（机械电子工程专业论文）基于导管间隙的气门偏摆落座特性的仿真系统研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 于两斐 本文建立了气门偏摆落座模型，以此为基础比较了a n s y s w o r k b e n c h 自带 的建模模块d e s i g n m o d e l e r 与p r o e 在建模方面的差异，运用p r o e 绘图软 件完成气门偏摆落座模型的装配体，并对气门在气门导管正常配合落座和偏摆 落座的力学特性进行分析。 基于在静力学a n s y s w o r k b e n c h 与p r o e 间具有无缝联接的特性，文中 将气门偏摆落座装配体模型导入a n s y s w o r k b e n c h 中进行静力学分析，探讨了 不同气门一导管间隙d 、不同气门导管长度厶及气门导管的位置( 气门座圈下 端面至气门导管上端面的间距) 厶对气门头部轴向变形量及气门偏摆落座力的 影响。研究结果表明： 1 ) 当气门偏摆落座时，气门头部变形量和应力值随着气门导管间隙a d 的 增大而增大； 2 ) 若将a d 控制在0 2 m m 范围( 工程实际中可行的间隙范围) 内，气门导 管长度厶= 7 5 m m 时的气门头部轴向变形量，受拉侧表面最大等效，轴向，径向 应力值分别为气门导管长度厶= 5 5 r a m 的增大了1 4 4 倍，3 倍； 3 ) 若将a d 控制在0 2 m m 范围内，气门导管长度l 2 = 6 0 m m 保持不变，气门 导管位置厶= 5 5 m m 时的气门头部轴向变形量，受压侧表面最大等效，轴向，径 向应力值为厶- - 4 5 m m 的1 1 8 倍，2 倍，且气门导管的最佳取值为4 5 m m 。研究 结果能够运用到控制合理的气门一导管间隙及气门导管的选择和安装中。 在动力学方面，论文中计算了气门在凸轮运转一个周期中气门所受的动载 荷，在a w e 环境中进行气门偏摆落座时的瞬态动力学仿真分析，讨论了气门 导管间隙a d 对气门过渡圆弧处表面应力的影响，同时得到气门在一个运动周期 中头部轴向变形量及头部综合应力随时间变化的曲线图。 关键词：气门偏摆落座有限元分析静力学分析瞬态动力学分析 v 武汉理工大学硕十学位论文 a bs t r a c t b a s e do nt h ev a l v e s e c c e n t r i c i t ys i t t i n gm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e d ，t h et h e s i s c o m p a r e s t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n d e s i g n m o d e l e r w h i c hi s s u b j e c t e d t o a n s y s - w o r k b e n c ha n dt h ep r o e t h ep r o eh a sm u c hm o r ea d v a n t a g et h a n d e s i g n m o d e l e ri nd e s i g n i n ga n da s s e m b l i n gt h r e e d i m e n s i o n a lo b j e c t s w i t ht h eh e l p o fp r o e ，t h ee c c e n t r i c i t ys i t t i n gm o d e lc a nb ee a s i l yf i n i s h e d b a s e do nt h ev a l v e s e c c e n t r i c i t ys i r i n g t h e o r e t i c a l a n a l y s i s m o d e lh a sb e e n e a t a b l i s h e d ，t h ep a p e r r e s p e c t i v e l ya n a l y s et h ev a l v e sf o r c ew h e nt h eg a po ft h ev a l v e - g u i d ei sn o r m a la n d w h e nt h ev a l v ei su n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fe c c e n t r i c i t ys i r i n g b e c a u s et h ec h a r a c t e r i s t i c st h a ta n s y s 。w o r k b e n c hh a sas e a m l e s sc o n n e c t i o n w i t hp r o e ，t h ea s s e m b l yo ft h ev a l v e se c c e n t r i c i t ys i t t i n gm o d e li st a k e ni n t o a n s y s w o r k b e n c hf o rs t a t i c a n a l y s i s t h ep a p e ra n a l y s et h e e f f e c to ft h e g a p ( a d ) o f t h ev a l v e g u i d e ，t h el e n g t ho ft h ev a l v eg u i d e 厶a n dt h el o c a t i o no ft h e v a l v eg u i d e 厶( t h eg a pb e t w e e nt h eu n d e rf a c eo ft h ev a l v es e a ta n dt h et o pf a c eo f t h ev a l v e ) o nt h ee c c e n t r i ci m p a c tf o r c eo fv a l v ea n dt h ea m o u n to fa x i a ld e f o r m a t i o n o ft h eh e a dw i t ht h ea n s y s - w o r k b e n c h t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w ： 1 ) t h ed e f o r m a t i o na n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ev a l v eh e a da tt h ee c c e n t r i c i m p a c tf o r c ei n c r e a s ew i t ht h ea d ； 2 ) i ft h ea d 之_ ( 一 一匕 ， 0 2 o 图3 - 3 气门正常工作时的受力示意图 如图3 - 3 所示，摇臂头部端面与气门杆接触端面之间的作用力只可以分解为 沿着气门轴线方向的p 和水平方向的力只。在气门杆与气门导管的。处的作用 力假设为只，a 点到气门杆中心点d 的距离为厶，q 点到d 的距离为厶，由力 平衡原理可以得到如下等式： 鼻厶= 最x 2 ；( 3 4 ) 即只= 只厶l 2 ；( 3 5 ) 厶的长度一定，鼻的长度一定，由( 3 5 ) 式可以知道，与厶之问的关系为反 比关系，也就是厶减小时只增大，厶增大时只减小。