機械挺柱與液壓挺柱配氣機構動力學分析及評價

韓佩良，王延榮，張麗，孫亞奇，劉旭康

摘要： 以某型柴油機配氣機構為研究對象，將原機械挺柱改為液壓挺柱，設計新狀態凸輪型線，改良配氣機構結構，基于AVL EXCITE Timing Drive軟件建立液壓挺柱配氣機構運動學與動力學模型，對液壓挺柱配氣機構進行動力學分析。在全轉速范圍內開展液壓挺柱與機械挺柱配氣機構動態特性測試，動態特性測試與動力學性能仿真均表明，液壓挺柱配氣機構落座沖擊載荷與落座速度小于機械挺柱配氣機構，且預測值與實測值誤差小于6.7%，驗證了配氣機構動力學測試方法的合理性與分析評價方法的準確性。

關鍵詞： 配氣機構；液壓挺柱；機械挺柱；運動學特性；動力學特性

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.005

中圖分類號：TK423.4文獻標志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０2-００33-０6

隨著柴油機技術不斷發展，大型復雜機械裝備對柴油機動力提出“高功率密度、高可靠性、輕量化、長壽命”的迫切需求。某柴油機采用機械挺柱配氣機構時，整機臺架試驗過程中暴露出氣門座圈磨損過快，配氣機構維護周期過短等問題。研究發現，采用傳統氣門-氣門座摩擦副材料匹配的方法對于故障解決收效甚微，其問題本質在于發動機強化程度提高，配氣機構承受作用力增大，故需要優化配氣機構動力性能，從而減小氣門落座沖擊，改善氣門座圈磨損狀況。

配氣機構控制發動機整個換氣過程，對整機動力性、經濟性、振動與噪聲具有極其重要的影響［1］。對于機械挺柱配氣機構，在發動機初裝時會預留定量氣門間隙，以補償零件受熱膨脹后的變形量。配氣機構在工作過程中承受較大的沖擊載荷，運轉一定周期后由于零部件的磨損會使氣門間隙逐漸增大，進而導致氣門開啟滯后，有效升程減小，振動加劇，噪聲增大，功率下降，嚴重時甚至會導致氣門撞擊活塞，引發重大故障。所以需要定期調整氣門間隙，使其處于正常工作狀態。

液壓挺柱通過調整自身長度使配氣機構實時工作在零間隙狀態，有效降低氣門關閉時的沖擊載荷，緩解零部件磨損，實現配氣機構全壽命周期內的免維護，同時能夠降低配氣機構工作噪聲，提高充氣效率，提升發動機工作品質［2］。

本研究針對某型柴油機，將原機械挺柱改為液壓挺柱，設計新狀態凸輪型線，并根據新布置的配氣機構結構，對液壓挺柱配氣機構進行動力學仿真分析，對比機械挺柱配氣機構動力學仿真結果，結合部件試驗臺上動力學性能試驗測試，評價液壓挺柱工作狀態及兩種方案配氣機構的動態特性。

1配氣機構運動學仿真分析

1.1運動學分析模型搭建

針對發動機配氣機構的優化設計，運動學與動力學研究為該領域主導方向。配氣機構運動學與動力學研究范圍廣泛，主要內容包括凸輪型線設計［3-7］以及配氣機構計算分析與綜合研究［8-14］。其中，配氣機構運動學模擬計算為整個配氣機構設計與優化奠定基礎，其主要目的在于探究配氣機構凸輪型線與挺柱或氣門等從動件運動規律之間的聯系，從而在此基礎上進行動力學分析［15］。

