配气机构动力学仿真与试验研究

符兴胜（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

配气机构动力学仿真与试验研究

符兴胜
（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

通过理论计算和试验进行了柴油机配气机构动力学特性研究。基于多体系统动力学理论，对配气系统动态特性进行了仿真计算，同时构建了配气机构动态测试系统，进行了参数同步测量试验。结果表明，仿真模拟与试验测量的气门运动曲线变化规律基本吻合，测试结果与模拟计算结果具有一致性，确认了模拟计算的有效性。

配气机构动力学仿真试验

1　　前言

配气机构作为内燃机的两大机构之一，其精确性、可靠性都必须得以保证，并随着柴油机强化趋势越来越受到重视。配气机构的主要功能是实现发动机的换气过程，根据气缸的工作次序，定时开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排出废气。其运动特性影响着内燃机的换气效果、振动、噪声及可靠性。因此，现代设计对配气机构的动力学响应、动态配气正时等相关特性有严格要求。利用虚拟仿真计算技术进行配气机构辅助设计是现代发动机设计的重要手段，基于多体系统动力学模型分析配气机构的动态响应，能更加细化和精确地反映其真实运动特性，现已成为进行配气机构设计优化的基础［1］。但为了验证模拟计算结果和获取更多实际信息，还需要进行配气机构运动特性的精确测量。以往试验多采用间接测量法，即只测量气门单一参数，如气门加速度，再通过对加速度进行积分运算，以获取配气机构的速度和升程曲线，因此，加速度的测量误差将直接影响速度和升程的准确性。

本研究以某柴油机配气机构为研究对象，以多体动力学为理论基础。建立配气机构多体系统耦合动力学模型，进行柴油机配气机构运动特性仿真计算，得到整个系统协调运作下的运动规律和动力学特性。构建了一套配气机构动态测试系统，进行气门运动的多参数同步直接测量，从而获得数值计算难以准确得到的信息，能更准确地验证模型结果，为配气机构的优化设计提供依据［2］。

2　　配气机构动力学仿真

该发动机配气机构采用凸轮轴在机体侧面的布置方式，凸轮轴由齿轮驱动；每缸四气门，两进气、两排气成菱形布置，凸轮通过挺柱、推杆、摇臂、气门桥连续传递后驱动气门。气门组合部分，气门采用三槽锁夹抱紧，外侧固定在气门弹簧上座内表面锥孔上，气门弹簧采用单弹簧结构，气门油封带有底座同时承担弹簧下座的功能。配气机构的基本特征如表1所示，结构简图如图1所示。

表1　　发动机配气机构基本参数

图1　　配气机构示意图

2.1仿真模型建立

根据该柴油机配气机构的结构和零部件布置关系，在AVL Excite.TD中建立发动机单个气缸的配气机构计算模型，包括发动机的进、排气部分的运动学模型和动力学模型［3］。

图2所示为进气部分的运动学模型。从图2可知，配气机构进气系统动力学模型由12个单元组成，其中包括：凸轮单元（1）、凸轮与挺柱间润滑接触单元（8）、挺柱单元（2）、推杆单元（3）、摇臂单元（4）、气门桥（16）、弹簧上座和锁夹（5/13）、气门弹簧单元（7/15）、凸轮轴相位单元（9）、气门单元（6/14），另外，还包括气门杆身下端及气门座（7）、凸轮轴带轮单元（10）、凸轮轴支承单元（12）和凸轮旋转激励单元（11）。同理，排气系统动力学模型也包括12个单元组，只是个别单元参数不同。

配气机构动力学计算模型中参数的设置完全按照发动机实际参数确定，如此才能确保计算结果准确、真实。其计算模型的参数主要包括：结构参数、边界条件、单元的刚度、质量及阻尼等。结构参数通过配气机构图纸获取；边界条件（如发动机最大转速、缸内压力、气门背面的排气道压力等）通过发动机的特性获得。单元的刚度、质量等参数，可以通过实测方法获得，也可以通过零部件的三维有限元计算获得；而阻尼一般根据经验，利用AVL Excite.TD软件参数推荐值来进行选取［4］。

图2　　进气系统动力学计算模型

2.2动力学仿真结果

利用动力学模型对柴油机配气机构进行计算，从而获取发动机配气机构的动力学计算结果。分别从气门的升程、气门的速度、气门的加速度、气门座圈受力、凸轮与挺柱接触应力、弹簧升程以及弹簧力等方面，对配气机构动力学性能进行分析。

图3～图5所示分别为计算得到的气门动力学升程、速度以及加速度。从图中可以得到，气门开启和关闭良好；气门落座时速度波动较大，特别是排气门速度波动更大，而进气门最大速度为2.24 m/s，排气门最大速度为3.35 m/s；气门加速度在气门刚开启时波动较大。

3　　配气机构运动特性试验

3.1试验台架的组成

配气机构试验台主要包括以下几大系统，配气机构的测试系统、动力设备系统、辅助和控制系统、传感器和数据采集系统，如图6所示。

配气机构测试系统：试验测试用的本体以某发动机为基础，去除连杆、活塞、进排气管路、燃油系统等与配气机构不相关的零部件，保留配气机构、缸体、缸盖、油底壳、传动齿轮等零部件。曲轴采用等粗的直轴代替，直轴上加工出润滑油油孔，以保证发动机能够正常运转。将发动机上与配气机构有关的润滑油道、冷却水流道保留，其余做堵塞或短路处理，保证在试验过程中配气机构的润滑、冷却等状态与发动机实际运行过程中保持一致。

