发动机配气机构系统动力学研究

刘朋周海

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳 441053；2.汽车零部件制造装备数字化湖北省协同创新中心，湖北襄阳 441053）

发动机配气机构系统动力学研究

刘朋1，2周海1，2

（1.湖北文理学院机械与汽车工程学院，湖北襄阳 441053；2.汽车零部件制造装备数字化湖北省协同创新中心，湖北襄阳 441053）

配气机构作为内燃机重要的进排气定时机构，对进气量和排气量的调控起着重要作用，而进气和排气性能的好坏直接影响着燃油燃烧性能的好坏，从而对内燃机的动力性、燃油消耗性、尾气排放造成影响。所以如何科学地开发和设计适宜的配气机构是研究的重点之一。一般来说，配气机构系统都要考虑配气定时的适宜性和机构运动的动力学性能。

配气机构 动力学 TYCON

配气机构是发动机中的一个重要组成部分，其工作性能的好坏直接关系到整机的运行状况，虽然配气机构的主要功能是满足发动机进排气量的需求，但其对整机的影响不仅限于此，配气机构的动力学及其零部件可靠性也是要急需关注的问题，在设计中，配气机构的动力学性能和各零部件强度都要符合相关要求。

表1　发动机主要技术参数表

图1　配气机构的动力学模型

图2　气阀升程曲线的对比

图3　气阀速度的对比

1　研究模型概述

本文是以一单缸机凸轮轴下置式、双摇臂四气门、带阀桥配气机构为研究对象，本单缸机的主要参数如表1所示。

本文工作主要集中在运用专业软件TYCON进行配气机构模型的建立和仿真，从动力学角度分析研究配气机构的特性。虽然现今出现了很多配气机构的新技术，像可变配气机构，其可变的范围包括气门正时可变、气门升程可变、气门开启延续时间可变等，一些汽车公司研究的对象也各有侧重点。但在配气机构的研究上，都离不开运动学和动力学的研究，运动学仅仅考虑理想的状况，把零部件都看成刚性体，整个系统没有变形和弹性，忽略系统摩擦和阻尼能量损耗，其分析的结果仅能得到一些基本的位移、速度、加速度和力参数，一般以凸轮型线的正加速度宽度、阀系的自振频率、凸轮与从动件的接触应力、凸轮的曲率半径、弹簧裕度、丰满度、润滑系数等为运动学评价指标，而动力学模型考虑的因素更多，把物体都简化成有集中质量、刚度和相对阻尼的弹性质点，考虑了各零部件的接触和变形，动力学分析的结果可以得到很多更符合实际情况的一些信息，可以考察凸轮从动件的脱离接触、弹簧各有效圈动力特性、阀面落座反跳和冲击等情况。运动学中要输入的参数也较少，工作量小，但动力学中要考虑的因素较多，输入的参数也多，工作量大。对于低速或低载发动机的配气机构，其运动学和动力学分析的结果差异不是很大，气阀升程、速度和加速度曲线的整体趋势相差无几，两者吻合较好，但在高速或重载发动机中，由于必须考虑配气机构系统零部件的相互影响问题，其动力学和运动学分析结果有很大差异。一般情况下，先通过运动学设计出初步符合要求的凸轮型线，再进行动力学分析加以验证和修正，不断的反复调试出最优化的配气机构动力学性能。

图4　气阀加速度的对比

图5　凸轮接触应力的对比

图6　气门落座力曲线

2　配气机构动力学模型分析

本文的排气侧动力学模型如图1所示。

其中动力学模型的模拟设置以两个循环（即凸轮轴转角720°）为其计算长度，步长取为0.5°。为与运动学模型的结果作比较，将其两者分析结果叠加在一张图上显示。

2.1气阀升程的比较

从图2可知，实际气阀的最大升程为26.3355mm，与理论的设计值27.7mm出现了偏差，这说明动力学分析是对气阀升程有影响的，另外，只从气阀升程曲线看，气阀没有出现明显的反跳现象。

2.2气阀速度的比较

从图3可以看到动力学分析的气阀速度曲线出现震荡，而运动学分析没有这一现象，但两者的曲线趋势比较一致。

2.3气阀加速度的比较

从图4可以看到动力学分析的气阀加速度曲线出现很大的震荡，与运动学分析的最大加速度峰值存在较大的差别。

2.4凸轮接触应力的比较

从图5可知，在凸轮的工作段没有飞脱现象的出现。

2.5气门落座力

从图6可知，气门落座时有轻微的落座力突然增大的现象。可知气门出现了反跳。适当增大凸轮下降侧的缓冲段的长度可以避免这种现象。

这里要说明的是，上述运动学和动力学分析采用的都是对称型的凸轮型线，由于配气机构的性能要求对凸轮的上升侧和下降侧是不同的，在实际中往往采用非对称型的凸轮型线，并要根据各种指标的要求和重要程度进行凸轮型线的调整和优化，这需要反复调试和对比，工作量很大。就以凸轮型线的设计为例，缓冲段曲线基本型式有3种，工作段曲线型式有3种，若采用非对称设计，则就有3的4次方81种组合方案，而且每种曲线型式的输入参数也是不定的，至少有2个以上参数需要确定，这样起码有上千条凸轮型线要进行分析和对比，这只能借助于计算机处理了。当然，一些输入参数的常用经验值范围是很重要的，这可以减少优化分析的工作量和盲目性。

3　结语

配气机构的各项动力学指标参数（如气阀的位移，速度，加速度，气门落座力等）均在相应的数量级范围内，故计算的结果具有一定的参考价值。

本文的凸轮型线设计，只考虑了在设计转速下的情况，没有考虑在不同转速下配气机构动力学性能的变化，通过多工况计算，有助于了解动力学结果随转速的变化趋势，从而可以推算出该阀系的适用转速范围，并且可以对超速极限工况进行分析，总之，多工况计算必然可以提供很多的分析结果，可以为凸轮型线的设计指明需要修正的方向。

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刘朋（1987—），男，安徽临泉人，硕士，湖北文理学院机械与汽车工程学院助教，研究方向：动力机械及工程；周海（1993—），男，湖北黄冈人，本科在读，研究方向：汽车服务，载运工具。