不同转速下柴油机多刚体配气机构动力学仿真分析

吴文江， 张学强， 郑明军， 李晨阳（．石家庄铁道大学工程训练中心，河北石家庄050043；．石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043）



不同转速下柴油机多刚体配气机构动力学仿真分析

吴文江1， 张学强2， 郑明军2， 李晨阳2
（1．石家庄铁道大学工程训练中心，河北石家庄050043；2．石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄050043）

摘 要：在已经创建好的ADAMS多刚体配气系统模型基础上，通过仿真分析得到了不同凸轮轴转速情况下气门运动规律及凸轮与挺柱接触力、摇臂与气门接触力、气门与气门座的落座力数值，并分析了配气机构气门运动规律、主要零部件之间的接触力和应力，得到了在该模型中2 000r／min时气门会发生反跳现象、主要零部件的接触力和应力会发生突变产生飞脱及作用失效等现象，为配气系统设计改进提供了依据。

关键词：多刚体配气系统；动力学；运动规律；接触力；反跳；飞脱

在柴油机配气系统中，当凸轮轴转速达到某一特定值或者转速过高时，配气机构将会产生进、排气门反跳和零部件飞脱等现象，造成配气机构零部件的损坏和振动加剧［1］；并且，随着凸轮轴转速的增大零部件之间的接触力也会产生比较大的变化，所以研究不同的转速下配气机构动力学性能有很重要的意义。文章主要研究在凸轮轴转速分别在800r／min、1600r／min、1 800r／min和2 000r／min时配气机构的动力学性能。

利用ADAMS建立柴油机配气机构［2］的多刚体动力学模型如图1，然后直接在模型上进行动力学仿真分析，得到了排气机构在凸轮轴转速分别为800r／min、1 600r／min、1 800r／min和2 000r／min时配气机构的动力学性能曲线。

图1 ADAMS建立的单排气机构多刚体系统动力学模型

1　气门的运动规律分析

多刚体模型通过动力学仿真分析，得到了不同凸轮轴转速下气门的位移、速度、加速度曲线［3］，如图2所示。

从图2中可以看出，配气机构在前3个凸轮轴转速下排气门的位移曲线平滑并且连续，没有间断的情况，并且数值变化很小，说明气门在开启时相对平稳。从图中可以看出气门在开启时加速度比较大，这样有利于气门可以快速的开启；气门在落座时的加速度很小，有利于减小对气门座圈的冲击和损害。当凸轮轴转速达到1 800r／min时，发现气门落座时的加速度显著增大，造成了气门座圈受到很大的冲击力；而当凸轮轴转速在2 000r／min时，气门位移曲线出现了比较明显的跳动，此刻气门产生了反跳现象。

2　凸轮与挺柱之间的接触力及应力

多刚体模型通过动力学仿真分析，得到了不同凸轮轴转速下凸轮与挺柱之间的接触力及应力曲线，如图3所示。

从图3中可以看到，随着凸轮轴转速的不断增大，排气凸轮与挺柱之间的接触力以及应力曲线波动变得越来越显著。当凸轮轴转速达到1 800r／min时，从图3（c）中看到凸轮与挺柱之间的接触力以及应力在某一角度变成了零值，说明此刻排气凸轮与挺柱之间产生了轻微飞脱的现象。而当凸轮轴转速在2 000r／min时，排气凸轮与挺柱之间产生了严重飞脱现象，配气机构已经不能进行正常工作了［4］。

图2　不同凸轮轴转速下气门的位移、速度、加速度曲线

图3　不同凸轮轴转速下凸轮与挺柱之间的接触力及应力曲线

3　摇臂与气门之间接触力

多刚体模型通过动力学仿真分析，得到了不同凸轮轴转速下摇臂与气门之间接触力曲线，如图4所示。

从图4中可以看到，随着凸轮轴转速的不断增大，排气凸轮与挺柱之间的接触力以及应力曲线波动变得越来越显著。与凸轮与挺柱之间接触的情况不同，当凸轮轴转速达到1 800r／min时，摇臂与气门之间并没有产生飞脱现象。而当凸轮轴转速在2 000r／min时，摇臂与气门之间接触情况发生了严重破坏。

4　气门与气门座之间的落座力

多刚体模型通过动力学仿真分析，得到了不同凸轮轴转速下气门与气门座之间的落座力曲线，如图5所示。

从图5中可以看出，凸轮轴在各种转速的情况下，气门与气门座圈的碰撞力都产生了振动现象。在凸轮轴转速为n＝800r／min时，因为气门弹簧预紧力与气门落座力相互抵消了，所以落座力振幅变化不是很明显；随着凸轮轴转速的增大，此时的碰撞力增加比较显著，振幅变化也更加剧烈，而当凸轮轴转速在2 000r／min时气门落座时产生了比较大的峰值，表明当气门与气门座圈的碰撞力达到某一定值后，气门会产生反跳现象。

