雙頂置凸輪軸配氣機構計算及優化

白軍愛 王旭蘭 王紅麗 郝勇剛 李元石

摘要： 應用Excite_TD軟件，對某發動機配氣機構進行運動學和動力學分析，保證氣門良好、準確、平穩的運動規律下，重新設計了凸輪型線，優化后的凸輪型線，經過發動機試驗驗證，具有良好的運動學和動力學特性。

Abstract： With the application of Excite TD software， the kinematics and dynamics analysis of the valve mechanism of an engine was carried out. Under the condition that the valve was good， accurate and flat floor motion law， the CAM profile was redesigned. The optimized CAM profile was verified by engine test to have good kinematics and dynamics characteristics.

關鍵詞： 配氣機構;凸輪型線;運動學;動力學

Key words： valve mechanism;CAM profile;kinematics;dynamics

中圖分類號：S219.031????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0003-02

0? 引言

配氣機構作為內燃機三大結構之一，它的主要功能是實現發動機換氣過程，根據發動機氣缸的工作次序，定時地開啟和關閉進、排氣門，以保證氣缸排除廢氣和吸進新鮮空氣。現代柴油機設計中，配氣機構設計占有重要地位，一臺發動機的經濟性能是否優越，工作是否可靠，噪音與振動能否控制在較低的限度，常常與配氣機構的設計是否合理有密切關系。配氣機構設計中，由于柴油機總體布置的需要和限制，配氣機構零件的設計有一定限制，唯獨配氣凸輪型線的設計比較靈活，因此配氣機構凸輪型線的設計成為研究的重點。

1? 問題提出

本文研究對象為一臺小缸徑高速渦輪增壓中冷三缸柴油機，該發動機機型為雙頂置凸輪軸配氣機構，在整機臺架試驗測試中，該發動機出現排氣溫度高，結構件在高熱負荷沖擊下可靠性下降嚴重引起發動機失效，針對這一問題，開展配氣機構凸輪型線優化。配氣機構主要參數見表1。

2? 配氣機構模型建立

與帶有挺柱、推桿的下置配氣機構相比，搖臂式頂置凸輪配氣機構的傳動具有以下特點：凸輪表面與搖臂滾輪面、搖臂頭部與氣門桿部端面之間，既存在著滾動，又存在著滑動，接觸點在不斷改變，因此搖臂比是不斷變化的。搖臂比的變化較大，在數學計算中不能按定值處理;凸輪軸、搖臂和氣門的位置關系對氣門升程運動規律有重要影響;凸輪升程及其一階導數共同影響氣門理論運動規律。上述特點決定了計算頂置凸輪氣門理論運動規律的復雜性。該機型配氣機構由凸輪軸驅動搖臂，從而控制氣門的運動。該配氣機構主要包括凸輪軸、液壓挺柱、搖臂、氣門彈簧以及氣門，該發動機為四氣門，其機構布置如圖1所示。

根據該機型的機構形式，以及各零件的裝配關系，建立單閥系的配氣系統的運動學及動力學模型，其配氣機構運動學模型由以下模塊組成：凸輪軸單元，接觸單元，液壓挺柱單元，氣門彈簧單元，氣門單元，運動學及動力學模型如圖2、圖3所示。

配氣機構運動學計算模型需要設置的參數包括結構參數及邊界條件等。根據實際零件獲得結構參數，使用有限元軟件計算零部件的剛度，使用Creo軟件計算零部件質量。按照Excite_TD軟件要求將各個模塊的質量和剛度轉化到當量質量，邊界條件根據實際情況進行選取。

3? 結果對比

若發動機在額定轉速下滿足運動學和動力學性能要求，則可保證其在中低轉速下也能滿足運動學和動力學要求，故本研究以額定轉速（4000r/min）進行分析。發動機運動學計算結果見表2。

由表2計算結果可知，樣機型線的開啟側包角較小，而排氣延續角一般取250-270°（CA），此型線的工作包角在170°（CA），因凸輪型線工作包角過小，不利于換氣造成氣缸排氣溫度高。

樣機關閉側豐滿系數較小，不利于廢氣排出，樣機的最大躍度超過限定值1000，這是會導致發動機出現排氣溫度高，運動件之間受力過大而使壽命下降。樣機凸輪型線的運動學結果也解釋了樣機試驗出現排溫高的試驗現象。在滿足發動機性能的前提下，對凸輪型線進行優化，從表2可以看出優化型線滿足運動學要求，對此型線進行動力學計算，由圖4可以看出型線的氣門落座速度在額定轉速下為0.23m/s，氣門落座速度應小于0.5m/s，此型線符合動力學的要求。采用優化型線的凸輪軸進行整機臺架試驗，經過試驗對比，新的凸輪型線對排氣溫度降低起到了很好的效果。試驗結果如圖5所示。

4? 結論

①利用Excite_Td軟件對某小缸徑高速渦輪增壓中冷三缸柴油機的凸輪型線進行了運動學和動力學分析，主要優化了凸輪包角，豐滿度及躍度。優化后的型線在運動學上有較大改善，且符合動力學要求。②優化后的型線經過試驗驗證，降低了排氣溫度，動力性有不同程度的提高，為小缸徑柴油機性能改進提供了方向。

參考文獻：

[1]柴油機設計手冊編輯委員會.柴油機設計手冊（中冊）[M].北京：中國農業機械出版社，1984.

[2]周龍保，劉忠長，高宗英.內燃機學[M].三版.北京：機械工業出版社，2011.

[3]AVL-tycon User′s Guide. Version，2011，2.