动力设备：动力系统采用变频电机，电机的转速控制精度为±1 r/min。通过设定变频器的输出频率可控制电机的转速，从而达到控制配气凸轮轴的转速的目的。动力设备通过连接盘与发动机曲轴（直轴）后端的飞轮直接连接，如图7所示。

图3　进、排气门升程　

图4　　进、排气门速度

图6　　配气机构测试台架的组成

辅助和控制系统：主要作用是控制和调节必要的润滑和冷却条件，以保证测试对象能够正常运行。主要由润滑系统和冷却系统及其相应的控制装置、以及相关的连接管路组成。润滑系统用以模拟发动机正常工作条件下的润滑状态，控制润滑油的流量、温度、压力等状态。控制系统通过变频器控制供油电机的转速，以控制润滑油的流量，控制精度为±10 mL/min；通过控制供油阀门的开度来控制润滑油的压力，控制精度为±0.5 kPa；通过控制加热器和冷却器来控制润滑油的温度，控制精度为±1℃。冷却系统则通过控制循环水的流量、温度、压力来控制配气机构的工作温度，其原理与润滑系统类似。循环水的流量控制精度为±20 mL/min，压力控制精度为±1 kPa，温度控制精度为±2℃。连接管路的主要作用是将机油与冷却液连接到试验本体［5］。

传感器和数据采集系统：数据采集系统用来采集、记录和显示被试配气机构的各种运行参数，参数包括，直轴转角、直轴转速、气门位移、气门速度、气门加速度、油温、水温等。各传感器以及采集系统组成如表1所示。

测试系统采用旋转编码器测量曲轴转速及转角，加速度传感器测量气门轴向加速度，激光位移传感器测量气门升程，应变仪测量动态载荷。

应变测量方法是把应变片粘贴在被测件的测点上，当被测件受到外力作用时，测点产生的变形传递给应变片的敏感栅，从而引起应变片电阻的变化。这样既可把压力、载荷、位移等物理参数转换为与之成比例的电参数。通过惠斯登电桥测出电阻值的变化。就可换算出相应的应变量。应变仪的作用是为电桥提供电压，并通过输入差分放大电路放大电压信号。

图7　台架安装示意图

表1　传感器和测试设备

测试系统选用江苏联能YE38l7C型应变放大仪，具有低噪声、低漂移、高输入阻抗、高共模抑制比、高线性度等优良特性。

测试系统选用USB 6356型多功能数据采集（DAQ）设备，该卡凭借NI.STC3定时和同步技术，能实现USB上高性能的NI信号读写。DAQ所提供的高级定时特性包括：独立的模拟和数字定时引擎、可重触发的测量任务、4个具有更多功能的计数器/定时器。NI信号读写技术通过基于消息的传输和设备智能来确保USB上的高速双向数据传输。用户可同时在两个方向上传输模拟、数字和计数器数据，可以获得最高达32 MB/s的持续处理能力。本系统中主要用到采集卡的模拟输入和模拟输出部门功能

3.2试验结果以及分析

本文通过该配气机构测试系统，从曲轴转速700 r/min至2 400 r/min对该柴油机配气机构气门升程、速度、加速度进行了测试。

图8～图10是在柴油机转速为2 200 r/min的

图8　　气门升程模拟结果与实测结果对比

图9　　气门速度模拟结果与实测结果对比

［1］李林林.客车发动机进气系统的设计.柴油机设计与制造，2015（1）.

［2］那大功.某款客车用柴油机低压燃油管路试验分析.柴油机设计与制造，2015（1）.条件下，气门升程、速度以及加速度的模拟计算结果与试验结果对比。

从图中可以看出，气门升程和速度曲线吻合度比较高，气门加速度由于发动机自身的震动造成测试结果波动较为严重，计算结果与实测结果二者总体趋势上一致，但具体数值上存在一些差异。综上所述，试验结果表明实测结果与理论分析结果一致。

图10　　气门加速度模拟结果与实测结果对比

4　　结束语

本研究利用AVL Excite.TD软件对柴油机的配气机构进行了动力学仿真计算，分析了配气机构运动学特性，并通过试验测试的方法进行了对比验证，结果表明，仿真模拟与试验测量的气门运动曲线变化规律基本吻合，测试结果与模拟计算结果具有一致性，确认了模拟计算结果的准确性和有效性。

［1］尚汉冀.内燃机配气凸轮机构设计与计算［M］.上海：复旦大学出版社，1998.

［2］张晓蓉，朱才朝，昊佳芸.内燃机配气机构系统动力学分析［J］.重庆大学学报，2008，31（3）：294-298.

［3］AVL.AVL Excite TD Users Guide.2004.

［4］符兴胜.某型柴油机挺柱改进及配气机构优化仿真［J］.柴油机设计与制造，2013，19（3）：23-28.

［5］刘忠民，俞小莉，谭建松等.配气机构综合试验系统的开发与研制［J］.内燃机工程，2005，26（1）：28-31.

The Valve Train Dynamics Simulation and Experiment Research

Fu Xingsheng
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，Shanghai 200438，China）

Study on the dynamic characteristics of the diesel engine valve train through simulation and experiments.Based on multi-mass system dynamics theory，the dynamic characteristics of the valve train were simulated，and the dynamic testing system of the valve system was constructed.The results show that the test results are in agreement with the simulation results，and the validity of the simulation is confirmed.

valve train，dynamics，simulation，experiment

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.002

来稿日期：2015-10-23

符兴胜（1981-），男，工程师，主要研究方向为发动机结构设计。