氣門活塞極限間隙分析新算法的應用研究

劉芳， 田入園， 陶麗芳， 劉建華

（安徽航瑞航空動力裝備有限公司，安徽蕪湖 241000）

0 引言

氣門和活塞是發動機性能得以實現的重要部件，通過氣門的開啟和活塞往復運動的配合，實現了發動機的性能[1]。在發動機工作時，氣門和活塞都遵循一定的規律在運動，當活塞由下止點向上運動，到達上止點時，若氣門仍處于較大開啟狀態，就會出現氣門撞活塞的現象[2]，導致氣門折斷[3]，為使氣門與活塞運動順暢，必須保證活塞與氣門之間有足夠的間隙。

傳統的氣門活塞間隙的分析方法包括利用公式求解和CAE軟件分析。高永胤[4]和陳文壁[5]通過構建發動機氣門活塞間隙計算的數學模型，通過簡化方程求解得出氣門和活塞間的最小距離。這種數學模型求解過程復雜而繁瑣，包括大量的數學理論知識，使得這種分析方法很難推廣。施玉春等[6]通過數學建模，計算了4G15V機型柴油機的氣門活塞最小運動間隙，并闡述了理論與實際情況的誤差來源于凸輪的制造公差、零件的熱變形等。

隨著CAE分析軟件的廣泛應用，上述問題得到了很好的解決并效果顯著[7-11]。王東玉等[7]利用Adams軟件，搭建了整個曲軸系統、正時系統及配氣系統的模型，并應用軟件中的間隙分析功能得到了活塞與氣門的最小運動間隙。但該方法前處理往往會占據大量時間，導致設計工程師無法及時有效地分析和優化設計方案；另外，隨著企業職能的劃分，很多設計師沒有仿真計算的經驗，設計與CAE之間的數據交換大大降低了工作效率。

針對上述存在的不足之處，本文修正了氣門活塞極限運動間隙計算方法，增加了尺寸公差、加工及裝配誤差等因素；并基于Excel強大的計算功能，設計出用戶界面良好、操作簡單、功能強大的氣門活塞間隙分析計算程序，實現分析自動化，設計師只需要校核輸入數據，即可得出計算分析結果，不僅降低了設計師對仿真能力的要求，也大大縮短了設計周期。

1 分析方法構建

影響氣門活塞間隙的主要因素[12]有：氣門升程及氣門傾角、活塞運動方程、相關零件尺寸、極限公差及熱變形、凸輪的制造公差、傳動鏈的裝配公差以及傳遞誤差。

1.1 數學模型的建立

1）根據圖1，可建立活塞運動方程為x=f（φ），其中φ為曲軸轉角。假設活塞從上止點開始運動，曲柄半徑為R，連桿長度為L，得到活塞的運動方程[13]：

2）氣門升程h=g（φ）。

3）氣門關閉時，氣門頂與活塞避閥坑的名義距離Hl，包括缸墊厚度、避閥坑深、活塞上表面到缸體表面的距離。

4）各關聯運動件的尺寸公差及熱變形Δl。

5）制造裝配傳遞相位總公差Δα，凸輪的制造誤差及凸輪軸與曲軸的裝配誤差最后都會體現在氣門相位的前滯或后滯。

6）氣門相位調節角度δ，相位前滯時，取正值，相位后滯時，取負值。

圖1 活塞運動圖

氣門與活塞間隙:

式中：β為氣門傾角；計算進氣門與活塞間隙時Δα取正，計算排氣門與活塞間隙時Δα取負。

1.2 Excel的實現

在Excel中，對不同類型的輸入參數進行歸類，通過強大的計算功能，對氣門活塞間隙計算公式進行求解；利用Excel繪圖功能，將計算的結果顯示出來，得到氣門升程的各項數據及最小氣門活塞間隙Min.C，如圖2所示。

圖2 氣門活塞間隙計算程序界面圖

采用分析程序，可以省略建模的時間及降低分析人員對仿真分析和計算能力的要求。在前期產品開發階段，設計工程師只需要收集相關輸入數據，輸入到程序中即可得到所需的結果，從而可以將主要精力投入到方案優化上[14]。

2 計算實例

2.1 已知條件

1）某兩缸四沖程汽油機，沖程為34.5 mm，連桿長度43 mm；2）氣門升程見圖3；3）活塞在上止點（TDC）時，缸體頂面到活塞頂面的距離為2 mm；4）缸墊厚度為0.75 mm，避閥坑深0 mm；5）氣門關閉時刻最低點與缸蓋底部的距離1 mm；6）各關聯運動件的尺寸總公差為0.821 mm；7）制造及裝配相位總偏差控制在4.5°曲軸轉角內。

圖3 氣門升程曲線

2.2 計算結果及分析

在計算分析控制中，設定尺寸+相位公差的分析計算，考慮尺寸公差及制造裝配傳動相位公差對氣門活塞間隙的影響。圖4給出了氣門-活塞的運動關系圖及氣門活塞運動間隙圖。

圖5給出了最小氣門活塞間隙值，可以看出，在氣門達到上止點后5.75°凸輪轉角（camdeg）時，最小氣門活塞間隙為1.48 mm，滿足設計要求。

圖4 氣門-活塞運動關系圖

之前在很多有關氣門活塞間隙的研究工作中，都忽略了尺寸公差及制造裝配傳動相位公差的影響。實際上，根據尺寸鏈公差理論[15]可知，系統的尺寸公差及制造裝配傳動相位公差勢必會影響原有的氣門活塞運動軌跡，從而影響氣門活塞運動間隙。現根據計算結果來說明不同參數對最小氣門活塞間隙的影響。

圖5 氣門-活塞最小間隙值圖

圖6給出了不同參數的計算結果，可以得到不同參數對最小氣門活塞間隙的影響。由圖可知，不考慮尺寸公差及相位公差的影響時，得到名義值Min.C=2.67 mm，這種計算結果就是現在傳統的計算方法得出的理論結果。單獨考慮尺寸公差的影響，得到Min.C=1.85 mm；單獨考慮相位公差，得到Min.C=2.30 mm；綜合考慮所有參數的影響，得到Min.C=1.48mm。

圖6 不同參數的計算結果

從圖6中4種結果對比可知，尺寸公差的影響值為（2.67-1.85）=0.82 mm，相位公差的影響值為（2.67-2.30）=0.37 mm，總公差的影響值為（0.82+0.37）=1.19 mm。可知尺寸及相位公差對氣門活塞間隙影響顯著，不容忽視。

圖7給出了不同名義距離下的計算結果，可知當名義距離由3.75 mm減少到2.1 mm時，名義值Min.C=1.02 mm。根據設計公司推薦的值，最小氣門活塞間隙名義值為1 mm，由計算結果可知，當考慮到尺寸及相位公差時，最小氣門活塞間隙值為-0.17 mm，可知，在此工況下，會出現氣門撞活塞的現象。

3 結論

1）通過分析氣門活塞間隙的影響因素，提出了一種計算氣門-活塞間隙的新算法，通過考慮相關零部件的公差、凸輪的制造公差及曲軸-凸輪裝配傳動誤差等因素影響，使得該計算方法更加精確。

圖7 不同名義距離下的計算結果

2）利用Excel強大的計算和繪圖功能，設計了氣門－活塞間隙計算分析程序，可以大幅度提高工作效率。

3）通過對某發動機的計算分析，該程序直觀地顯示了尺寸公差、相位公差因素對最小氣門－活塞間隙的影響貢獻值，為設計師進行數據分析及優化方案提供了理論依據。