配氣機構優(yōu)化設計

二Auto Bngfineer2009 (10)Engmo汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦CErNDesign-Innovation配氣機構優(yōu)化設計郭蘭(天津一汽夏利汽車(chē)股份有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中心)摘要:在進(jìn)行一款轎車(chē)發(fā)動(dòng)機性能升級中，需要對配氣機構進(jìn)行全新優(yōu)化設計，以提高發(fā)動(dòng)機最大功率和中低速扭矩。文章利用AVL公司的EXCITETimingDrive軟件建立了配氣機構模型,對模型進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真計算，.完成了進(jìn)排氣凸輪型線(xiàn)的優(yōu)化設計，以及配氣機構運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析和校核。校核結果表明，配氣機構組成各零部件完全滿(mǎn)足設計要求，通過(guò)性能預測和發(fā)動(dòng)機試驗證明，該款發(fā)動(dòng)機的性能指標達到了開(kāi)發(fā)目標值的預期。關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機;配氣機構;凸輪型線(xiàn);優(yōu)化設計;仿真計算Optimizing Design of Valve TrainAbstract: Upgrading of the performance of a car engine, the optimal design of the valve train is necessary so as toenhance maximum engine power and low-range and mid-range torque. In this paper, the model on valve train of theengine is established with AVL EXCITE Timing Drive, and kinematics and dynamics performances are simulated andcalculated so as to finish the optimal design of the cam profile of the inlet and exhaust, and complete the analysis andcheck of the kinematics and dynamics of the valve train.The results indicate that the valve train parts fully meet thedesign requirements. Through the performance prediction and engine experiment, all performance parameters of engineare in compliance with expected developing goals.Key words: Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; Optimal design; Simulation配氣機構是發(fā)動(dòng)機的重要組成部分，而凸輪型線(xiàn)選擇 了雙頂置凸輪軸的設計方案，采用雙挺柱直接驅是配氣機構的核心，其設計的優(yōu)劣將直接影響到發(fā)動(dòng)動(dòng)氣門(mén)， 這種方式氣門(mén)慣性力小，系統剛度大，確保機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、排放及工作平穩性和可靠性凹系統傳動(dòng)更加精確。配氣機構布置圖，如圖1所示。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機向高功率、高速化和低排放方向的發(fā)展，一 方面要求配氣機構具有良好地換氣質(zhì)量，另一-方面進(jìn)氣凸輪軸排氣凸輪軸又要求配氣機構可以穩定和耐久地工作，而這2個(gè)條件是相互制約的，因此對配氣機構和凸輪型線(xiàn)的設計提出了更高的要求。氣門(mén)鎖夾-挺柱隨著(zhù)計算機仿真技術(shù)的廣泛應用，使用AVL公氣門(mén)彈簧座氣門(mén)彈簧司的BOOST和EXCITE等軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機的性能預氣門(mén)桿油封測和凸輪型線(xiàn)設計，不僅能夠為設計提供理論指導，氣門(mén)導管.氣門(mén)導管縮短設計周期，而且節省大量的開(kāi)發(fā)費用，提高了設計效率。