基于多體動力學的閥系接觸應力分析

曹慧穎，王強，陳庚

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于多體動力學的閥系接觸應力分析

曹慧穎，王強，陳庚

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于優化氣門通過能力的目的，利用多體動力學軟件，文章對增大升程的凸輪方案工作應力進行了仿真，分別計算了凸輪和搖臂以及搖臂和氣門接觸區域的接觸應力，并與基礎方案進行了對比；依據仿真結果，進行了方案的差異分析和影響因素總結。

氣門；接觸應力；動力學

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-117-03

引言

配氣機構是發動機的主要運動系統之一。在發動機工作中，凸輪軸與曲軸同期旋轉運行，開閉進、排氣門，配合活塞完成發動機工質和氣體的更新和交換。隨著進氣門的開啟，新鮮空氣或可燃混合氣被吸入燃燒室，參與燃燒反應，燃燒產生的廢氣在排氣門的開啟后被排出。在配氣機構設計時，為了保證吸氣和排氣的效率，需要關注氣門的通過能力，提高氣門開啟和關閉的速度、增大氣門升程對通過能力的改善有促進作用。但氣門通常是通過和凸輪相連接的機械結構驅動，氣門的工作速度提高和氣門升程的增大將引入氣門的加速度增大的風險，凸輪和機械結構之間的接觸力將增大，機械結構和氣門之間的接觸力也將增大；當接觸力增大到一定的程度后，將導致接觸應力超過接觸面的許用限值，進而出現接觸面的異常磨損，影響發動機的可靠性。

某汽油發動機為了提升動力性能，將氣門升程進行了增大，以獲得更佳的進氣和排氣性能，如圖1所示，圖中Original lift 代表基礎方案，Improved lift代表改進方案。從理論上分析，氣門升程增大后，氣門彈簧的壓縮量增大，彈力會相應的增大；進排氣氣門升程包角未增加，氣門的平均速度增大，從加速度度的角度分析，氣門的接觸力也會增大；綜合以上兩點，改進后配氣機構的設計風險較大，需要在凸輪型線設計中進行重點關注。

圖1 氣門升程曲線

圖2 氣門升程曲線

2 數值計算和結果分析

本汽油發動機的配氣機構簡圖如圖2，凸輪與搖臂上的滾子接觸，在凸輪的推動下，滾子圍繞固定點（support）旋轉，氣門端(valve)同步繞固定點旋轉，驅動氣門的開啟和關閉。搖臂在上述的三個接觸位置分別受到作用反力F(valve)、F(support)和F(cam)，形成搖臂的受力矢量。在凸輪旋轉的過程中，作用矢量的大小不斷變化，部分矢量的方向也隨著變化。

利用AVL動力學仿真軟件Excite-timing drive搭建分析模型，模型如圖3。搖臂固定在液壓挺柱上，在模型中需要對應的機械液力耦合單元對挺柱的剛度進行模擬，專用的搖臂單元能夠實現依據幾何結構自動計算動態搖臂比的功能，依據動態搖臂比計算搖臂的力矢量。

從配氣機構動力學角度來分析，在低轉速工況，運動系統的慣性力較小，彈簧的彈力和凸輪軸的最小

曲率半徑是影響接觸應力的主要因素；在高轉速工況，運動系統的慣性力較大，加速度是影響接觸應力大小的主要因素；從振動學的角度來考慮，配氣機構是多質點多自由度的振動系統，存在模態頻率，凸輪的激勵能夠激勵該系統在模態頻率附近發生共振。

因此，需要在凸輪型線的設計中關注正加速度脈沖寬度，避免系統的劇烈振動。

2.1 凸輪與搖臂滾子接觸應力

表1 K系數結果

圖3 分析模型

K系數主要評價配氣機構在特定凸輪軸激勵下產生共振的風險，K系數越大，共振風險越低，反之，共振風險越高。K系數主要由正加速度寬度、配氣機構固有頻率以及凸輪軸轉速決定。如下表所示，分別為凸輪型線調整前后的K系數值，排氣數值大小相當，進氣調整后開啟增大，關閉減小。

凸輪與搖臂滾子的接觸應力如圖4所示。從應力曲線來看，基礎方案（Original）的應力水平整體要高于改進方案（Improved），進氣高轉速區兩方案相當。

圖4 凸輪與搖臂滾子接觸應力

從K系數角度來看，排氣在凸輪型線調整前后數值相當，高轉速區的應力水平應較為接近，而應力曲線顯示排氣調整后應力水平明顯改善；進氣開啟增大，關閉減小，在高轉速區開啟段的應力降低，關閉段增加，應力的最大值由關閉段決定，因此改進方案的應力曲線在5000rpm后出現了明顯的突增。

