【《单缸液压气门机构AMESim仿真模型分析案例》5000字】

单缸液压气门机构AMESim仿真模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19885单缸液压气门机构AMESim仿真模型分析案例 1319421.1AMESim仿真软件简介 159671.2仿真模型理论基础 2149511.2.1仿真建模基本假设 2313531.2.2仿真建模基础方程 2312021.3仿真模型的搭建 3188771.1.1仿真模型的组成 323341.1.2仿真模型参数设定 6129471.4仿真模型的验证 9251131.5小结 10仿真软件目前已经成为研究人员的常用工具，能够帮助研究人员在产品成型前预测产品的性能，以便于及时对产品结构进行优化改进。使用仿真软件能够有效减小出现设计缺陷的概率，具有缩短设计周期、减少研发成本等优势。本章对基于某机型柴油机匹配设计的液压气门机构搭建了AMESim仿真模型，通过验证仿真模型的准确性，为下一步研究气门多变运动规律打下基础。1.1AMESim仿真软件简介AMESim软件是一个高级建模和仿真平台，能够进行包括机械力学、热力学、流体力学、电磁与电气等学科在内的多领域复合仿真与优化。它将工程中的零件简化为模型并组建成不同类型的元件库，用户可以在库中选出最适合的元件[61]。AMESim能够使用户在搭建仿真模型的过程中从元件设计出发，使用户摆脱复杂的数学建模过程，将运行环境、结构摩擦、气体和油液的自身特性等复杂的部分考虑进去，灵活地进行系统动力学仿真，同时能够与其他仿真软件联合计算系统的稳态与瞬态特性，使仿真出的产品性能完全满足实际环境的应用要求。目前，该软件已经成功应用于车辆工程、机械设计、航空航天和海洋船舶等学科领域。使用AMESim进行仿真计算时一般要经历四个步骤：搭建草图、选择子模型、设置参数以及运行仿真计算，分别对应该软件中的四个模式。（1）草图模式：根据所研究的仿真对象，选择合适的仿真元件，并参照系统原理将各元件之间按照其传递关系进行连接。（2）子模型模式：每一个仿真元件都包含有当前元件不同类型的子模型，根据仿真对象的性能特点，为每一个仿真元件选择最合适的子模型。同时，系统会自动判断所选子模型是否正确。（3）参数模式：在此模式点击选好的子模型就可以输入该子模型的仿真基本参数，同时对于复杂的子模型还能够利用公式编译器对其进行编辑。（4）仿真模式：进入此模式可以选择进行时域分析或者频域分析。选定后，通过设置仿真类型、仿真时间和输出间隔，便可以进行仿真。1.2仿真模型理论基础1.2.1仿真建模基本假设液压气门机构中机械部件与液压系统的协同配合是该机构正常运作的基础，在对系统工作过程模拟时，需要提前对一些条件进行假设：（1）不考虑发动机缸盖和倒拖试验台的质量，在建模时忽略由于电机、传动齿轮部件、液压油泵等部件运转时产生高频振动。（2）低压系统与发动机润滑系统相连，在仿真时不考虑低压系统的压力变化，低压系统的压力为恒定值。（3）假设同一个管道内的液压油温度与浓度均匀分布，忽略其随位置变化而产生的温度和浓度的细微差异。（4）由于各缸气门运动相互独立，因此在建模时只对同一缸的进排气门运动规律进行仿真计算。1.2.2仿真建模基础方程液压气门机构各组件的运动均遵循基本的运动规律，在仿真模型建立之前，需要用运动方程来分析系统各组件的变化特性。（1）液压活塞-气门运动方程液压气门机构无气门间隙，气门和液压活塞在高压油和气门弹簧的共同作用下同步作往复直线运动，将气门和液压活塞看作一个整体，则其的运动规律为：（3-1）式中，为气门弹簧预紧力，为气门弹簧刚度，x为气门升程（活塞行程），C为气门弹簧阻尼，F为高压系统作用在液压活塞上的液压力，其计算公式为：（3-2）式中，P为高压系统的压强，d为液压活塞直径。是气门-液压活塞运动件的当量质量，其计算公式为：（3-3）式中，m1为液压活塞运动件的质量，m2为除却气门弹簧外其他气门运动件的质量之和，m3为气门弹簧质量。（2）油压计算方程在液压气门机构的高压系统中的压力随着机构的运转处于不断变化的状态，当转阀处于关闭状态时，整个高压系统可以看作是一个密封容腔；当转阀逐渐开启时，高压系统的的液压油瞬时流量会发生变化，导致高压系统的油压发生改变，油压的变化规律为：（3-4）式中，E0为液压油的体积弹性模量，V是高压系统的容积，是从高压系统流入低压系统的液压油总流量，p0是高压系统液压油初始压力。