文章運用EXCITE軟件進(jìn)行了配氣機構優(yōu)化進(jìn)氣門(mén)-排氣門(mén).設計，達到了使發(fā)動(dòng)機性能提升的目標。進(jìn)氣門(mén)座中國煤化工排氣門(mén)座配氣機構總體布置TYH. CNMH G在進(jìn)行一款發(fā)動(dòng)機性能提升時(shí)，對于配氣機構，-31.Auo Engineer5z技術(shù)聚焦FOCUSEngime汽車(chē)工程師2009年10月設計創(chuàng )新2配氣機構動(dòng)力學(xué)模型考察凸輪的潤滑和磨損情況;配氣機構零部件的受力從圖1可以看出，配氣機構的運動(dòng)是從凸輪端開(kāi)情況; 評估進(jìn)排氣門(mén)落座是否平穩及是否存在氣門(mén)反始的，經(jīng)過(guò)挺柱、氣門(mén)彈簧、氣門(mén)座墊及氣門(mén)鎖夾等跳現象等。這樣一個(gè)長(cháng)的傳動(dòng)鏈才能把運動(dòng)傳遞給氣門(mén)端，并非3.1 運動(dòng)學(xué)仿真計算剛性系統，而是一個(gè)彈性系統2。它的整個(gè)傳動(dòng)鏈是3.1.1 凸輪型線(xiàn) 的曲率半徑由一系列幾何形狀、剛度及質(zhì)量各不相同的零部件組設計凸輪型線(xiàn)時(shí)，應當避免最小曲率半徑過(guò)小，成，而且各零部件之間在運動(dòng)過(guò)程中還可能產(chǎn)生脫開(kāi)以防凸輪早期磨損。一般認為曲率半徑的最小值應不現象。因此傳統的運動(dòng)學(xué)計算往往不足以準確地描述小于2 mm，能再大些更好。圖3和圖4分別表示，配氣機構各零部件的運動(dòng)規律，而動(dòng)力學(xué)計算由于考在發(fā)動(dòng)機額定轉速下，進(jìn)排氣凸輪型線(xiàn)的曲率半徑。慮了配氣機構整個(gè)傳動(dòng)鏈的彈性變形，因此可以比較從圖3和圖4中可以看出，進(jìn)氣凸輪的最小曲率半徑精確地描述配氣機構各零部件的運動(dòng)規律。為4.5 mm,排氣凸輪的最小曲率半徑為4.3 mm，2種鑒于配氣機構組成零部件復雜，因此一般要建立曲率 半徑最小值均大于2 mm，可以滿(mǎn)足設計和使用-.定的簡(jiǎn)化計算模型。利用EXCITETimingDrive軟要求。件，通過(guò)簡(jiǎn)化配氣機構的相關(guān)部件設置，建立單閥系l0Eo9[配氣系統運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，圖2為新設計的配氣8E準機構EXCITE Timing Drive計算模型。66凸輪模型，5旋轉激勵019一+RDS 'T632心9初始相位凸輪剛度11owwwwwwwwwwwwwliwwwlwwlww.u..0 30 60 90120 150180210240 270 300 330360Q1凸輪型線(xiàn)凸輪軸轉角/ (圖3進(jìn)氣凸輪型線(xiàn)曲率半徑1油鵬壓力11099|挺柱8[7h6|專(zhuān)4氣門(mén)桿s王LS氣門(mén)彈簧22氣門(mén)]端面圖2配氣機構的EXCITE Timing Drive計算模型03060901201501802102402703003303603配氣機構運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真計算凸輪軸轉角/ (。圖4排氣凸輪型線(xiàn)曲率半徑凸輪型線(xiàn)的設計原則是以豐滿(mǎn)系數為目標函數，3.1.2凸輪 與挺柱潤滑條件以氣門(mén)傳動(dòng)機構的動(dòng)力性能及強度為約束條件同。對凸輪與挺柱間潤滑油膜的形成及形態(tài)，對配氣機凸輪形狀的--般要求是:1)要獲得盡可能大的時(shí)間構工作的可靠性和耐久性至關(guān)重要，因此在設計凸輪斷面值，即氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉迅速，在比較大的凸輪轉型線(xiàn)時(shí)，要確保凸輪具有良好的潤滑特性，凸輪與平角內氣門(mén)接近全開(kāi)位置，獲得較大的豐滿(mǎn)度; 2)要面挺柱間最小潤滑油膜厚度計算公式為:保證配氣機構零部件所受到的沖擊和跳動(dòng)盡量小，加速度突變小，配氣機構產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)小，可靠性hmim =k(R。+h)2_A( R。+h)( R。+h)__P高。對于該款發(fā)動(dòng)機，在運動(dòng)模型中輸入發(fā)動(dòng)機參數和凸輪型線(xiàn)的高次方系數，得到進(jìn)排氣門(mén)升程與凸輪式中: R凸輪基圓半徑，mm ;型線(xiàn)坐標，通過(guò)計算得出該進(jìn)排氣的豐滿(mǎn)系數分別為中國煤化工0.577 5和0.5769，符合設計目標要求。