柴油机下置式凸轮配气机构动力学分析

1、(4081前言现代大功率柴油机普遍采用下置凸轮轴式配气机构,配气机构的好坏又对柴油机的性能指标、可靠性及寿命有着很大的影响,其设计是否优良直接影响柴油机的性能指标。通过对配气机构的动态模拟可以知道各零件的真实运动情况和载荷变化规律,可以知道配气机构出现飞脱、气门反跳等不正常现象的条件,判断机构设计是否合理,工作是否安全可靠。因此,进行配气机构动力学分析与研究是一项十分必要的工作。2配气机构数学模型的建立目前配气机构动力分析学数学模型可分为单质量动力学模型与多质量动力学模型。单质量动力学模型由于结构简单,便于计算,因此应用较为广泛;与单质量动力学模型相比,多质量动力学模型在考虑弹性变形的情况下计

2、算出气门的运动规律,可以分析传动链中各零件的真实运动规律以及对整个机构的影响,并能计算出气门内、外弹簧大致振动情况,使模拟值更接近实际情况1。2.1多质量模型建立过程针对柴油机配气机构广泛使用内、外2个气门弹簧的特点,将它们分别简化为几个质量块,并且考虑弹簧的并圈问题后,建立多质量动力学模型如图1所示。下置式凸轮轴配气机构多质量动力学模型是将挺柱、推杆、摇臂、气门、气门弹簧分别用集中质量块描述,根据当量质量换算,换算成动力学模型中的当量质量块M 1,M 10,在各当量质量块之间的连接用当量刚度K 和当量阻尼D 代替2。M 1=M T +13M P +M C(1M 2=13M P(2M 3=M

3、V +M SR +M d +M V A(3式中M V 为气门质量;M SR 为弹簧上座质量;M VA 为换算到气门一侧的摇臂当量质量;M P 为推杆质量;M T 为挺柱质量;M T 为凸轮轴的换算质量;M d 为弹簧上部非有效圈质量;M S 1为内气门弹簧质量;M S 2为外气门弹簧质量。除此之外,在动力学模型计算中还需考虑内气门弹簧刚度P 1,外气门弹簧刚度P 2;凸轮轴刚度K 1,推杆刚度K 2,摇臂刚度K 3;单元内弹簧刚度K 4K 6和K 内,单元内弹簧刚度K 7K 10和K 外;单元内气门弹簧并圈后的柴油机下置式凸轮配气机构动力学分析冯耀南张翼刘小勇(中北大学车辆与动力工程系,山西太

4、原030051摘要针对下置式凸轮配气机构建立多质量动力学分析模型,以MATLAB 软件为平台编制了下置式凸轮轴配气机构动力学分析程序,对6V150柴油机配气机构进行动力学分析,所得计算结果与实际情况比较吻合,为配气机构进一步优化设计奠定了基础。Abstract :A dynamics model based on multi-mass is built for the lower positioned valve train of a diesel engine.MATLAB software is employed to draw up procedures for making dy -n

5、amics analysis of the valve train of 6V150diesel engine.The result shows that calculation matches well with fact,which will lay a foundation for future optimum design.关键词:柴油机配气机构动力学分析Key words:diesel engine,valve train,dynamics analysis柴油机设计与制造Design &Manufacture of Diesel Engine 2008年第4期第15卷(总第

6、125期来稿日期:2008-10-08作者简介:冯耀南(1981-,男,硕士,助教,主要研究方向为内燃机结构强度与动态设计技术。16-图1配气机构多质量动力学模型阶微分方程(组,在通常情况下需采用数值法求解。利用MATLAB6.0软件对配气机构动力学模型编制计算程序,采用龙格-库塔(Runge-Kutta算法求解微分方程(组。在多质量动力学联立方程组中,应进一步考虑气门并圈现象,因此在计算时还需要注意以下几点:1弹簧圈相碰;2消除气门间隙;3气门开始离开气门座;4气门正常升起过程;(409刚度K d1,单元外气门弹簧并圈后的刚度K d2;气门座刚度K Z,内阻尼系数D1D10,D内D外;挺柱与

7、挺柱孔、气门与气门导管间外阻尼系数D T、D S,单元内、外弹簧装配状态的名义间隙U1、U2;气门驱动机构的传动比i,凸轮轴转速n c;气门座在气门弹簧预紧力及燃气作用力下的初变形量,气门弹簧的预紧变形量f。2.2微分方程组的建立对配气机构进行多质量动力学分析,首先需要从动力学模型中抽取出其数学模型,即动力学方程。根据作用在质量块M上的力的平衡关系,可建立气门的运动微分方程式,其基本形式如下34:Mh+Ch+Kh=F(4式中,M集中质量矩阵;C当量阻尼矩阵;K当量刚度矩阵;h集中质量位移矩阵;F合外力向量矩阵。在实际计算中,常以凸轮转角为自变量,则有:d hd t=d hddd t=6n c