對于由凸輪軸驅動的配氣機構系統，凸輪型線對配氣機構的工作具有決定性影響。本配氣機構的結構形式為單頂置凸輪軸叉型滾輪搖臂四氣門結構，凸輪軸轉角θ與從動件升程h之間的關系如下：

h=fθ。（1）

凸輪軸以角速度ω勻速旋轉，其轉角θ=ωt。則從動件升程h與時間t的關系可表示為

h=gt。（2）

進一步可推導出氣門的運動規律為

ht=i·h-x0，h′t=dhtdt，h″t=d2htdt2。（3）

式中：ht為氣門升程；h′t為氣門速度（升程一階導數）；h″t為氣門加速度（升程二階導數）；i為搖臂比；h為從動件升程；x0為氣門間隙。

AVL EXCITE Timing Drive是一款應用于配氣機構運動學與動力學模擬計算的專業軟件，同時還可以對凸輪型線進行優化設計。根據本機配氣機構結構形式，基于AVL EXCITE Timing Drive軟件搭建配氣機構運動學計算模型，如圖1所示。車用發動機2024年第2期2024年4月韓佩良， 等： 機械挺柱與液壓挺柱配氣機構動力學分析及評價

1.2運動學特性評價

凸輪型線工作段直接決定氣門運動規律，工作段的形狀是影響配氣機構性能的關鍵因素。本液壓挺柱配氣機構凸輪型線工作段采用ISAC-氣門分段加速度函數設計方法，緩沖段采用余弦函數（常用于氣門間隙較小或帶液壓間隙調節器的高速機），可有效降低緩沖段終點處升程變化率。

新設計的液壓狀態進、排氣凸輪型線特性曲線如圖2和圖3所示，凸輪型線的主要參數如表1所示。

由圖2和圖3中的進、排氣凸輪型線特性曲線可知，進、排氣凸輪升程和速度曲線都較為光滑，且凸輪升程均在180°處取得最大值。其加速度曲線存在輕微波動，但進、排氣凸輪的最大躍度均小于1 000 mm/rad3，說明氣門運動平穩性較好，滿足從動件振動響應要求。

由表1可知，進、排氣門升程豐滿系數均大于0.5，滿足整機性能要求；進、排氣凸輪均不存在負曲率半徑，滿足制造工藝要求；凸輪與從動件接觸應力小于常規鋼-鋼接觸的滾子從動件許用應力1 300～1 500 MPa；進、排氣門最小彈簧裕度均大于1.2，滿足發動機使用要求。

2配氣機構動力學仿真分析

2.1動力學分析模型搭建

在進行運動學分析中，由于將整個機構視為剛性，不考慮配氣機構彈性變形與振動，因而不足以準確描述各傳動部件的運動規律和配氣機構的振動情況，因此，要在運動學分析的基礎上進行考慮各部分彈性變形的動力學計算。配氣機構動力學分析的主要目的是研究各零部件之間的接觸對配氣機構可靠性、穩定性以及零部件耐久性的影響，校核配氣機構中各零部件的剛度［16］。

本研究分析標定轉速工況下配氣機構各零部件工作狀態，根據本機配氣機構結構形式，基于AVL EXCITE Timing Drive軟件搭建配氣機構動力學計算模型，如圖4所示。

2.2動力學特性評價

2.2.1氣門升程、速度分析

進、排氣門升程、速度、落座速度曲線如圖5至圖6所示。由圖5可以看出，凸輪升程曲線開啟側與關閉側光順性良好，不存在波動或二次開啟的現象。從圖6速度曲線可以看出，進、排氣門的最大落座速度分別為0.238 m/s與0.206 m/s，在發動機標定轉速工況下，進、排氣門落座速度均小于工程要求值（0.5 m/s），說明進、排氣門均無較大沖擊，氣門與氣門座圈磨損較小。

2.2.2氣門落座沖擊分析

在進、排氣門落座時，氣門由運動狀態轉換為靜止狀態，此變化過程中氣門與氣門座圈發生碰撞，形成較大的沖擊載荷。從圖7和圖8氣門落座力曲線可以看出，氣門承受最高燃燒壓力時，氣門座圈所受沖擊載荷達到峰值。在發動機標定轉速工況下，進、排氣門關閉時刻的最大落座沖擊載荷分別為1 121 N與933 N，均未達到6倍彈簧預緊力。落座后，氣門在氣門彈簧的作用下，在一定的凸輪軸轉角內，落座力以彈簧預緊力為基準上下波動。