图4　不同凸轮轴转速下摇臂与气门之间接触力曲线

图5　不同凸轮轴转速下气门与气门座之间的落座力曲线

从图2～图5中可以看到，对于排气配气机构多刚体模型而言，本文所选取的4个凸轮轴转速中，在前3个凸轮轴转速下配气机构可以正常的工作。不同的凸轮轴转速下排气配气机构动力学性能变化的最大数值见表1，不同转速下变化的规律见图6。

表1　不同凸轮轴转速下排气机构多刚体动力学模型仿真分析结果

5　结论

通过凸轮轴不同转速时配气机构的动力学仿真分析，得到如下结论：①由于气门其加速度值在1 800r／min时急剧增加，当到达2 000r／min已经发生反跳现象，因此该排气系统无法满足正常要求。②分析气门与挺柱接触力发现，当1 800r／min时，气门与挺柱发生轻微飞脱，当到达2 000r／min时发生了严重飞脱，系统无法正常运行。③与凸轮与挺柱之间接触的情况不同，当凸轮轴转速达到1 800r／min时，摇臂与气门之间并没有产生飞脱现象。而当凸轮轴转速在2 000r／min时，摇臂与气门之间接触情况发生了严重破坏。④从气门与气门座之间的反力同样可以看到当凸轮轴转速达到2 000r／min气门已经发生反跳现象。多刚体配气系统的仿真结果帮助发现了凸轮轴转速与气门反跳的值区间，其运动规律为后续改善凸轮形状提供了理论依据。

图6 不同的凸轮轴转速下排气机构动力学特性

低速柴油发动机为1 500r／min，而中速柴油发动机转速在1 500～3 000r／min之间，若该模型所对应的发动机仅作为低速转动情况下使用，则该发动机可以满足正常使用，但转速不能超过最大1 800 r／min，否则会导致配气机构工作不正常、异响、发动机功率降低，甚至会对挺柱等关键部件产生破坏。

若发动机转速不能满足使用要求，则需对配气机构进行改进设计，重新设计凸轮轮廓线、气门质量、调节弹簧刚度，测量其在不同转速下的动力学情况，使之满足使用要求。

凸轮轮廓线的设计，直接影响气门的加速度，因此为预防配气机构中气门发生飞脱现象，常常约束正、反向加速度的峰值来控制凸轮－挺柱间的接触应力。

调节合理的弹簧刚度、改变气门弹簧刚度对配气机构各个构件之间接触力（落座力和摇臂与气门接触力）影响比较大。

参考文献

［1］田运峰，郑明军，吴文江．内燃机配气机构多体动力学仿真及分析［J］．国防交通工程与技术，2012，10（5）：42－45

［2］谭巍，武占华．配气机构动力学模型的特点及研究进展［J］．大连海事大学学报，2008，34（13）：46－48

［3］肖凯．汽油机配气机构与凸轮型线特性研究及仿真优化设计［D］．广州：华南理工大学，2013

［4］王琪赟．配气机构动力学性能试验系统开发与试验研究［D］．杭州：浙江大学，2012

A Dynamic Simulation Study of the Multi－Rigid－Body Distribution System of a Diesel Engine at Different Rotating Speeds

Wu Wenjiang1， Zhang Xueqiang2， Zheng Mingjun2， Li Chenyang2
（1．Engineering Training Center，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；2．College of Mechanical Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract：Upon the basis of the readily－established ADAMS model for a multi－rigid－body distribution system，a simulation analysis is performed，with the law of the movement of the lower air valve，and the values of the contact force between the cam and the tappet，the contact force between the rocker arm and the air valve，and the seating force between the air valve and the air valve stand obtained when the cam shaft turns at different speeds，upon the basis of which the law of the movement of the air valves of an air distribution mechanism，the contact forces between and the stress of the major parts are also analyzed．It is found in the model that the valve will bounce at 2 000r／min，and the major parts may fly off or fail in function at 2 000r／min．The result of the present research may serve as the technical grounds for the design and improvement of the air distribution system．

Key words：multi－rigid－body distribution system；dynamics；law of movement；contact force；bounce；flyoff

作者简介：吴文江（1965—），男，教授，主要从事载运工具运用工程和车辆工程方面的教学与研究工作 429332178＠qq．com

基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目（ZH2012007）

收稿日期：2015－11－23

中图分类号：U464．172

文献标识码：A

文章编号：1672－3953（2016）01－0015－04

DOI：10．13219／j．gjgyat．2016．01．004