双顶置凸轮轴配气机构计算及优化

白军爱 王旭兰 王红丽 郝勇刚 李元石

摘要： 应用Excite_TD软件，对某发动机配气机构進行运动学和动力学分析，保证气门良好、准确、平稳的运动规律下，重新设计了凸轮型线，优化后的凸轮型线，经过发动机试验验证，具有良好的运动学和动力学特性。

Abstract： With the application of Excite TD software， the kinematics and dynamics analysis of the valve mechanism of an engine was carried out. Under the condition that the valve was good， accurate and flat floor motion law， the CAM profile was redesigned. The optimized CAM profile was verified by engine test to have good kinematics and dynamics characteristics.

关键词： 配气机构;凸轮型线;运动学;动力学

Key words： valve mechanism;CAM profile;kinematics;dynamics

中图分类号：S219.031                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0003-02

0  引言

配气机构作为内燃机三大结构之一，它的主要功能是实现发动机换气过程，根据发动机气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸排除废气和吸进新鲜空气。现代柴油机设计中，配气机构设计占有重要地位，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，常常与配气机构的设计是否合理有密切关系。配气机构设计中，由于柴油机总体布置的需要和限制，配气机构零件的设计有一定限制，唯独配气凸轮型线的设计比较灵活，因此配气机构凸轮型线的设计成为研究的重点。

1  问题提出

本文研究对象为一台小缸径高速涡轮增压中冷三缸柴油机，该发动机机型为双顶置凸轮轴配气机构，在整机台架试验测试中，该发动机出现排气温度高，结构件在高热负荷冲击下可靠性下降严重引起发动机失效，针对这一问题，开展配气机构凸轮型线优化。配气机构主要参数见表1。

2  配气机构模型建立

与带有挺柱、推杆的下置配气机构相比，摇臂式顶置凸轮配气机构的传动具有以下特点：凸轮表面与摇臂滚轮面、摇臂头部与气门杆部端面之间，既存在着滚动，又存在着滑动，接触点在不断改变，因此摇臂比是不断变化的。摇臂比的变化较大，在数学计算中不能按定值处理;凸轮轴、摇臂和气门的位置关系对气门升程运动规律有重要影响;凸轮升程及其一阶导数共同影响气门理论运动规律。上述特点决定了计算顶置凸轮气门理论运动规律的复杂性。该机型配气机构由凸轮轴驱动摇臂，从而控制气门的运动。该配气机构主要包括凸轮轴、液压挺柱、摇臂、气门弹簧以及气门，该发动机为四气门，其机构布置如图1所示。

根据该机型的机构形式，以及各零件的装配关系，建立单阀系的配气系统的运动学及动力学模型，其配气机构运动学模型由以下模块组成：凸轮轴单元，接触单元，液压挺柱单元，气门弹簧单元，气门单元，运动学及动力学模型如图2、图3所示。

配气机构运动学计算模型需要设置的参数包括结构参数及边界条件等。根据实际零件获得结构参数，使用有限元软件计算零部件的刚度，使用Creo软件计算零部件质量。按照Excite_TD软件要求将各个模块的质量和刚度转化到当量质量，边界条件根据实际情况进行选取。

3  结果对比

若发动机在额定转速下满足运动学和动力学性能要求，则可保证其在中低转速下也能满足运动学和动力学要求，故本研究以额定转速（4000r/min）进行分析。发动机运动学计算结果见表2。

由表2计算结果可知，样机型线的开启侧包角较小，而排气延续角一般取250-270°（CA），此型线的工作包角在170°（CA），因凸轮型线工作包角过小，不利于换气造成气缸排气温度高。

样机关闭侧丰满系数较小，不利于废气排出，样机的最大跃度超过限定值1000，这是会导致发动机出现排气温度高，运动件之间受力过大而使寿命下降。样机凸轮型线的运动学结果也解释了样机试验出现排温高的试验现象。在满足发动机性能的前提下，对凸轮型线进行优化，从表2可以看出优化型线满足运动学要求，对此型线进行动力学计算，由图4可以看出型线的气门落座速度在额定转速下为0.23m/s，气门落座速度应小于0.5m/s，此型线符合动力学的要求。采用优化型线的凸轮轴进行整机台架试验，经过试验对比，新的凸轮型线对排气温度降低起到了很好的效果。试验结果如图5所示。

4  结论

①利用Excite_Td软件对某小缸径高速涡轮增压中冷三缸柴油机的凸轮型线进行了运动学和动力学分析，主要优化了凸轮包角，丰满度及跃度。优化后的型线在运动学上有较大改善，且符合动力学要求。②优化后的型线经过试验验证，降低了排气温度，动力性有不同程度的提高，为小缸径柴油机性能改进提供了方向。

参考文献：

[1]柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册（中册）[M].北京：中国农业机械出版社，1984.

[2]周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学[M].三版.北京：机械工业出版社，2011.

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