2.2.3凸輪與從動件接觸應力分析

由圖9進、排氣凸輪與滾輪接觸應力曲線可以看出，在發動機標定轉速工況下，進、排氣凸輪與滾輪最大接觸應力分別為775 MPa與1 542 MPa，進、排氣凸輪均未發生飛脫反跳現象。常規鋼-鋼接觸的滾子從動件許用應力為1 300～1 500 MPa，由于本配氣機構滾輪采用滾針軸承，故可允許的接觸應力值增加一倍，因此進、排氣凸輪與滾輪的接觸應力均在許用范圍內。

2.2.4氣門彈簧動力學特性分析

在分析氣門彈簧升程與受力時，將氣門彈簧離散成6質點，分別選取某一進、排氣門的氣門彈簧，其質點升程曲線與質點力曲線如圖10和圖11所示。圖中進、排氣門彈簧的第6質點為固定在缸蓋上的不動點。由圖可知，在發動機標定轉速工況下，進、排氣門彈簧在工作過程中彈性質點各自運動軌跡彼此分離并未重合，且質點力值穩定波動，氣門彈簧動力學特性良好，沒有發生并圈現象。

2.2.5配氣機構動力學特性對比

表2列出了液壓挺柱配氣機構與機械挺柱配氣機構動力學仿真分析結果。由表2可見，液壓挺柱配氣機構凸輪與滾輪接觸應力略高于機械方案，氣門落座速度與落座力則明顯降低。其中，進氣門落座速度降幅7%，排氣門落座速度降幅43%；進氣門落座力降幅17%，排氣門落座力降幅31%。

3配氣機構動力學性能測試與分析

3.1動態性能測試方案

本試驗采用電機驅動凸輪軸轉動，模擬發動機工作時配氣機構運動狀態。通過POLYTEC? OFV-5000激光位移傳感器測量氣門升程與速度，試驗裝置還包括ROTEC扭振測量儀。動力學性能試驗臺如圖12所示。

1） 機械挺柱配氣機構動態性能測試

為了給液壓挺柱配氣機構全轉速范圍內的動態特性提供比測基線，進行機械挺柱配氣機構動態性能測試，測試機械挺柱配氣機構在發動機全轉速范圍工況下的進、排氣門升程。

2） 液壓挺柱配氣機構動態性能測試

在發動機全轉速范圍工況下，測試液壓挺柱配氣機構進、排氣門升程，評估配氣機構在全轉速范圍內動態特性，檢查氣門落座情況，并確認是否存在“泵升”現象。3.2動態性能測試結果分析

標定轉速工況下，液壓挺柱配氣機構與機械挺柱配氣機構動力學性能測試結果如表3與圖13所示。由試驗數據可知，在全轉速范圍內，液壓挺柱配氣機構進排氣門升程、包角及豐滿系數均大于機械挺柱配氣機構，整機充氣性能得到有效提升；落座速度均小于機械挺柱配氣機構落座速度，可保證正常落座，不存在氣門關閉不嚴的現象，滿足配氣機構動力性能指標要求。

表4示出機械與液壓配氣機構落座速度仿真與試驗數據對比，通過分析可知，標定轉速下兩方案配氣機構落座速度試驗值與計算值差距不大于6.7%，表明所搭建的配氣機構動力學分析模型精度誤差滿足工程要求，有效性得到充分驗證，具有較高可靠度。

4結論

a） 由配氣機構運動學及動力學仿真分析結果可知，新設計的凸輪型線滿足氣門升程、配氣正時要求，且保證與活塞運動不發生干涉；在發動機標定轉速工況下，各項動力學指標滿足相應要求，配氣機構動力學性能良好，計算結果表明，液壓挺柱配氣機構落座沖擊載荷與落座速度明顯小于機械挺柱配氣機構，有效地改善了機械挺柱配氣機構的綜合特性，進一步改良了氣門-氣門座圈磨損狀況；

b） 配氣機構動態性能測試結果表明，液壓挺柱配氣機構在全轉速范圍內均正常落座，不存在“泵升”現象；對比兩方案配氣機構動力學仿真分析與試驗測試結果，以標定轉速下動態性能測試試驗值為基準，仿真值最大誤差小于6.7%，驗證了所提出配氣機構動力學分析模型和評價方法的有效性與可靠性。參考文獻：

［1］袁兆成.內燃機設計［M］.北京：機械工業出版社，2018.