d a ( 3 5 ) 式可以知道，当气 门气门导管j 下常配合时，气门属于正常落座时，气门导管的长度与气门杆对气 门导管的侧向作用力成反比。当气门导管减小时，气门杆相对于气门导管的侧向 压力只增大，这样会加剧气门杆与气门导管的配合间隙的增大，从而会导致机油 从间隙渗入到燃烧室中，进而发动机较早地出现烧机油的现象。在气门正常落座 时，气门导管对气f - j + t 有精确的导向作用，但当气门导管配合间隙增大时，气 门便会发生偏摆落座，此时，气门导管便失去了对气门杆的精确导向作用，气门 头部便难以迅速准确地与气门座圈发证正确良好地接触，从而导致密封效果不 好，而且过大的气门导管配合间隙会使气门产生偏摆落座，加快气门气门座之 间的微动磨损。因此在气门正常落座时，气门导管的长度在一定程度上决定了发 动机的使用寿命，适当增大气门导管的长度，可以达到延长气门导管及发动机的 1 6 武汉理t 大学硕十学位论文 使用寿命【2 0 】。 3 2 2 气门偏摆落座时受力分析 如图3 1 所示为气门在偏摆落座时的受力示意图，气门气门导管间隙为a d ， 查阅有关资料可以知道，气门气门导管正常配合的间隙a d 为0 0 2 0 1 m m l 3 0 1 ， 气门导管间隙过大时势必会引起气门的偏摆落座。气门杆在气门导管中作轴向 运动时，由于a d 的影响使气门在弹簧预紧力p 的作用下产生较大的侧向压力。 弹簧预紧力的方向与气门轴线方向存在一个夹角( 即为气门偏摆角度0 【) ，这样 弹簧预紧力可以分解为沿着气门轴向方向的力只和垂直于气门轴线方向的力只， 只力使得气门杆在a 处压向气门导管内孔左侧孔壁。 根据力平衡原理，尸在c 点可分解为只和只两个力，在a 处的作用力假设 为f ，a 点到气门杆中心点d 的距离为厶，c 点到o 点的距离为厶，由此可以得 到下述等式： f x l 51 1 厶；( 3 - 6 ) = p s i n 口；( 3 - 7 ) f = e 厶l 5 = p s i n 口x 厶厶；( 3 8 ) 由( 3 8 ) 式可以看出，p 一定，f 与s i n a l 6 的积成讵比，与厶成反比，这一 原理也正为后面的有限元分析的结果提供了理论的依据。 3 3 有限元方法 有限元法也叫有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，是随着电子计 算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法i 2 1j 。有限元法 最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域 罩，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算 机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。事实上，当划分的区域足够 小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。 理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但 是计算量相应增大。为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个 平衡点。有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简 单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的 应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有 限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力1 2 引。事实上，当划分的区域足 够小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。 武汉理t 大学硕士学位论文 理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但 是计算量相应增大。为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个 平衡点。有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简 单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的 应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有 限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。 有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，认识到这一点以后，从 7 0 年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微 分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。有限元法在工程中最主 要的应用形式是结构的优化，如结构形状的最优化，结构强度的分析，振动的分 析等等。有限元法在超过五十年的发展历史中，解决了大量的工程实际问题，创 造了巨大的经济效益1 2 引。 有限元分析的这种分析的特点特别适用于形状变化差异较大的零件进行应 力应变分布规律的研究，本文就是运用a n s y sw o r k b e n c h 对气门偏摆落座时的应 力应变场进行仿真分析研究。 3 4a n s y sw o r k b e n c h 基础 3 4 1a n s y sw o r k b e n c h 概述 随着计算机辅助工程( c a e ) 技术在工业应用领域中的广度和深度的不断发 展，它在提高产品设计质量，缩短周期，节约成本方面发挥了越来越重要的作用。 计算机辅助工程( c a e ) 分析的对象已由单一的零件分析拓展到系统级的装配体， 如飞机，汽车等整机的仿真。同时，其分析的领域已不再仅仅局限于机构力学， 已涉及流体力学，热力学，电磁学，多场耦合等更加丰富的物理空i n j l 2 5 1 。a n s y s w o r k b e n c he n v i r o n m e n t ( a w e ) 作为新一代多物理场协同c a e 仿真环境，它是新 一代的a n s y s 分析环境和应用平台，它提供了统一的开发和管理c a e 信息的工作 环境，提供高级功能的易用性。其独特的产品构架和众多支撑性产品模块为产品 整机，多场耦合分析提供了非常优秀的系统级解决方案。它包含3 个主要模块： 几何建模模块( d e s i g n m o d e l e r ) ，有限元分析模块( d e s i g n s i m u l a t i o n ) 和优 化设计模块( d e s i g n x p l o r e r ) 将设计，仿真，优化集成于一体，可便设计人员 随时进入不同功能模块之间双向参数互动调节，使与仿真相关的人，部门，技术 及数据在统一环境中协同工作。w o r k b e n c h 作为a n s y s 的新一代多物理场协同c a e 仿真环境，其独特的产品架构和众多的支撑性产品模块为各种类型研发机构的复 杂c a e 应用提供了非常优秀的协同环境，主要体现在两个方面：一是对各种c a e 武汉理工人学硕士学位论文 应用技术的协同：二是对c a e