小型柴油機配氣機構動力學分析及優化

白軍愛，劉長振，吳 波，張志軍，張 潔

（中國北方發動機研究所，天津 300405）

0 引言

柴油機具有動力性強、熱效率高等特點。配氣機構作為柴油機的重要組成部分，其作用是實現換氣過程。柴油機每完成一個工作循環都必須排除廢氣和充入新鮮空氣。合理的配氣機構應做到進氣充分、排氣徹底。配氣機構性能的好壞，直接關系到整機的運行情況，對柴油機工作性能有很大影響，決定了柴油機的排放特性。

配氣機構設計中，影響性能的因素包括配氣正時、凸輪型線、潤滑、氣門間隙等，而配氣機構通過凸輪控制氣門的開啟、關閉，凸輪型線決定了氣門的升程規律。配氣凸輪型線豐滿系數大，就能確保大的時面值，提升發動機的充氣效率，凸輪型線光滑能夠保證配氣機構的平穩性和可靠性，因此對柴油機凸輪型線的研究十分重要。

1 問題提出

目前柴油機的設計，一方面要求氣門以較快的速度開、關，從而達到較好的換氣效果以提升柴油機性能；另一方面希望保持加速度和載荷相對較小，減小接觸應力，降低振動和噪聲，以延長使用壽命。這二者相互矛盾，給配氣機構凸輪型線設計帶來很大的困難，因此，需要對凸輪型線科學設計。

依據在配氣機構中的布置形式，凸輪軸可分為下置式、中置式和上置式3 種。本文以某小型直列四缸發動機下置式配氣機構為研究對象，對其工作狀況進行計算和分析，針對存在的問題，通過凸輪型線優化改進，降低氣門落座速度和凸輪挺柱體接觸應力。配氣機構主要參數見表1。

表1 柴油機配氣機構主要參數

2 建立配氣機構模型

柴油機配氣機構包含多個不同結構參數的零件，如凸輪、挺柱體、推桿、搖臂、氣門、氣門彈簧等，這些零件組成柴油機機械系統。

柴油機工作時，配氣機構各個零件會產生彈性振動，實際中的配氣機構是一個彈性系統。考慮整個機構運行過程中產生的彈性變形和沖擊影響，配氣機構動力學計算通常采用多自由度計算模型，也可以采用單自由度計算模型。Excit_TD 軟件是AVL 公司開發的一款用于發動機配氣機構動力學分析與凸輪型線設計的專用軟件。

本文所研究的下置式凸輪軸配氣機構是通過凸輪軸轉動驅動挺柱體、推桿上下移動，推桿傳遞力到搖臂控制氣門運動。該發動機是一款頂置四氣門配氣機構，其機構布置如圖1所示。

圖1 配氣機構三維模型

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動力學模型，其配氣機構動力學模型由以下模塊組成：旋轉單元、相位單元、徑向支撐單元、凸輪單元、接觸單元、挺柱單元、推桿單元、搖臂單元、氣門彈簧單元、氣門單元。

3 參數確定

Excite_TD 中建立動力學計算模型，搖臂根據運動狀態可分為變搖臂比和定搖臂比兩種形式。在Creo 中建立配氣機構各個零件的三維實體模型，從而獲得各個零件結構參數、質量參數和轉動慣量。配氣機構的系統剛度值一般采用實測的方法得到，也可以根據各構件的不同情況，通過有限元計算獲得，本文中各個零件的剛度系數通過有限元軟件分析確定。因阻尼系數在一定范圍內對計算結果影響不大，可以根據Excit_TD 軟件參數推薦值選取各零件的阻尼參數。

將Creo 中建立的各個模型導入有限元軟件中，首先對各個構件進行網格劃分，然后按照零件實際工作時的連接情況定義不同構件間的約束，施加約束和加載力，得到加載方向的位移，最后求出剛度系數。以搖臂為例，計算結果見圖2。按照Excite_TD 軟件要求將各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（表2）。

表2 搖臂結構尺寸及參數

圖2 搖臂有限元計算結果

4 計算結果

配氣凸輪型線是影響配氣機構動力學特性的主要因素，凸輪型線決定了氣門的運動規律，以達到進氣和排氣的目的，從而直接影響到配氣機構的性能，乃至影響整個發動機的各項工作性能。合理的凸輪型線需要兼顧發動機的性能、振動和變形等要求。

配氣機構動力學分析特性參數有：氣門與氣門座的落座速度，凸輪與從動件之間的接觸應力，凸輪與從動件的潤滑等。

氣門落座時由運動狀態變為靜止狀態，會產生較大的沖擊力，而較低的氣門落座速度能夠確保配氣機構工作平穩，振動和噪聲較小。

氣門落座速度根據氣門座材料不同，允許的最大值也不同。根據經驗，對于一般鋼材料的氣門和氣門座，氣門落座速度應該小于0.5～0.8 m/s。為了提升氣門的使用壽命，防止出現劇烈撞擊，氣門落座時應具有較低的速度和較小的振動，一般氣門落座速度不允許超過0.3 m/s。

由于凸輪與挺柱體長時間反復接觸，凸輪與挺柱體的磨損是發動機配氣機構所有磨損中最為嚴重的，接觸應力的大小影響到配氣凸輪與挺柱的磨損，若接觸應力過大，將導致兩個工作表面磨損嚴重，從而影響配氣機構的可靠性，接觸應力應小于所用材料的許用應力，一般平面挺柱體接觸應力應小于600～800 MPa。凸輪和挺柱體的接觸應力也用來判斷是否存在飛脫現象。

原型機的動力學計算結果見圖3、圖4，氣門落座速度為0.876 m/s，超過推薦限值0.8 m/s，挺柱體接觸應力在負加速度段未出現為零的情況，所以無飛脫現象的產生，而最大接觸應力為833.8 MPa，超過了鋼與鋼的許用接觸應力800 MPa。

圖3 氣門落座速度

圖4 挺柱體接觸應力

根據原柴油機的結構及性能參數，利用Excite_TD 軟件凸輪設計優化功能，在保證充氣性能的同時，采用氣門分段加速度函數和梯形函數對凸輪型線進行優化。通過調整凸輪上升側和凸輪桃尖的包角來降低凸輪與挺柱體間的接觸應力，定義緩沖段得高度和末端速度來降低氣門落座速度。

對調整后的凸輪型線進行分析，改進后氣門落座速度為0.113 m/s，滿足不超過0.3 m/s 的推薦值，可以保證落座平穩，氣門與氣門座之間沒有出現劇烈撞擊；挺柱體接觸應力為537.7 MPa，未超過最低使用限值600 MPa（圖5、圖6）。

圖5 氣門落座速度

圖6 挺柱體接觸應力

5 結論

（1）利用Creo 軟件建立配氣機構各零件的三維實體模型，獲得各零件質量及轉動慣量，將各零件的三維模型導入有限元軟件中，按照各個零件在實際工作時的連接情況定義不同構件間的約束，施加約束和加載力并進行計算，根據變形求取剛度參數，在Excite_TD 中建立配氣機構多質量模型，輸入剛度系數、阻尼參數、質量，進行動力學計算。

（2）應用Excite_TD 軟件建立柴油機配氣機構排氣側單閥系動力學計算模型，并進行動力學特性分析，根據計算結果，采用氣門分段加速度函數和梯形函數對凸輪型線進行優化改進，改進的型線降低了落座速度，減小了挺柱接觸應力，最大值都在允許范圍之內，提高配氣機構的可靠性和平穩性。