泛亚C14发动机配气机构单阀系动力学分析

许昌职业技术学院 张加丽 薄关锋

1.引言

配气机构是发动机的重要组成部分。一台发动机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构的设计是否合理有密切关系。特别是在高速情况下，要保证其在较恶劣的条件下仍能平稳可靠的工作。模拟计算和实验研究是内燃机配气机构研究两种重要手段[1]。

2.C14发动机单阀系配气机构（SVT）模型的建立

C14发动机单阀系的建模考虑在升程方向的拉压弯变形（单自由度模型），模型中的所有元件都有一个自由度——即气门升程方向，模型中主要考虑的是旋转惯性力，不考虑重力的影响[2-3]。C14发动机配气机构属于带机械式平面挺柱的顶置凸轮轴气门顶置式配气机构（OHC），其结构示意图如图1所示。

图1 C14配气机构结构示意图

用AVL TYCON软件将其转化成多质量动力学计算模型[4-6]，如图2所示。

图2 C14配气机构TYCON多质量动力学模型

3.C14发动机配气机构动力学计算结果的分析

3.1 C14发动机在转速为6200 rpm和6500rpm下进排气凸轮与挺柱间接触应力的数据分析

C14发动机在6200rpm转速下，进气凸轮与挺柱间最大接触应力为834.541MPa，排气凸轮与挺柱间最大接触应力为702.955MPa，在许用接触应力范围内。C14发动机在6500rpm转速下，进气凸轮与挺柱间最大接触应力为665.961MPa，在许用接触应力范围内；排气凸轮与挺柱间最大接触应力为1238.85MP，超过许用接触应力，接触应力峰值与排气背压的加载有很大关系。

3.2 C14发动机进排气凸轮与挺柱间的飞脱问题的数据分析

由C14发动机进排气凸轮与挺柱间的接触应力，可以看出C14发动机均有明显的飞脱现象，当转速由6200rpm升至6500rpm，凸轮与挺柱间的飞脱问题尤其严重。造成飞脱的原因可能有：

（1）凸轮型线设计过陡，减速过大，导致平面挺柱惯性力加大，使得挺柱的惯性力大于气门弹簧力（FSpring=FPrel+k△l）。可以修改凸轮型线以降低负加速度大小；

（2）阀系刚度不足以抵消零件惯性的影响。车用发动机阀系总刚度Ctotal为：

其中：Ctotal为阀系总刚度，C1，C2…..Cn为阀系各部件刚度。

由于C14发动机气门弹簧在自由长度下的刚度只有18.02N/mm，故导致阀系总刚度偏低，可适当增大气门弹簧的刚度以增加整个阀系刚度或增大弹簧预紧力，凸轮与挺柱间飞脱问题可有大大改善。

（3）由于凸轮与挺柱发生飞脱是因为挺柱的惯性力大于气门弹簧力，故可以适当加大弹簧预紧力，可以改善飞脱现象，但过大的弹簧力会使气门落座力增大，加剧其磨损。

3.3 C14发动机进排气凸轮与挺柱间的润滑效果的数据分析

发动机进排气凸轮与挺柱间的润滑效果的评价主要考察润滑油膜厚度。润滑油膜厚度用来评价凸轮与平面挺柱间的液体动力学润滑条件，凸轮与平面挺柱间的最小润滑油膜厚度可由Dowson’s and Higginson’s公式导出：

其中：平面R——接触点处凸轮的曲率半径，RB——基圆半径，z0——平面挺柱升程（凸轮直接驱动气门升程）。

利用TYCON软件进行了动力学计算与分析，得出的数据：C14发动机在6200rpm下进气凸轮与挺柱间的润滑油膜厚度最小值为39.3088µm>15µm，排气凸轮与挺柱间的润滑油膜厚度最小值为32.2543µm>15µm，润滑效果符合要求。C14发动机在6500rpm下进气凸轮与挺柱间的润滑油膜厚度最小值为17.0131µm>15µm，排气凸轮与挺柱间的润滑油膜厚度最小值为24.705µm>15µm，润滑效果符合要求。

3.4 C14发动机在转速为6200 rpm和6500rpm下进排气阀落座反跳情况、进排气阀面受力和气阀落座力情况的数据分析

由TYCON软件模拟得到的C14发动机在转速为6200rpm和6500rpm下进气阀位移和速度可以看出进排气阀落座时没有明显的反跳现象。进气阀面受力和阀面落座力均在限值范围，而对于C14排气阀，气阀落座力骤然增加是由于排气背压作用于阀面上，大大增加了气门落座力。

3.5 C14发动机在转速为6200 rpm和6500rpm下进排气阀落座速度的数据分析

C14发动机气门落座速度均在1.0m/s范围之内，即使对于排气阀，有背压的加载虽然使得气门速度曲线有较大波动，但排气阀落座速度也＜1.0m/s。

3.6 C14发动机在转速为6200 rpm和6500rpm下进排气门弹簧各有效圈动力特性及弹簧力的数据分析

由TYCON软件模拟得到的C14进排气门弹簧各有效圈的位移以及气门弹簧各圈的几何位置可以判断C14发动机气门弹簧各有效圈在6200rpm和6500rpm转速下均无并圈现象。C14发动机在转速为6200rpm和6500rpm下进排气门弹簧力，其最大值为339.793N（C14发动机在转速为6200rpm下的最大进气门弹簧力），在许用弹簧力范围之内。

3.7 C14发动机丰满系数ζ的分析

由气门升程的丰满系数公式：

可以分别计算出C14发动机进排气气门升程的丰满系数。

或由TYCON软件中Cam Design功能，实现对C14发动机丰满系数ζ的计算。其计算结果为：C14进气门升程丰满系数ζ=0.5829；C14排气门升程丰满系数ζ=0.58128。均大于0.55，气门升程丰满系数符合要求。

4.结束语

以上利用TYCON软件分别分析评价了C14配气机构中凸轮与平面挺柱之间的动力学关系，包括：凸轮与挺柱接触应力、飞脱以及润滑油膜厚度的评价；气阀落座情况包括：气阀落座反跳、气阀落座力和气门阀面受力以及气阀落座速度的评价；气阀弹簧各有效圈动力特性包括：气阀弹簧并圈、共振以及气门弹簧力过大和冲击等。

[1]覃文洁,贺建强,李志辉.基于多体系统动力学的某V型发动机配气机构总成的动态仿真研究[J].北京理工大学学报,2009(10):869-872.

[2]杨晓,郭涛.基于ADAMS的发动机配气机构动力学分析[J].装备制造技术,2010(9):7-9．

[3]刘晓勇,董小瑞.发动机配气机构动力学分析[J].机械工程与自动化,2007(12):50．

[4]景丽萍.汽车发动机配气机构虚拟设计系统的研究[D].山东大学,2006．

[5]徐小明.车用发动机配气机构动力学及其振动特性分析[D].华中科技大学,2007.

[6]冯仁华.发动机配气机构优化改进设计[D].湖南大学,2009．