［2］姚為民.汽車構造［M］.北京：人民交通出版社，2021.

［3］華德良，盧熙群，孫文，等.船用柴油機凸輪動態摩擦學分析及型線優化設計［J］.潤滑與密封，2021，46（10）：9-17.

［4］盧熾華，王治文，鄭灝，等.基于凸輪型線優化的單缸汽油機噪聲控制［J］.內燃機工程，2017，38（4）：74-82.

［5］Xia B Z，Liu X C，Shang X，et al.Improving cam profile design optimization based on classical splines and dynamic model［J］.Journal of Central South University，2017，24（8）：1817-1825.

［6］劉耀東，吳小飛，王立新，等.基于熱力學和動力學聯合仿真的凸輪型線優化［J］.內燃機學報，2017，35（3）：267-273.

［7］楊靖，馮仁華，鄧幫林，等.汽油機凸輪型線改進設計［J］.湖南大學學報（自然科學版），2009，36（11）：21-26.

［8］張健，齊朝暉，卓英鵬，等.考慮含幾何非線性彈簧的配氣機構動力學［J］.內燃機學報，2021，39（3）：279-287.

［9］劉洪建，白書戰，李振寧，等.考慮凸輪軸變形的配氣機構動力學分析［J］.車用發動機，2018（5）：20-25.

［10］Kim J，Park S S，Bae C.The effects of late intake valve closing and different cam profiles on the in-cylinder flow field and the combustion characteristics of a compression ignition engine［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，2018，232（7）：853-865.

［11］張海波，黃孝慈.基于AVL EXCITE TIMING DRIVE的配氣機構動力學分析［J］.小型內燃機與車輛技術，2017，46（6）：41-46.

［12］Zhou C，Hu B，Chen S，et al. An enhanced flexible dynamic model and experimental verification for a valve train with clearance and multi-directional deformations［J］.Journal of Sound and Vibration，2017，410：249-268.

［13］孫立星，王青，趙曉東.發動機配氣系統剛柔耦合多體動力學計算仿真分析［J］.小型內燃機與車輛技術，2016，45（4）：36-43.

［14］Rai V R，Mahangade V M，Remesan C B.Analysis of Kinematic and Dynamic Behaviour of Valve Train System［C］//ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress and Exposition.Montreal：ASME，2014.

［15］羅軒.配氣機構NVH性能分析方法研究及應用［D］.杭州：浙江大學，2021.

［16］馬慧超.某高速汽油機配氣機構力學分析及性能優化［D］.長沙：湖南大學，2015.

Dynamic Analysis and Evaluation of Mechanical Tappet and Hydraulic Tappet Valve Train

HAN Peiliang，WANG Yanrong，ZHANG Li，SUN Yaqi，LIU Xukang

（China North Engine Research Institute（Tianjin），Tianjin300406，China）

Abstract： Taking the valve train of a certain type diesel engine as the research object，the original mechanical tappet was changed to hydraulic tappet，the new cam profile was designed，and the structure of valve train was improved. Based on AVL EXCITE Timing Drive software，the kinematic and dynamic model of hydraulic tappet valve train was established，and the dynamic analysis of valve train for the hydraulic tappet was carried out. The dynamic characteristics of valve trains for the hydraulic tappet and mechanical tappet were tested in the full speed range. The dynamic characteristic test and dynamic performance simulation show that the seating impact load and seating velocity of hydraulic tappet valve train are smaller than those of mechanical tappet valve train and the error between predicted value and measured value is less than 6.7%，which verifies the rationality of valve train dynamic test method and the accuracy of analysis and evaluation method.

Key words： valve train；hydraulic tappet；mechanical tappet；kinematic characteristic；dynamic characteristic

［編輯： 姜曉博］