（3）转阀油孔流量方程高压系统的油压计算方程是以经过转阀油孔流入低压系统的流量计算为前提，转阀油孔的泄油面积随着阀芯转动而不断变化，低压系统的油压为恒定值，在任一瞬间从高压系统经过转阀油孔流入低压系统的液压油流量为：（3-5）式中，为流量系数，A为油孔泄油面积，液压油密度，为高压系统与低压系统的压力差。通过将式（3-4）与式（3-5）联合，就能够计算任意时刻高压系统的油压。1.3仿真模型的搭建1.1.1仿真模型的组成图3-1为依据实际结构搭建的单缸液压气门机构AMESim仿真模型图，其中左边为进气门部分，右边为排气门部分，进气门部分与排气门部分的仿真模型相似，并且这两部分的低压系统相连。仿真模型大体可以分为五个模块：凸轮-液压挺柱模块、液压活塞-气门模块、低压系统模块、转阀泄油面积控制模块和活塞节流面积控制模块。这五个模块之间紧密相连，互相影响，共同保证了液压气门机构仿真模型的正常运行。图3-1液压气门机构AMESim仿真模型图3-2为凸轮-液压挺柱模块，从左到右依次为驱动电机、角位移传感器、配气凸轮、液压挺柱质量块和液压挺柱。各元件功能为：驱动电机带动配气凸轮转动；角位移传感器用来监测凸轮的转角信号，为转阀和液压活塞的控制部分提供信号输入；配气凸轮驱动液压挺柱作往复直线运动，液压油在挺柱运动过程中不断从挺柱腔内流入与流出。图3-2凸轮-液压挺柱模块图3-3为液压活塞-气门模块，按照序号来区分，①号元件为受气门升程控制的活塞节流阀；②号元件组为液压活塞部件，该部件考虑了活塞杆与活塞套之间的液压油泄露情况；③号元件组为气门组件，其中的质量块包含了液压活塞和气门组件的质量。图3-3液压活塞-气门模块图3-4为低压系统模块，该模块中部是一个大容积的低压油腔，发动机润滑系统为该油腔提供稳定的液压油；红色元件表示转阀，当转阀开启时，高压系统内的液压油流入低压油腔随后进入蓄能器，当蓄能器中的油压到达设定值时，蓄能器通过溢流阀向低压系统溢流。图3-4低压系统模块图3-5为转阀泄油面积控制模块，转阀泄油面积插值表以角位移信号为输入，向转阀输出泄油面积信号，转阀的泄油面积按照所接收信号而改变。图3-5转阀泄油面积控制模块图3-6为活塞节流面积控制模块，液压活塞上安装有节流阀，采用节流的方式使气门平稳落座，而活塞节流阀在气门开启与落座时的节流面积不同。该模块能够判断气门处于上升段还是下降段，并通过节流面积插值表向活塞节流阀输出节流面积信号，使活塞的节流面积随着气门升程的改变而变化。图3-6活塞节流面积控制模块1.1.2仿真模型参数设定在AMESim仿真模型中绝大部分元件需要根据实际结构对其设置参数，如液压挺柱和活塞的有效直径、管道长度和低压油腔容积等；甚至有些元件还需要输入一系列连续的数据，如凸轮升程、泄油面积插值表和节流阀节流面积插值表等，设置正确的仿真模型参数是得到精确仿真结果的必要保证。（1）凸轮升程表在液压气门机构中，凸轮是机构正常运行的驱动源；在仿真模型里，凸轮升程表是其余元件正常运行的基础，在AMESim模型中输入原机的进排气凸轮型线，如图3-7所示。图3-7进排气凸轮升程（2）转阀油孔泄油面积插值表在液压气门机构中通过控制阀套转动就能够改变转阀泄油的开始时刻，在仿真模型中利用转阀油孔泄油面积插值表就可以控制转阀油孔的泄油面积和开始泄油的时刻。图3-8为实际设计的进气转阀油孔示意图，阀套油孔与阀芯油孔的接通面积就是转阀泄油面积，油孔在阀芯转动方向的宽度决定了泄油持续期的大小，在阀芯轴向方向的宽度决定了单位转角内泄油面积的大小，为了在不增加泄油持续期的基础上尽可能的增大油孔泄油面积，将进气阀芯油孔和阀套油孔设计为槽状。输入到仿真模型中的进气转阀油孔泄油面积插值表的曲线如图3-9所示，图中示出了开始泄油时刻为180°CaA和270°CaA时的转阀泄油面积，可以看出随着阀芯的转动呈现先增大后减小的趋势，当阀芯油孔中心线与阀套油孔中心线重合时泄油面积达到最大。图3-8进气转阀油孔示意图图3-9进气转阀泄油面积插值表图（3）活塞节流面积插值表在液压活塞顶部设置有节流阀，节流阀的节流面积能够随着气门升程而改变。