因此就要對kTH. CNMHG，其它性能指標進(jìn)行運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)校核計算，主要是NM的，k為已知常-32-AutoDEngineer第10期Enimn:汽車(chē)工程師FOCUS技術(shù)聚焦CErtNDesign-Innovation速度變化率的最大值也在限制范圍(1 000 mm/rad)如果引入無(wú)量綱參數Y=pn，y稱(chēng)為潤滑系內，說(shuō)明氣門(mén)運動(dòng)具有較好的平穩性，沒(méi)有發(fā)生跳脫和飛脫等現象。數，那么凸輪的潤滑系數與凸輪曲率半徑、基圓半10 000 E進(jìn)氣徑和挺柱升程等有關(guān)。由公式可以看出，當y=0或排氣y=0.5時(shí)，hmim=0O， y和hmin實(shí)際上是凸輪轉角a的函4 000數，當a在凸輪工作段范圍內變化時(shí)，r=0 的情況實(shí)2 000際上是不會(huì )出現的，但)=0.5對加速度連續變化的凸-2 000 I輪難于避免，總會(huì )在某個(gè)時(shí)刻達到。為了避免潤滑特-4000L -性惡化，一般希望y=0.5附近只停留很短時(shí)間。另外36450凸輪軸轉角/(°)630為了得出磨損小的凸輪型線(xiàn)，凸輪尖端區域的潤滑系圖7在6000r/min時(shí)氣門(mén)加速度曲線(xiàn)數應是0.15≤γ≤0.25 ~ 0.35。圖5和圖6分別表示，.3.2.2氣門(mén)落座力在發(fā)動(dòng)機額定轉速6 000 r/min下，進(jìn)排氣凸輪的潤氣門(mén)靜止過(guò)程中，缸內氣體對氣門(mén)的壓力產(chǎn)生氣滑系數。門(mén)對氣門(mén)座的作用力，在氣門(mén)]回落時(shí)，氣門(mén)由運動(dòng)到110E靜止，與氣門(mén)座發(fā)生撞擊，產(chǎn)生-一個(gè)峰值作用力，因398能此作為判斷氣門(mén)反跳的一一個(gè)重要條件，就是看氣門(mén)落7座以后，其落座力是否再次降到零。6S5E在6000 r/min時(shí)進(jìn)排氣門(mén)落座力的曲線(xiàn)，如圖3E8所示。由曲線(xiàn)分析可以得出: 1)進(jìn)排氣門(mén)落座沖2E幾擊力的峰值隨凸輪軸轉角的變化比較緩慢，而且其數值較小，始終在200 N左右，落座后的沖擊力逐漸減0306090 120150 180 210 240 270 300 330 360為零。2)在標定轉速下，進(jìn)排氣門(mén)各自都出現了凸輪軸轉角/ (°)次反跳，雖然有-.次反跳;但由于反跳持續的凸輪轉圖5進(jìn)氣凸輪在6 000 r/min時(shí)的潤滑系數角小于1°，時(shí)間非常短暫，而且進(jìn)排氣門(mén)落座時(shí)的99沖擊速度也比較小，所以，撞擊力是比較小的，說(shuō)明8E27E設計還是比較合理的。茲66800p一。進(jìn)氣70C駕44600E2幾z 50011E天400E0306090120150180210240270300330360家300200100的圖6排氣凸輪在6 000 r/min時(shí)的潤滑系數由圖5和圖6可以看出，進(jìn)氣最大升程凸輪轉角36050540720凸輪軸轉角/(° )為(231.75士30)。;排氣最大升程凸輪轉角(127士30)。圖8在6 000 r/min時(shí)氣門(mén)落座力曲線(xiàn)凸輪潤滑系數均保持在0.2左右，滿(mǎn)足凸輪尖端區域3.2.3 凸輪與挺柱間接觸應力潤滑系數在0.15~0.35內的要求,說(shuō)明潤滑條件良好。凸輪型線(xiàn)不僅受配氣機構動(dòng)力學(xué)特性限制，而且3.2動(dòng)力學(xué)仿真計算受到力-應力的限制，在配氣機構組成零部件中，凸3.2.1氣門(mén)加速度 曲線(xiàn)輪與挺柱間的接觸應力最為嚴重。二者是發(fā)動(dòng)機中一氣門(mén)加速度是配氣機構平穩性的重要參數，加速對重要的摩擦副，很容易發(fā)生過(guò)早磨損、刮傷、點(diǎn)蝕、度曲線(xiàn)應該比較平順，不能出現大的歧變。圖7表示甚 至碎裂等故障中國煤化工行校核計算。了6 000 r/min時(shí)各缸的氣門(mén)加速度曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)表.凸輪與挺柱MHCN MH G般用接觸面明氣門(mén)最大正負加速度均未超出許可值范圍，而且加的最大接觸應 力來(lái)估算，由于凸輪與挺柱使用不同材.33-Auo Enginer5z技術(shù)聚焦FOCUSEnimn:汽車(chē)工程師2009年10月設計創(chuàng )新料，二者之間允許接觸應力大小不一樣，因此必須選4結論擇恰當的配對材質(zhì)、熱處理和表面處理方式，以及合利用EXCITE Timing Drive及其后處理功能，獲適的挺柱型式，使接觸應力低于許用應力范圍，就可得了十分有價(jià)值的仿真結果,通過(guò)對這些結果的分析，以緩解二者之間的磨損[5]。