发动机变压缩比机构设计与关键部件仿真.pdf

2 0 1 3 N o 1 重 型 机 械 6 3 发动机变压缩 比机构设计与关键部件仿真 陈明非 ，刘克铭 ，汪 娜 ( 1 沈 阳北方 交通 重T集团有限公司 ，辽宁沈 阳1 1 0 1 4 2 ； 2 辽宁 程技术大学 机械学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ) 摘要：该文设计了一种可实现发动机压缩比随工况变化而进行自动调节的机构。在发动机冷启 动 、中小负荷时 ，压缩 比为 1 9；发动机 为大负荷 时 ，压缩 比为 l 5 。通过 A N S Y S有 限元 软件 对传动齿 条进行了仿真，得到了不同压缩比、不同工况下的应力、应变云图。对传动齿条进行了结构优化，优 化后 的仿 真结 果表明 ：传 动齿 条的最大应力 出现在 传动齿条 与活塞杆 的接 触部位 ，为 3 2 8 2 MP a ，最 大应变H 现存传动齿条与齿轮齿条的接触位置，为 0 0 1 3 4 2 3 i n n l ；设计的传动齿条满足变压缩比机构 的工作要求 。 关键 词 ：变压缩 比 ；传动齿条 ；有限元仿真 ；应力云图 ；应变云图 中图分类号 ：T K 4 2 文献标识 码 ：A 文章编号 ：1 0 0 l 一1 9 6 X ( 2 0 1 3 )0 1 0 0 6 3 0 5 De s ig n o f v a r ia bl e co mp r e s s io n r a t io me ch a nis m a nd s imul a t io n o f k e y co mpo n e nt s f o r e ng ine CHEN Min g F e i ，L I U Ke Min g ，W ANG Na ( 1 S h e n y a n g No r t h T r a f f i c He a v y I n d u s u y G r o u p C o ，L t d ，S h e n y a n g l 1 0 1 4 2，C h in a ； 2 S ch o o l o f Me ch a n i ca l E n g in e e r i n g ， L ia o n i n g T e ch n i ca l U n i v e r s it y ， F u x i n 1 2 3 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： A k in d o f v a r ia b l e co mp r e s s io n r a t io me ch a n is m o f a g r icu l t u r a l d ie s e l e n g in e w a s d e s ig n e d，w h ich ca n b e a u t o ma t i ca l l y a d j u s t e d w it h t h e ch a n g e o f e n g i n e w o r k in g co n d i t i o n T h e co mp r e s s i o n r a t io is 1 9 u n d e r t h e wo r k i n g co n d it io n o f co l ds t a r t a n d me d i u m s ma l l l o a d，a n d is 1 5 u n d e r t h e wo r k i n g co n d it i o n o f l a r g e l o a dThe s t r e s s a mt s t r a in n e ph o g r a ms u n de r d if f e r e n t co mp r e s s io n r a t io a nd wo r king co n d it io ns we r e o b t a in e d t h r o u g h t h e d r iv e r a ck s imu l a t io n w it h ANS YS fi n it e e l e me n t s o f t w a r e T h e s t r u ct u r e s o f t h e g e a r a n d r a ck we r e o p t imiz e d T h e o p t imiz e d s imu l a t io n r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma x imu m s t r e s s p o in t o f t h e g e a r a n d r a ck is a t t h e co nt a ct po s it io n o f t h e d r iv e r a ck a n d pis t o n r o d，a n d it s v a l u e is 3 28 2 Mpa；t he ma x imu m s t r a in p o in t is a t t h e co n t a ct p o s it io n o f g e a r r a ck a n d d r iv e r a ck，a n d it s v a l u e is 0 0 1 3 4 2 3 mn 1 T h e d e s ig n e d d r iv e r a ck s a t is fi e