在气门开启阶段，节流阀内部的单向阀开启，并随着活塞内外部压差的减小而逐渐关闭；在气门回落阶段单向阀关闭，当气门回落到2mm左右时，节流阀通过不断减小流通面积来使气门回落速度下降并平稳落座，活塞节流阀节流面积与气门升程关系如图3-10所示。由于活塞的节流面积与气门升程具有一一对应关系，所以在仿真模型中判断出气门处于开启阶段还是回落阶段后，利用位移传感器元件监测气门升程，并将气门升程信号传输到活塞节流面积插值表中，插值表再将活塞节流面积信号输出到节流阀元件，便能够模拟出液压活塞节流阀的实际开启面积。图3-10活塞节流阀节流面积与气门升程关系曲线（4）其余参数设定在液压气门机构中，液压油是连接各组件之间的介质，由于液压油具有压缩性，液压油的体积弹性模量决定了系统的刚度。此外，油道直径、低压系统压力、低压油腔容积和高低压单向阀的开启压力影响液压油的流动状态。查询相应工程技术手册以及具体设计尺寸，得到相关参数如表3-1所示。表3-1液压系统相关参数设定参数名称单位数值油道直径mm6低压油腔容积mm325530低压系统压力Bar3高压入口单向阀开启压力Bar0.6液压油体积弹性模量MPa1.67×106在仿真模型中，液压挺柱和活塞-气门组件是两个重要的元件。元件的质量是决定了系统固有频率，整个系统的质量越小，则系统的固有频率越大。在这两个元件中均设有弹簧结构，液压挺柱弹簧能够防止挺柱与凸轮发生飞脱，气门弹簧对于转阀泄油之后气门的运动规律具有决定性作用。此外，液压挺柱和液压活塞的有效直径也有重要作用，液压挺柱和液压活塞的有效直径影响了气门升程与凸轮升程之间的“摇臂比”。具体参数如表3-2所示。表3-2液压挺柱、蓄能器和活塞-气门组件相关参数参数名称单位数值挺柱组件质量g82.8挺柱弹簧刚度N/mm5.76挺柱弹簧预紧力N37.4液压挺柱有效直径mm21.5液压活塞有效直径mm14.5活塞-气门组件质量g291气门弹簧刚度N/mm31.3125气门弹簧预紧力N5011.4仿真模型的验证将仿真模型元件参数设置完毕之后，便能够对不同转速、不同泄油相位角度下的进气门和排气门升程进行仿真。通过将仿真得到的气门升程与实测气门升程进行对比，便能够验证仿真模型的准确与否，从而为下一步气门多变运动规律的仿真研究奠定基础。图3-11为1200r/min时不同泄油相位角下的进气门仿真升程与实测升程对比图，从图中可以看出，在各个泄油相位角下仿真升程曲线与实测升程曲线贴合程度较好，曲线之间虽然有微小偏差，但是整体趋势基本吻合。图3-11转速1200r/min时进气门仿真升程与实测升程对比为了更准确地比较进气门仿真升程与实测升程，计算了发动机1200r/min时不同泄油相位角下进气门仿真升程与实测升程的角面值并进行了对比，对比结果如表3-3所示。从表中可以看到，随着泄油相位角的增大，实测与仿真升程的角面值均增加；两者角面值的偏差率均不大于2.5%，这表明仿真升程与实测升程的吻合程度较好，进气门部分仿真模型的准确性较高。表3-3发动机1200r/min时进气门仿真升程角面值与实测升程角面值对比泄油角度/°CAATDC15306090110130150165180实测角面值/cm2·°CA19.83674.9108.2121.3130136.1139.8142.5仿真角面值/cm2·°CA20.236.275.8110.8122.9131.4136.9140141.3偏差率/%2.240.381.272.441.361.10.560.110.81图3-12为发动机转速1200r/min时仿真排气门升程与实测排气门升程曲线对比，由于排气门升程不可变，因此在图中仅显示了一条实测升程曲线与一条仿真升程曲线，由图中可以看出，仿真与实测升程曲线基本贴合。经过计算，实测排气门升程的角面值为164.4cm2·°CA，仿真升程的角面值为165.7cm2·°CA，两者偏差率仅为0.8%，这表明排气门部分的仿真模型准确性也较高。图3-12转速1200r/min时排门仿真升程与实测升程对比经过对仿真与实测进排气门的升程曲线及角面值对比，可以得出结论：利用AMESim软件建立的可变气门机构仿真模型准确性较好，仿真结果具有较高的参考价值。1.5小结本章