某发动机配气机构动力学分析

张辰，许涛，刘芯娟，胡宏德

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)

某发动机配气机构动力学分析

张辰，许涛，刘芯娟，胡宏德

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)

采用分析软件TYCON对某型发动机配气机构进行动力学分析，对配气机构的凸轮-挺柱接触应力、气门落座特性等进行研究。结果表明：该配气机构的最大接触应力均小于许用限值，接触力正常；气门落座平稳，冲击力较小，气门无反跳。

配气机构；接触应力；落座特性

0 引言

配气机构是发动机的重要组成部分，其作用是按照发动机的工作顺序和工作要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸、废气排出气缸。配气机构设计的好坏直接影响着发动机的动力性、经济性、排放以及工作的可靠性，尤其是在高速情况下，要保证其在较恶劣的条件下仍能平稳可靠地工作。

由于实际配气机构是一个弹性系统，工作时机构的弹性变形会使位于传动链末端的气门运动产生畸变，并增大整个机构各零部件之间的相互作用力，因此必须进行配气机构动力学计算，查看是否有从动件飞脱、气门反跳等不良现象。文中利用AVL TYCON分析软件对某型发动机配气机构的动态特性进行仿真分析。

1 搭建计算模型

1.1 分析模型

该发动机配气机构是四气门结构，双顶置凸轮轴，主要由凸轮轴、挺柱、顶杆、摇臂、气门、气门座圈以及气门弹簧等零部件组成。根据配气机构实体结构及零部件布置情况，在TYCON中建立全阀系计算模型。在计算中，进气和排气单独计算，未引入正时传动模型。进气和排气全阀系模型如图1所示。

1.2 参数设置

摇臂刚度输入通过有限元计算得到，参数和结果如表1所示。

表1 摇臂参数

凸轮轴参数如表2所示。

表2 凸轮轴参数

1.3 计算边界和载荷

气缸压力施加在排气门上的力如图2所示。

2 计算结果与分析

2.1 气门升程曲线分析

图3、图4所示分别为进、排气门的气门升程曲线。可以看出：进气门最大升程为8.96 mm，而排气门最大升程为8.46 mm。无论是进气门升程曲线还是排气门升程曲线，曲线均光滑连续，说明配气机构运行平稳，未出现不连续的情况，表示气门无飞脱现象。且气门升程曲线在闭合处无波动，说明气门不存在反跳现象。

2.2 气门落座特性分析

气门落座时将会对气门座产生冲击，如果冲击力过大，将会导致两者之间的密封锥面被破坏，进而导致密封性能下降，最终使得发动机性能下降。此外，这种冲击也是配气机构机械噪声的主要噪声源。因此，有必要对气门的落座性能进行分析。一般考查的是气门落座速度，根据评价标准要求气门落座速度小于1 m/s。

图5、图6分别是进、排气门落座的特性曲线图，图中包括气门升程、气门落座速度以及气门落座力3条曲线。

可以看到：进气门在曲轴转角1 355.5°时落座，落座速度为0.22 m/s，而排气门则在曲轴转角1 633.3°时落座，其落座速度为0.23 m/s，均小于1 m/s的限值，说明气门落座平稳，冲击力较小，气门无反跳现象。

2.3 凸轮-挺柱接触应力分析

在阀系中，凸轮与挺柱的接触应力是最重要的摩擦源之一，是阀系疲劳失效的主要形式。二者的接触应力过大，容易引起发生过早磨损、刮伤、点蚀甚至碎裂等故障，因此在设计阶段必须对凸轮-挺柱的接触应力进行校核。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，使最大接触应力低于许用应力范围，该机型接触面的许用应力为1 200～1 300 MPa。

图7、图8分别是6 000 r/min时，进、排气凸轮接触应力曲线图，可以看到：进气凸轮最大接触应力为824.72 MPa，而排气凸轮最大接触应力为1 022.24 MPa，均小于1 200～1 300 MPa的许用限值，接触力正常，满足要求，未发现飞脱现象。

3 结束语

基于分析软件TYCON，建立了发动机的全阀系模型，进行了动力学计算，得到了相应的气门升程曲线、气门落座特性曲线、接触力曲线等。通过这些结果，有助于研究配气机构的动力学特性，能够了解各零部件的真实运动情况、所受载荷变化规律以及预测飞脱等不正常工况，为配气机构的优化设计提供理论参考。将仿真技术应用于发动机配气机构的开发过程中，不仅可以提高产品设计质量，还有利于缩短研发周期、降低开发成本。

【1】陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,2003.

【2】刘朋,周海.发动机配气机构系统动力学研究[J].中国科技纵横，2015(22):40-41.

【3】陈阳,姜学涛,刘建.配气机构动力学仿真分析[J].科技风，2011(1):187.

【4】林平.发动机配气机构的动力学模型及计算分析[J].重庆理工大学学报:自然科学版,2010,24(8):17-20.

Dynamic Analysis on Valve Train of a Certain EngineL

ZHANG Chen, XU Tao, LIU Xinjuan, HU Hongde
(Research & Development Canter,Anhui Jianghuai Automobile Co,.Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

TYCON software was used to make a dynamic analysis on valve train of a certain engine. Cam-follower contact stress and valve closing characteristics were studied. The results show that maximum contact stress is less than allowable stress and cam-follower contact force meets requirement, valve seat impact force is at a low level and valve bounce is not found.

Valve train; Contact stress; Valve closing characteristics

2016-04-13

张辰(1990—),女，本科，助理工程师，研究方向为发动机设计。E-mail:chen20122228@163.com。

U464.134

A

1674-1986(2016)06-050-03