對比下圖5進排氣凸輪軸的曲率半徑，基礎方案進排氣型線在桃尖區域均存在明顯的尖峰，致使進排氣接觸應力較大，而改進方案在桃尖區域曲率過度光滑，最小曲率增大，對改善凸輪接觸應力起到了較為明顯的作用。

圖5 凸輪曲率半徑

2.2 氣門與搖臂接觸應力

氣門與搖臂接觸應力在軟件的輸出結果中不能直接提取，需要基于軟件的結果進行二次數學計算。氣門桿頭部為圓形平面，搖臂接觸區為弧面，在理論上兩者的接觸區為一條直線，但在實際中，彈性體在壓力的作用下，接觸時會產生接觸面的彈性變形，該條直線會向兩側拓展，形成矩形接觸帶，實際接觸應力可以通過赫茲應力模型計算，如式（1）。

搖臂在工作的過程中，圍繞固定點旋轉，致使搖臂與氣門的接觸點相對于氣門軸線不斷滑動，如下圖所示，在凸輪基圓位置，搖臂與氣門位于接觸點1，在氣門開啟后，形成接觸線2，在整個工作過程，實際的接觸位置位于1和2之間，在氣門桿頭部存在偏移量L。

計算得到的偏心距如圖，型線優化前后，偏心距基本未產生變化，不會影響氣門和搖臂接觸面的寬度。若調整前后該結果差異較大，同時下文所述的應力結果也出現明顯的惡化，可以通過布置位置的調整，減小最大偏心距，降低應力的幅值。

計算得到的偏心距如圖6，型線優化前后，偏心距基本未產生變化，不會影響氣門和搖臂接觸面的寬度。若調整前后該結果差異較大，同時下文所述的應力結果也出現明顯的惡化，可以通過布置位置的調整，減小最大偏心距，降低應力的幅值。

圖6 凸輪曲率半徑

計算得到的偏心距如圖7，型線優化前后，偏心距基本未產生變化，不會影響氣門和搖臂接觸面的寬度。若調整前后該結果差異較大，同時下文所述的應力結果也出現明顯的惡化，可以通過布置位置的調整，減小最大偏心距，降低應力的幅值。

圖7 搖臂與氣門端部接觸點偏心距

氣門桿頭部與搖臂之間的接觸應力如圖8所示，在低速，兩方案的進排氣應力水平基本一致，在高速有所差異，排氣改進方案略優于基礎方案，進氣改進方案隨著轉速升高逐漸增大最后劣于基礎方案。

圖8 搖臂與氣門接觸應力

由前述K系數結果分析，高轉速區域進氣改進方案高轉速開啟K值增大，抵制共振的性能提高，關閉K值減小，抵制共振性能降低。對比進氣不同轉速區間的氣門桿頭部與搖臂接觸力結果，如圖9，1000rpm氣門升程增大，接觸力略微增大，4000rpm接觸力相當，但由于基本型型線加速度不平滑，基本型峰值接觸力較大，到6000rpm后，改進方案關閉段接觸力迅速增大，動力學性能惡化。

圖9 搖臂與進氣門接觸力

3 結語

凸輪和搖臂以及搖臂和氣門的接觸面應力是配氣機構評價的重要指標，應力大小直接影響零部件壽命和整機可靠性水平，在凸輪型線的設計和動力學校核中需要重點關注。

（1）配氣機構自身頻率的高低對配氣機構中驅動接觸面的應力水平大小影響較大，主要體現在高轉速區域。

（2）凸輪和搖臂接觸應力受凸輪的最小曲率半徑影響，在設計中要盡量保證桃尖區域的最小曲率值。

（3）氣門和搖臂之間的接觸應力和凸輪的驅動力有關，但同時受自身接觸面參數和特性的影響，需要關注搖臂在氣門桿端面上的偏移量。

（4）氣門升程大小只在低速對配氣機構應力水平有一定的影響。

[1] AVL_EXCITE_TimingDrive_UsersGuide.

[2] 袁兆成. 內燃機設計.[M]機械工業出版社.2008.7.

[3] 章希勝,武震.機械零件的接觸應力計算.[J]機械,2000.

[4] 中國汽車工程學會（組譯）.汽車工程手冊4-動力傳動系統設計篇.北京理工大學出版社.2010年.

The contact stress analysis of valve train based on Multibody Dynamics

Cao Huiying, Wang Qiang, Chen Geng
( Anhui jianghuai automobile group co. LTD, Anhui Hefei 230601 )

The contact stress of valve train wasmainly discussed in this paper based on Multibody Dynamics method to two intake and exhaust cam lifts. Two varieties weredistinguished from maximum lift. The simulation was performed and results were extracted for comparing the contact stress between cam and finger follower and between valve and finger follower in two cases. Finally, the differences were analyzed and influencing factors were concluded.

Valve; Contact stress; Dynamic

U463.6

A

1671-7988 (2017)15-117-03

曹慧穎，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.043