s t h e wo r king r e q u ir e me n t o f t h e v a r ia b l e co mp r e s s io n r a t io me ch a n is m Ke y wor ds： v a r ia b l e co mp r e s s io n r a t io；dr iv e r a ck；fi nit e e l e me n t s imu l a t io n；s t r e s s ne ph o g r a m；s t r a in n e p h o g r a m 0 前 言 压缩比是指发动机的气缸总容积与燃烧室容 积 的比值 ，是衡量发动机工作性能的重要指标 ， 由发动机的理论循环可知 ，增大压缩 比可以提高 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 91 2 ；修订 日期 ：2 0 1 2一t O一2 5 作者简介 ：陈明非( 1 9 8 2一) ，男 ，吉林 辽源人 ，高级T 程师 硕士 ，主要从事机械设计和研究T作。 发动机的指示热效率 ，改善发动机的动力性 、经 济性及排放性 ，同时提高发动机 的冷启动性能。 但压缩 比过大会增 加发动机 的机械 负荷及 热负 荷 ，降低发动机的工作可靠性及使用寿命 。为了 解决二者之间的矛盾 ，设计 了发动机的一种变压 缩 比机构 。 6 4 审 型 机 械 1 变压缩比机构的结构及工作原理 变压缩 比机构 的结构如 图 1所 示。变压 缩 比机构 的T作原 理 ：存 发动机 冷启 动过程 中， 外接油泵提供的压 力为 2 5 M P a ，油液经进油单 向阀 8进入到控制 活寒上腔 ，控制活 塞 9下 移 至极限位置 ，此时发动机 的压缩 比最大 ，其设 计数值 为 1 9；南于压缩 比的增大 ，发动机压缩 终了 的温 度及 压 力升 高 ，利 于发 动 机 的 冷启 动。当发动机 负荷逐渐增大时 ，气缸 内T质 的 爆发压力增大 ，燃气作用于 活塞 4顶面 的力经 活塞杆 3、传 动齿条 2、齿 轮齿条 1 0 、控制齿 条 1 l 、控 制活 塞 9作崩 于控 制 活塞 上方 的 油 液 ，油液压 力随之升 高。因回油单 向阀 7的开 启压力设计为 2 9 MP a ，巾小负荷T况 ( 压缩 比 为 1 9 ) 情 况 下 ，气 缸 内 的 爆 发 压 力 为 1 1 6 MP a ，控制活塞 上方 的油 液压 力 为 2 3 2 MP a ， 低于 2 9 M P a ，回油单 向阀 7不能开启 ，此 时发 动机的 缩比 1 9保持不变 。随着发动机负荷 南 巾小负荷 向大负荷过渡 的过程 巾，气缸 内的爆 发压力进一步增大 ，控 制活塞上方 的油液压 力 进 步升高 ，当工况变为大负荷时( 此时压缩 比为 l 9 ) ，气缸 内丁质 的爆 发压 力升 高，当大 于 1 4 5 MP a时 ，控制 舌 塞上方 的油液压力高于 同油单 向l i =! J 7的凋定压力 2 9 MP a ，油液通过 回 油单向阀 7流 回油箱 ，控 制活塞上行 至上极 限 位置 ，此时发动机的压缩 比减小至 1 5 。南于大 负荷 、压缩比为 1 5时气缸 内T质的爆发压力 高 于 1 2 5 MP a ，控制活塞上方 的油液压力高于 2 5 MP a ，故外接油泵 的油液不能 进 入控制 活塞上 腔 ，压缩 比保 持为 1 5不变 在压缩 比为 1 5情 况 F，发 动 机 T况 南大负 荷 减小 至 中小 负荷 时 ，当气缸 内T质 的爆 发压 力为 1 0 MP a低 于 1 2 5 MP a ，故控 制 活 塞 方 的 油 液压 力低 于 2 5 MP a ，外接油泵提供 的油液经 进油单 向阀 8 进入到控制活塞上腔 ，在控 制活塞 南上极 限位 置下行至下极 限位置过程 中，发动机 的压缩 比 也南 1 5逐 渐增大 为 1 9 ，此 时气缸 内T 质 的爆 发压力低于 l 1 6 MP a ，控制活塞上方的油液压 力低于 2 9 MP a ，回油 单 向阀 7不 能 开启 ，所 以，r f 1 小负荷 时发动机维持高压缩 比 1 9 。由上 述 可 知 ，该变压 缩 比机 构 可实 现 发 动 机 压 缩 比 随_T7 兄变化的 自动调 节 ，提 高发动机 的冷启动 性能及巾小 负荷 时的动力性 、经济性 ，控 制发 动机在大负荷T况下 的机械负荷 、热负荷 不致 过大 ，提高发动机的_丁作可靠性 。 1滚轮2传动 条3活塞杆4活塞5气缸 6 安全阀7回 油 8进油 9 控制活 塞 1 0 轮 条I l控制 条l 2连杆l 3 曲轴 冈 l 变压缩 比机构的结 构冈 Fi g 1 Tr u e t u r e di a g r a m o f v a r i a bl e e o mpr e s s i o n r a t i 0 i n e cha n s i n 2 变压缩 比机构关键 部件 的有 限元 仿真 传动齿条承受燃气作用于活塞的作用力，以 线接触形式传递给齿轮齿条 ；传动齿条是变压缩 比机构动力传递的关键部件 ，需对其进行力学分 析 。采用 A N S Y S有限元软件对传动齿条进行 建模与仿真 ，得到在不 同一 况下传动齿条的应力 及应变云图。仿真过程 巾选取 6缸 、4冲程 、增 压 、水冷某柴油发动机 ，气缸直径 l 8 0 m n l ，发 动机功率 为 3 8 0 k W，传 动齿条 的材料 为 4 0 C r ， 弹性模量为 2 0 6 E l 1 、泊松 比为 0 2 8 。对不同压 缩