小型柴油机配气机构动力学分析及优化

白军爱，刘长振，吴 波，张志军，张 洁

（中国北方发动机研究所，天津 300405）

0 引言

柴油机具有动力性强、热效率高等特点。配气机构作为柴油机的重要组成部分，其作用是实现换气过程。柴油机每完成一个工作循环都必须排除废气和充入新鲜空气。合理的配气机构应做到进气充分、排气彻底。配气机构性能的好坏，直接关系到整机的运行情况，对柴油机工作性能有很大影响，决定了柴油机的排放特性。

配气机构设计中，影响性能的因素包括配气正时、凸轮型线、润滑、气门间隙等，而配气机构通过凸轮控制气门的开启、关闭，凸轮型线决定了气门的升程规律。配气凸轮型线丰满系数大，就能确保大的时面值，提升发动机的充气效率，凸轮型线光滑能够保证配气机构的平稳性和可靠性，因此对柴油机凸轮型线的研究十分重要。

1 问题提出

目前柴油机的设计，一方面要求气门以较快的速度开、关，从而达到较好的换气效果以提升柴油机性能；另一方面希望保持加速度和载荷相对较小，减小接触应力，降低振动和噪声，以延长使用寿命。这二者相互矛盾，给配气机构凸轮型线设计带来很大的困难，因此，需要对凸轮型线科学设计。

依据在配气机构中的布置形式，凸轮轴可分为下置式、中置式和上置式3 种。本文以某小型直列四缸发动机下置式配气机构为研究对象，对其工作状况进行计算和分析，针对存在的问题，通过凸轮型线优化改进，降低气门落座速度和凸轮挺柱体接触应力。配气机构主要参数见表1。

表1 柴油机配气机构主要参数

2 建立配气机构模型

柴油机配气机构包含多个不同结构参数的零件，如凸轮、挺柱体、推杆、摇臂、气门、气门弹簧等，这些零件组成柴油机机械系统。

柴油机工作时，配气机构各个零件会产生弹性振动，实际中的配气机构是一个弹性系统。考虑整个机构运行过程中产生的弹性变形和冲击影响，配气机构动力学计算通常采用多自由度计算模型，也可以采用单自由度计算模型。Excit_TD 软件是AVL 公司开发的一款用于发动机配气机构动力学分析与凸轮型线设计的专用软件。

本文所研究的下置式凸轮轴配气机构是通过凸轮轴转动驱动挺柱体、推杆上下移动，推杆传递力到摇臂控制气门运动。该发动机是一款顶置四气门配气机构，其机构布置如图1所示。

图1 配气机构三维模型

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动力学模型，其配气机构动力学模型由以下模块组成：旋转单元、相位单元、径向支撑单元、凸轮单元、接触单元、挺柱单元、推杆单元、摇臂单元、气门弹簧单元、气门单元。

3 参数确定

Excite_TD 中建立动力学计算模型，摇臂根据运动状态可分为变摇臂比和定摇臂比两种形式。在Creo 中建立配气机构各个零件的三维实体模型，从而获得各个零件结构参数、质量参数和转动惯量。配气机构的系统刚度值一般采用实测的方法得到，也可以根据各构件的不同情况，通过有限元计算获得，本文中各个零件的刚度系数通过有限元软件分析确定。因阻尼系数在一定范围内对计算结果影响不大，可以根据Excit_TD 软件参数推荐值选取各零件的阻尼参数。

将Creo 中建立的各个模型导入有限元软件中，首先对各个构件进行网格划分，然后按照零件实际工作时的连接情况定义不同构件间的约束，施加约束和加载力，得到加载方向的位移，最后求出刚度系数。以摇臂为例，计算结果见图2。按照Excite_TD 软件要求将各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（表2）。

表2 摇臂结构尺寸及参数

图2 摇臂有限元计算结果

4 计算结果

配气凸轮型线是影响配气机构动力学特性的主要因素，凸轮型线决定了气门的运动规律，以达到进气和排气的目的，从而直接影响到配气机构的性能，乃至影响整个发动机的各项工作性能。合理的凸轮型线需要兼顾发动机的性能、振动和变形等要求。

配气机构动力学分析特性参数有：气门与气门座的落座速度，凸轮与从动件之间的接触应力，凸轮与从动件的润滑等。

气门落座时由运动状态变为静止状态，会产生较大的冲击力，而较低的气门落座速度能够确保配气机构工作平稳，振动和噪声较小。

气门落座速度根据气门座材料不同，允许的最大值也不同。根据经验，对于一般钢材料的气门和气门座，气门落座速度应该小于0.5～0.8 m/s。为了提升气门的使用寿命，防止出现剧烈撞击，气门落座时应具有较低的速度和较小的振动，一般气门落座速度不允许超过0.3 m/s。

由于凸轮与挺柱体长时间反复接触，凸轮与挺柱体的磨损是发动机配气机构所有磨损中最为严重的，接触应力的大小影响到配气凸轮与挺柱的磨损，若接触应力过大，将导致两个工作表面磨损严重，从而影响配气机构的可靠性，接触应力应小于所用材料的许用应力，一般平面挺柱体接触应力应小于600～800 MPa。凸轮和挺柱体的接触应力也用来判断是否存在飞脱现象。

原型机的动力学计算结果见图3、图4，气门落座速度为0.876 m/s，超过推荐限值0.8 m/s，挺柱体接触应力在负加速度段未出现为零的情况，所以无飞脱现象的产生，而最大接触应力为833.8 MPa，超过了钢与钢的许用接触应力800 MPa。

图3 气门落座速度

图4 挺柱体接触应力

根据原柴油机的结构及性能参数，利用Excite_TD 软件凸轮设计优化功能，在保证充气性能的同时，采用气门分段加速度函数和梯形函数对凸轮型线进行优化。通过调整凸轮上升侧和凸轮桃尖的包角来降低凸轮与挺柱体间的接触应力，定义缓冲段得高度和末端速度来降低气门落座速度。

对调整后的凸轮型线进行分析，改进后气门落座速度为0.113 m/s，满足不超过0.3 m/s 的推荐值，可以保证落座平稳，气门与气门座之间没有出现剧烈撞击；挺柱体接触应力为537.7 MPa，未超过最低使用限值600 MPa（图5、图6）。

图5 气门落座速度

图6 挺柱体接触应力

5 结论

（1）利用Creo 软件建立配气机构各零件的三维实体模型，获得各零件质量及转动惯量，将各零件的三维模型导入有限元软件中，按照各个零件在实际工作时的连接情况定义不同构件间的约束，施加约束和加载力并进行计算，根据变形求取刚度参数，在Excite_TD 中建立配气机构多质量模型，输入刚度系数、阻尼参数、质量，进行动力学计算。

（2）应用Excite_TD 软件建立柴油机配气机构排气侧单阀系动力学计算模型，并进行动力学特性分析，根据计算结果，采用气门分段加速度函数和梯形函数对凸轮型线进行优化改进，改进的型线降低了落座速度，减小了挺柱接触应力，最大值都在允许范围之内，提高配气机构的可靠性和平稳性。