打开文本图片集

摘要：配气机构是柴油机重要的运动机构，其性能直接影响柴油机的动力性、经济性和耐久性，因此对配气机构动力学性能的分析具有重要的研究价值。论文建立了配气机构多刚体动力学模型和多柔体动力学模型，研究了不同工作转速、不同气门弹簧刚度和气体爆发压力对配气机构多刚体模型和多柔体模型动力学性能的影响，研究发现在某些工况下产生气门飞脱和构件反跳等现象，气门弹簧刚度对配气机构各个构件之间接触力影响比较大，但是对气门落座速度几乎没有影响。研究结果为配气机构的优化和自主开发提供了可靠的依据。

Abstract： Valve train is important mechanism in diesel engine. The performance of the valve train affects the economic， power， and wear performance of the engine. So the dynamic analysis of the valve train have great practical value. This study complete the multi rigid body dynamics model of valve train and multi flexible body dynamics model. Research the influence of different working speed， different valve spring stiffness and the cylinder gas pressure on the dynamic performance of multi rigid body model and the multi flexible body. The study found produce flying off valve and member rebound in certain conditions. Valve spring stiffness on the impact of the contact force between the various member Valve is relatively large， but almost no effect on the valve seating velocity. The results of this study provides a reliable basis for the optimization and independent development of valve-train.

关键词：配气机构；动力学性能；影响因素；气门弹簧刚度；爆发压力

Key words： valve train；dynamic performance；influence factors；valve spring stiffness；cylinder gas pressure

中图分类号：TK423 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）36-0164-03

0 引言

配气机构是内燃机的重要组成部分。四冲程的内燃机都采用气门式配气构机构。配气机构的设计又在很大程度上影响内燃机的动力性与可靠性，因此，配气机构设计的好坏对内燃机工作性能影响很大。高速内燃机配气机构的设计常有一些难关需要攻克，并且影响着配气机构动力学性能，如高速运转时气门运动规律失真、飞脱和反跳，气门弹簧颤振和凸轮—挺柱擦伤等，研究这些因素对于提高配气机构动力学性能有重要意义。

1 不同的转速对多刚体动力学模型仿真分析的影响

当凸轮轴转速过高时，会造成配气机构零部件的损坏和振动加剧。且随着凸轮轴转速的增大，零部件之间的接触力也会产生比较大的变化，因此研究不同的转速下配气机构动力学性能有很重要的意义。

1.1 气门的运动规律分析。通过ADAMS对多刚体模型进行动力学仿真分析，我们可以看出，在凸轮轴转速为800r/min、1600r/min、1800r/min时，气门在开启时相对平稳，加速度比较大，这样有利于气门可以快速的开启；气门在落座时的加速度很小，有利于减小对气门座圈的冲击和损害。而转速达到2000r/min时，气门产生了反跳现象。

1.2 凸轮与挺柱之间的接触力及应力。随着凸轮轴转速的不断增大，排气凸轮与挺柱之间的接触力以及应力曲线波动变得越来越显著。当凸轮轴转速达到1800r/min时，凸轮与挺柱之间的接触力以及应力在某一角度变成了零值，说明此刻排气凸轮与挺柱之间产生了轻微飞脱的现象。而当凸轮轴转速在2000r/min时，排气凸轮与挺柱之间产生了严重飞脱现象，配气机构已经不能进行正常工作了。

1.3 摇臂与气门之间接触力。随着凸轮轴转速的不断增大，排气凸轮与挺柱之间的接触力以及应力曲线波动变得越来越显著。与凸轮与挺柱之间接触的情况不同，当凸轮轴转速达到1800r/min时，摇臂与气门之间并没有产生飞脱现象。而当凸轮轴转速在2000r/min时，摇臂与气门之间接触情况发生了严重破坏。

1.4 气门与气门座之间的落座力。凸轮轴在各种转速的情况下，气门与气门座圈的碰撞力都产生了振动现象。在凸轮轴转速为n=800r/min时，因为气门弹簧预紧力和气门落座力相互抵消了，所以落座力振幅变化不是很明显；随着凸轮轴转速的增大，此时的碰撞力增加比较显著，振幅变化也更加剧烈，而当凸轮轴转速在2000r/min时气门落座时产生了比较大的峰值，表明当气门与气门座圈的碰撞力达到某一定值后，气门会产生反跳现象。

从上述分析结果我们可以看到，对于排气配气机构多刚体模型而言，本章所选取的4个凸轮轴转速中，只是在前3个凸轮轴转速下配气机构可以正常的工作。为了我们可以方便看到不同的凸轮轴转速下排气配气机构动力学性能变化的规律，其中具体的最大数值见表1，不同转速下变化的规律见图1。

2 不同的转速对多柔体动力学模型仿真分析的影响

为了与多刚体模型进行比较，仍然选取排气机构在凸轮轴转速分别为800r/min、1600r/min、1800r/min和2000r/min时配气机构的动力学性能曲线。

2.1 气门的运动规律分析 与配气机构多刚体模型相比较，配气机构在前三个凸轮轴转速下多柔体模型气门的位移、速度、加速度曲线并没有很大的改变。而当凸轮轴转速在2000r/min时，在多柔体动力学模型中气门没有产生较为明显的气门反跳现象。