在設計階段就可以對配氣機構進(jìn)行優(yōu)化設計，充分地在1000 r/min時(shí)，該種結構型式下凸輪與挺柱提高了 設計效率。實(shí)測數據也表明，配氣機構運動(dòng)學(xué)接觸應力情況，如圖9所示。由曲線(xiàn)分析可以得出:.和動(dòng)力學(xué)仿真計算是一種有效、 可靠及準確度高的設進(jìn)氣最大接觸應力為452 MPa,排氣最大接觸應力為計方法， 它為凸輪型線(xiàn)和配氣機構的設計和優(yōu)化奠定465MPa,根據經(jīng)驗，該種結構型式下的最大許用應了良好的基礎，使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機具有更好的外特性，不力推薦值為600MPa。一般來(lái)說(shuō)，如果最大接觸應力僅功率和扭矩得到提升，而且還可以降低配氣機構零不超過(guò)推薦的許用值，那么凸輪與挺柱皆具有良好的部件磨損， 提高發(fā)動(dòng)機性能和使用壽命?？鼓p、抗刮傷和抗點(diǎn)蝕的性能，因此這對摩擦副的參考文獻可靠性較高。[1]楊連生，內燃機設計[M].北京:中國農業(yè)機械出版社，1980.[2]蔣炎坤，劉志恩基于高次多項式的高速汽油機頂置凸輪特性[1].5.0x 108 F氣華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006 (10): 70-73.? 4OXIOKE[3] 呂林，王勇波.車(chē)用發(fā)動(dòng)機配氣機構運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[D]. 武漢3.0x 108理工大學(xué)學(xué)報，2006 (S5): 11-1014.昌2.5x10°2.0x10*[4]尚漢冀.內燃機配氣凸輪機構一-設計與計算[M]. 上海: 復旦大1.5x10x1.0x 10學(xué)出版社，1988.5x 10錦[5]張曉蓉，朱才朝，吳佳蕓， 內燃機配氣機構系統動(dòng)力學(xué)分析[J].重3604503020慶大學(xué)學(xué)報，2008 (3): 294-298.凸輪軸轉角/(°)(收稿日期: 2009-08-05)圖9凸輪與挺柱接觸應力imnm(.上接第20頁(yè))可靠性;經(jīng)數模轉換變?yōu)榫_的模擬量送給執行機構，即電動(dòng)2)采用優(yōu)化算法對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，如:遺機控制器，對驅動(dòng)電機進(jìn)行第1步控制，然后等待第傳算法、 模擬退火算法及粒子群算法等優(yōu)化方法在控2次采樣，進(jìn)行第2步控制，這樣循環(huán)下去，就實(shí)現了制策略的多目標優(yōu)化研究也是其重要研究方向。對被控制對象的模糊控制，完成驅動(dòng)控制的要求?；谀：壿嫷牟呗钥梢员磉_難以精確定量表達[1] 于秀梅，曹珊，李君，等混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略的研究現狀及其的規則，方便地實(shí)現不同影響因素(功率需求、SOC發(fā)展趨勢[D].機械工程學(xué)報，2006(11): 10-14.和電機效率等)的折中，魯棒性好。模糊邏輯控制增[2]陳全世,孫逢春.混合動(dòng)力車(chē)輛基礎[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，加了模糊決策因素和邏輯思維，是比較符合人的思維[3]鄧亞?wèn)|，高海鷗，王仲范，并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)控制策略研究邏輯的控制算法之一，在混合動(dòng)力汽車(chē)能量管理策略[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報，2004 (6): 140-142. .中應用是比較合適的。[4]彭武，張俊智，盧青春.混合動(dòng)力電動(dòng)公共汽車(chē)控制策略的仿真[D].2結語(yǔ)公路交通科技，2003 (2): 148-150.基于混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略研究現狀，未來(lái)研究[5] 楊宏亮，陳全世混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)控制策略研究綜述[D].公應當關(guān)注以下2個(gè)方面。路交通科技2001中國煤化工期: 2009-09-25)1)完善仿真模型，并對系統動(dòng)態(tài)協(xié)調控制進(jìn)行TYHCNMH G”研究，考核控制策略對于系統能量流傳輸的穩定性和- 34-