发动机凸轮轴优化设计

张敏捷，韩飞

（上海工程技术大学，上海 201620）

1 概述

凸轮轴是发动机的重要部件。凸轮运动规律直接影响发动机的功率指标、排放指标等，起着举足轻重的作用。降低凸轮轴质量对减少发动机排量有积极的作用。随着发动机转速的不断提高，对凸轮轴运动的平稳性、耐磨性、抗扭强度、以及疲劳寿命提出了更高的要求。在满足上述要求的情况下，实现发动机的轻量化、低成本、以及节能环保的目的。

2 配气机构动力学分析

本文选取大众某款发动机为研究对象，配气机构如图 1所示：

图1 配气机构简图

2.1 利用CATIA进行三维建模

首先使用CATIA软件对目标配气机构进行建模，如图2所示：

2.2 运用ADAMS建立凸轮轴动力学分析

本文所研究的配气机构是在凸轮轴转速为 3000r/min时

的动力学分析，已知凸轮轴动力学分析模型参数如表1：

图2 配气机构三维建模图

表1 凸轮轴动力学分析模型参数

转速为 3000 r/min 时，凸轮轴转动5圈，计算分析气门的动力学升程、速度、加速度、凸轮与滚珠摇臂接触力随凸轮轴转角变化情况，计算结果如下图所示，图中位移单位为mm，速度单位为 mm/s，加速度单位为mm/s2，接触力单位为 N。将建立好的配气机构以及参数导入ADAMS软件得到动力学仿真结果如图3所示：

图3 ADAMS动力学仿真结果

从曲线可知，气门运动平稳，气门升程在 8mm左右，与原发动机实际运行结果一致。气门速度曲线连续，无飞脱现象，由于曲线显示5圈的运动状况，加速度曲线变化比较明显，每圈平均最大加速度为4000m/s2，凸轮与摇臂平均最大接触力为900N，符合实际情况。可知建立的动力学模型符合配气机构实际运行状态，能够为下面的瞬态动力学分析提供基础。

3 凸轮轴瞬态动力学分析

瞬态分析可以确定承受任意时间变化载荷结构的动力学响应。凸轮轴转动时，凸轮在不同时间所承受的应力、扭矩等是变化的，为了得到精准的受力状况，需对其进行瞬态动力学分析。凸轮轴受力主要是凸轮在运转过程中的自身的惯性力，燃气压力以及气门弹簧力，为了方便进行瞬态动力学分析，假设受力形式为集中力，规定受力集中部位。

将建立好的凸轮轴模型导入workbench中，并划分表格，添加约束。瞬态动力学结果分析如图4所示：

图4 凸轮轴瞬态动力学分析结果

其中，每一个气缸做功时均有一组数据，这里由于篇幅所限，只取其中的最大值，其结果如表2所示：

表2 凸轮轴瞬态动力学分析结果

查表可知：45号钢屈服强度355Mpa，安全系数为2.5，许用应力 142Mpa。由实际状况可知：满足使用要求，凸轮轴最大挠度不能超过0.5mm。经比较，原凸轮轴满足使用要求。

4 基于最优化算法与工艺要求，完成凸轮轴结构优化

为了扩大轴中心孔，降低凸轮轴质量，通过观察凸轮轴中心孔直径变化时，凸轮轴所受的等效应力与总变形的变化情况，来保证等效应力与总变形在一定范围内，使凸轮轴满足使用功能。凸轮轴的初始参数如表3所示：

表3 原凸轮轴初始参数

系统在15～20之间随机生成9个数，作为内孔直径的大小，进行计算。所得数据拟合曲线如图5所示：

图5 Design Explorer运算数据拟合曲线

由图5可知，随着内孔直径的增大，凸轮轴的最大变形量与最大等效应力均增大。当内孔直径为18.75mm时，凸轮轴最大等效应力为 121.97Mpa，接近许用应力，使得工作不太安全。所以内孔直径应小于18.75mm。当内孔直径为18.125时，凸轮轴最大等效应力为114.95Mpa，满足使用功能。

为了获得更精确的数据，我们以0.02为间隔由小到大对凸轮轴内径进行取值，所得关键数据如图6所示：

图6 凸轮轴内径精确取值运算数据

为方便加工工艺，确定凸轮轴优化后的内孔直径为18mm。

5 检验优化结果

5.1 数据分析

优化后的凸轮轴内径为 18mm。当内径扩大时，整个凸轮轴的质量、变形量和等效应力都会发生变化，其前后对比如表4所示：

表4 凸轮轴优化前后对比

优化后的凸轮轴最大变形量为0.055218，最大等效应力为113.61，均满足使用要求，同时质量减轻156.84g。

5.2 发动机台架实验验证

为了进一步验证凸轮轴的可靠性，我们将凸轮轴安装到发动机内进行台架实验，验证凸轮轴是否可靠，优化结果如何。优化结果如图7所示：

图7 优化后凸轮轴台架实验数据

安装优化后凸轮轴的发动机质量从原来的 113.85g减少到113.69g，同时功率从80kw提高到了84kw，功率质量比从0.702 kW/Kg提高到了0.739kW/Kg。

6 结论

优化后的凸轮轴内径为 18mm。对比原凸轮轴，优化后的凸轮轴内径增大了2mm，在保证凸轮轴正常工作的情况下使凸轮轴减少质量156.84g，减少率为14.26%。通过台架实验表明安装优化后的凸轮轴的发动机质量减轻，功率上升，从而使得发动机的功率质量比有所上升。与此同时，保证了凸轮轴的平稳性、耐磨性、抗扭强度以及其本身的使用性能，从而实现了发动机的轻量化、低成本以及节能环保的目的。

参考文献

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