2.2 凸轮与挺柱之间的接触力及应力 多柔体模型通过动力学仿真分析，与多刚体模型在不同凸轮轴转速下凸轮与挺柱之间的接触力及应力的变化进行了比较。在配气机构多刚体模型中，当凸轮轴转速在2000r/min时，排气凸轮与挺柱之间产生了严重飞脱现象，配气机构已经不能进行正常工作了。与配气机构多刚体模型相比较，多柔体模型的凸轮与挺柱之间的接触力以及应力在某一角度变成了零值，说明此刻排气凸轮与挺柱之间产生了轻微飞脱的现象。但配气机构仍能可以继续工作。

2.3 摇臂与气门之间接触力 多柔体模型通过动力学仿真分析，得到了不同凸轮轴转速下摇臂与气门之间接触力曲线。由曲线可知，随着凸轮轴转速的不断增大，排气摇臂与气门之间的最大接触力变得越来越大。与配气机构多刚体模型相比较，在多柔体动力学模型中当凸轮轴转速在2000r/min时，排气摇臂与气门杆并没有产生飞脱现象。

2.4 气门与气门座之间的落座力 多柔体模型通过动力学仿真分析，得到了不同凸轮轴转速下气门与气门座之间的落座力曲线。由曲线可知，随着配气机构凸轮轴转速的增大，在多柔体动力学模型中气门落座力也越来越大。与配气机构多刚体模型相比较，而当凸轮轴转速在2000r/min时，气门落座时并没有产生较大的峰值，表明气门并没有产生反跳现象。

为了我们可以方便看到不同的凸轮轴转速下排气配气机构动力学性能变化的规律，和多刚体模型一样选取前3个凸轮轴转速下动力学仿真结果。其中具体的最大数值见表2。

由表2可知，通过改变凸轮轴的转速对气门的最大位移基本不变。随着凸轮轴转速的增大，气门的速度、加速度、落座时的速度、各构件之间接触力都呈现变大趋势。

3 气门弹簧刚度对配气机构动力学仿真分析的影响

气门弹簧在配气机构中的作用是消除各个零部件产生的惯性力，可以保证凸轮与从动件在整个运动的过程中一直处于接触的状态。另一个作用是在进、排气门闭合期间，可以有效的使气门与气门座一直接触，保证在此过程中气门起到密封的作用。气门弹簧刚度分别选取20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm、60N/mm。对排气配气机构多刚体动力学模型在凸轮轴额定转速下进行动力学仿真分析，研究不同的气门弹簧刚度对配气机构动力学性能的影响，图2是不同弹簧刚度下动力学性能的对比图。

由图2可知，随着气门弹簧刚度的增大，配气机构中各构件接触力和气门落座力也在增大；但是随着气门弹簧刚度的增大。气门落座速度几乎没有变化，说明改变气门弹簧刚度的大小对气门落座的速度几乎没有显著影响。

4 气体的爆发压力对配气机构动力学仿真分析的影响

在ADAMS/Engine模块中对配气机构施加气体的爆发压力，分别对单进、排气机构的多刚体动力学模型进行仿真分析，凸轮轴在额定转速下，得到了配气机构在施加气体爆发压力前后的动力学特性数值，以相对精确的研究配气机构在施加气体的爆发压力情况下对其动力学性能的影响。如表3。

从表3看出，在施加气体爆发压力前后，配气机构中气门的位移和速度最大值几乎没有变化；凸轮与挺柱之间最大接触应力，摇臂与气门之间最大接触力，气门落座速度等也没有太大的变化；气门与气门座圈之间接触力，尤其是排气门的气门与气门座圈之间接触力变化相对较大。因此，施加燃烧气体爆发压力的前后，对配气机构动力学性能影响不大。施加气体爆发压力对气门落座情况影响很大。

5 结束语

论文在ADAMS建立的配气机构多刚体和多柔体动力学模型的基础上，首先研究了不同凸轮轴转速动力学特性，得到了在某些情况下产生气门飞脱和构件反跳等现象；其次分析了改变气门弹簧刚度对配气机构各个构件之间接触力影响比较大，但是对气门落座速度几乎没有影响。最后考虑配气机构施加气体爆发压力的情况下，各构件动力学性能变化不是太大。但是影响气门的受力情况，为了配气机构与实际的工作环境更加接近，在对配气机构进行动力学仿真需要考虑气体爆发压力。本文针对柴油机配气机构动力学性能影响因素上进行了系统的研究工作，如果能通过对配气机构进行实验去验证仿真结果，将具有更重大的意义，对以后优化设计内燃机有着非常大的意义。

参考文献：

[1]田运峰，郑明军，吴文江.内燃机配气机构多体动力学仿真及分析[J].国防交通工程与技术，2012，5：011.

[2]谭巍，武占华.配气机构动力学模型的特点及研究进展[J].大连海事大学学报，2008，34（13）：46-48.

[3]肖凯.汽油机配气机构与凸轮型线特性研究及仿真优化设计[D].华南理工大学，2013.

[4]王琪赟.配气机构动力学性能试验系统开发与试验研究[D].浙江大学，2012.

[5]成晓北，倪宏俊，王宇业，等.柴油机配气机构动力学特性的仿真与试验[J].车用发动机，2011，1：019.

[6]冯志华，胡海岩.高速机构动力学研究进展.力学进展[J].2002（5）：196-204.