基于175F柴油机配气机构动力学仿真分析

朱海锋，陈聪，谭杨，谢亚军，王泽湘

（长沙理工大学汽车与机械学院，湖南 长沙 410004）

175F型柴油机作为一种通用动力源在湖南地区的农业生产中广泛应用，但对其配气机构进行的动力学研究较少。此型柴油机采用底置凸轮轴式配气机构，内燃机的配气机构决定了其进排气特性，继而影响发动机燃烧过程，它的设计是否优良最终影响了内燃机的各项性能。通过对配气机构的动态模拟能了解到其各个零件的真实运动情况、所受载荷变化规律；或者预知飞脱、反跳等不正常工况，判断设计是否合理，工作是否可靠，从而在不进行实机验证的情况下对设计进行改进。因此对柴油机配气机构动力学性能进行仿真分析的工作是必要的。

1 175F柴油机配气机构组成

175F型机的配气机构由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门、气门弹簧及锁夹等零部件组成。采用下置式凸轮轴结构、每缸二气门型式、一体式进排气凸轮轴，通过实体测绘后使用Pro/E软件建立了该机构的三维几何模型，如图1所示。

图1 三维几何模型

2 175F柴油机配气机构动力学性能的仿真分析

2.1 建模准备工作

底置凸轮轴配气机构其主要部件质量、转动惯量、质心位置等物理特性参数由三维软件Pro/E计算得到。部件几何位置关系，也有Pro/E计算得到。刚度、阻尼等由试验测得。动力学建模不同于运动学建模，将摇臂与气门接触处的曲线——曲线约束解除，而代之以碰撞力；气门与气门座之间，也定义一对碰撞力，模拟气门落座力；摇臂的支撑铰链解除，代之以柔性衬套；此外还定义气门与机体间的弹簧力。为考察仿真过程中参数的变化，还要预先定义凸轮压力角、凸轮与摇臂间相对滑移、摇臂与气门间相对滑移等参数，以便以后处理时观察仿真结果。

表1 发动机及其配气机构相关数据

2.2 在ADAMS中定义仿真模型

ADAMS/Engine是MSC与FEV和国际领先的发动机生产厂家联合开发的软件包，用于功能数字发动机。基于ADAMS动力学仿真，ADAMS/Engine提供了一整套标准化的仿真工具和方法，允许设计、测试、研发等各部门共享发动机模型和数据，同时基于模板的软件环境中获取发动机设计专家知识。在这里模型的配置按照以下步骤进行:

①创建配气子系统，即创建推杆-摇臂型子系统。②替换气门弹簧，选择系统配置的“Vspring_mms”气门弹簧。③修改板的半径，“ModifyPlate”对话框中配置参数“16”。④修改配气机构参数，在“ParameterVariable”文本框中输入测量值设定弹簧安装长度、挺柱高度、推杆长度。⑤气门系统创建，选择默认的“_MDI_SVT_TESTRIG”作为试验台。⑥修改凸轮包角，通过菜单把包角设为“90°”。⑦执行分析，在弹出的“SingleValveTrain Analysis:SteadyState”对话框中输入如图2所示的分析参数。

图2 对话框图

图3 气门升程曲线

2.3 仿真结果分析

图4 气门速度曲线

（1）气门升程及速度曲线分析。气门升程及速度曲线分析。如图3和图4所示分别为气门升程曲线和气门速度曲线，其光滑连续，配气机构运行平稳，未出现不连续的情况，说明气门无飞脱现象产生。一般对于合金钢材料的气门座圈，其落座速度应小于0.6m/s,对于铸铁及粉末冶金材料的气门座圈，其落座速度应小于0.3m/s,由气门速度曲线可以得到最大气门落座速度为0.25m/s小于许用落座速度，气门升程曲线连续且在闭合处无波动，气门落座速度也无跳动，表明气门不存在反跳现象。

（2）气门加速度曲线分析。气门加速度是衡量配气机构平稳性的重要参数，加速度曲线应该比较平顺不能出现突变。在凸轮型线设计中，常将其正向加速度峰值和反向加速度峰值作为约束条件，控制凸轮接触应力以及防止机构中产生气门飞脱。由加速度图4可以看出，进气门加速度图可以看出，加速度最大值为27888m/s2,在允许的范围内。图4表示了2600r/min时气门加速度曲线，该曲线表明气门最大正负加速度均未超出许可值范围，说明气门具有较好平稳性，没有发生反跳和飞脱等现象。

（3）凸轮与挺柱接触力和接触应力。图5与图6分别为凸轮挺柱

图5 凸轮挺柱接触力

图6 凸轮挺柱接触应力曲线

接触力和接触应力曲线。从图中可以看出凸轮和摇臂工作接触过程中无脱离现象。在配气机构组成零件中凸轮与挺柱的接触应力最为严重。二者是发动机中一对重要的摩擦副，很容易发生过早磨损、刮伤、点蚀、甚至碎裂等故障，因此在设计阶段必须进行校核计算。

凸轮与挺柱接触表面的工作可靠性一般用接触面的最大接触应力来估算一般用接触面的最大接触应力来估算，由于凸轮与挺柱使用不同材料，二者之间允许接触应力大小不一样，因此必须选择恰当的配对材质、热处理和表面处理方式，以及合适的挺柱型式，使接触应力低于许用应力范围，就可以缓解二者之间的磨损。

在2600r/min时，该种结构型式下凸轮与挺柱接触应力情况，如上图6所示。由曲线分析可以得出:最大接触应力为，根据经验，该种结构型式下的最大接触应力不超过常见值范围（一般小于600MPa），那么凸轮与挺柱皆具有良好的抗磨损、抗刮伤和抗点蚀的性能，因此这对摩擦副的可靠性较高。

3 结语

本文针对175F柴油机配气机构进行了测绘，建模，利用ADAMS/Engine模块，获得了十分有价值的仿真结果，通过对这些结果的分析，在设计阶段就可以对配气机构进行优化设计，充分的提高了设计效率。实测数据也表面，配气机构运动学和动力学仿真计算是一种有效、可靠及准确度高的设计方法，它为凸轮型线和配气机构的设计和优化奠定了良好的基础，使内燃机具有更好的外特性，不仅功率和扭矩得到提升，而且还可以降低配气机构零部件磨损，提高柴油机性能和使用寿命。使用ADAMS/Engine模块对其进行了动力学仿真分析，获得了该柴油机配气机构的主要动力学性能参数:凸轮——挺柱接触压力、应力，气门升程，气门速度和加速度曲线，并根据仿真结果评价了该型柴油机的动力学性能，为后续改进提供了参考。

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