算，對凸輪型線的運動學及動力學情況進行校核，最后以凸輪軸圖紙的形式形成設計輸出，用于指導凸輪軸的生產(chǎn)和檢測。

通過以上步驟可以系統(tǒng)地完成凸輪軸的設計開發(fā)工作，輸入和輸出明確，流程清晰，提高凸輪軸設計工作的效率和準確性，能更好地服務于發(fā)動機整機的開發(fā)工作。

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］王明武.內(nèi)燃機配氣凸輪的研究與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［3］永剛.凸輪機構(gòu)設計［M］.上海：上海科學技術出版社，1995.

［4］袁兆成.內(nèi)燃機設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

Optimization Design of Camshaft for a Diesel Engine

NING Ke-liang

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230601，China）

This paper studies the development process of optimized design of camshaft.The first attachment CAE to simulate and analyzes the resources of valve lift curve to optimize the design，then according to the valve lift curve calculates the camshaft profile corresponding to the formation of the camshaft optimization scheme.And the influence of the new camshaft on the engine power and economy is also calculated.Finally through the valve system simulation check，it confirms that the new design scheme is in line with the kinematics and dynamics requirements，and finally through the bench test to verify the new scheme.The whole process is feasible and effective，can effectively serve the development of the work.

camshaft；camshaft design；valve lift；camshaft profile

U664.121

A

2095-980X（2017）01-0059-03

2017-12-23

寧科亮（1987-），男，陜西咸陽人，大學本科，助理工程師，主要研究方向：發(fā)動機正時系統(tǒng)設計。