8、d hd(5d2hd t2=36n2cd2hd2(6将当量质量以及自变量凸轮转角分别应用于式(4,则整个配气机构的动力学方程组如式(7所示。3微分方程组的约束条件与数值解法配气机构多质量动力学方程(组为非线性二(717-(4105系统出现脱离现象;6气门落座;7气门产生反跳。通过对程序的调试运行,该程序将输出配气机构各部件随凸轮轴转角的位移和速度曲线,以及多质量模型动力学方程特别考虑弹簧并圈现象后的内、外弹簧的位移曲线。4模型实例计算及结果分析4.1模型实例计算以某发电机6V150柴油机为例,进行配气机构动力学计算,输入参数如表1所示,凸轮升程数据文件为tlsc.dat 。4.2结果分析从程序

9、运行结果图2、3可以看到,推杆升程与气门升程匹配良好,气门在开启过程中气门计算曲线略有波动,但波动不大,说明配气机构在实际工作中会出现短暂的振动现象,但幅度不大,这是由于气门开启时加速度较大,气门与气门座圈轻微碰撞而产生。气门落座速度对配气机构来说是一项很重要的参数,它影响到气门及气门锥面的磨损,过高的落座速度会造成气门严重下陷,这是配气机构工作较大造成的。图4可以看出气门的计算速度曲线略微波动,说明配气机构在工作过程中存在振动现象,但气门落座速度较小,对气门座冲击很小。气门加速度曲线决定了机构惯性力的大小及变化情况,因而对整个配气机构受力情况产生决定性的影响。图5可以看出气门加速度曲线光滑连

10、续,从而使配气机构有良好的动力性能。图6、7反映出气门弹簧在工作过程中未发生并圈现象,从而使配气机构有良好的动力性能。由以上计算结果可知,该柴油机配气机构的刚度与阻尼匹配比较合理,在柴油机工作时配气机构工作平稳,冲击和噪声小,没有出现弹簧并圈现象,整个配气机构有良好的动力性能。5结束语本文针对柴油机下置凸轮轴式配气机构建立多表1输入参数表M 1kg 1.39M 2kg 0.098M 3kg 2.48M 4M 6kg 0.038M 7M 10kg 0.068K 1kN/mm 6270K 2kN/mm 440K 3kN/mm 46.7K 4K 6,K 内kN/mm 2K 7K 10,K 外kN/m

11、m 7K Z kN/mm 70K d 1kN/mm 6K d 2kN/mm15i 1.789474f 1mm 10.15f 2mm 9.55D 1Ns/mm 3158.82D 2Ns/mm 222.19D 3Ns/mm 364.14D 4D 6Ns/mm 0.11D 7D 10Ns/mm 0.24u 1mm 11.4u 2mm 7.64n c r/min 11001mm 0.0762mm 0.143图2推杆位移曲线图3气门升程曲线18-质量动力学分析模型,在MATLAB软件平台上通过编写程序进行模拟计算分析,得到了各种参数和特性曲线,如挺柱、推杆、气门升程曲线,气门速度、加速度曲线,在考虑了弹

12、簧并圈的基础上得出了内、外弹簧的位移曲线,对配气机构的性能评价提供了参考,对今后零件的分析与预测打下了基础。参考文献1樊久铭,徐斌,程东明等.配气机构多质量动力学模拟.哈尔滨工业大学学报,1999(2.2褚超美,陈家琪,郭磊.OHC配气机构凸轮-摇臂动态油膜仿真及特性分析.内燃机工程,2005, 26(4.3柴油机设计手册编写委员会.柴油机设计手册(中册.北京:中国农业机械出版社,1984.4赵冬青,苏铁熊,赵振锋等.顶置凸轮轴配气机构运动学和动力学计算.车用发动机,2003(6.图4气门速度曲线图5气门加速度曲线图6内弹簧位移曲线图7外弹簧位移曲线(上接第10页参考文献1宋国民,杨福源,欧阳

13、明高等.基于自适应模糊控制的共轨逐缸平衡算法研究.内燃机学报,2005, 23(5:451-456.2刘原,夏文川,田硕等.用于燃料电池系统控制的快速控制原型ECU的研发.汽车工程,2005,27(1:7-10.3Quan Z Y,John M W,Jim L.Chassis Control Sys-tem Development Using Simulation:Software in the Loop,R apid Prototyping,and Hardware in theLoop.SAE2002-01-15654梁凤标,潘剑锋,李德桃等.高压共轨喷油系统中的电磁阀.江苏大学学报,2006,27(2:133-135. 3Bianchi G M,Pelloni P.O