二Auto Bngfineer2009 (10)Engmo汽車工程師FOCUS技術聚焦CErNDesign-Innovation配氣機構優(yōu)化設計郭蘭(天津一汽夏利汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心)摘要:在進行一款轎車發(fā)動機性能升級中，需要對配氣機構進行全新優(yōu)化設計，以提高發(fā)動機最大功率和中低速扭矩。文章利用AVL公司的EXCITETimingDrive軟件建立了配氣機構模型,對模型進行了運動學和動力學仿真計算，.完成了進排氣凸輪型線的優(yōu)化設計，以及配氣機構運動學和動力學的分析和校核。校核結果表明，配氣機構組成各零部件完全滿足設計要求，通過性能預測和發(fā)動機試驗證明，該款發(fā)動機的性能指標達到了開發(fā)目標值的預期。關鍵詞:發(fā)動機;配氣機構;凸輪型線;優(yōu)化設計;仿真計算Optimizing Design of Valve TrainAbstract: Upgrading of the performance of a car engine, the optimal design of the valve train is necessary so as toenhance maximum engine power and low-range and mid-range torque. In this paper, the model on valve train of theengine is established with AVL EXCITE Timing Drive, and kinematics and dynamics performances are simulated andcalculated so as to finish the optimal design of the cam profile of the inlet and exhaust, and complete the analysis andcheck of the kinematics and dynamics of the valve train.The results indicate that the valve train parts fully meet thedesign requirements. Through the performance prediction and engine experiment, all performance parameters of engineare in compliance with expected developing goals.Key words: Internal combustion engine; Valve train; Cam profile; Optimal design; Simulation配氣機構是發(fā)動機的重要組成部分，而凸輪型線選擇 了雙頂置凸輪軸的設計方案，采用雙挺柱直接驅是配氣機構的核心，其設計的優(yōu)劣將直接影響到發(fā)動動氣門， 這種方式氣門慣性力小，系統(tǒng)剛度大，確保機的動力性、經(jīng)濟性、排放及工作平穩(wěn)性和可靠性凹系統(tǒng)傳動更加精確。配氣機構布置圖，如圖1所示。隨著發(fā)動機向高功率、高速化和低排放方向的發(fā)展，一 方面要求配氣機構具有良好地換氣質量，另一-方面進氣凸輪軸排氣凸輪軸又要求配氣機構可以穩(wěn)定和耐久地工作，而這2個條件是相互制約的，因此對配氣機構和凸輪型線的設計提出了更高的要求。氣門鎖夾-挺柱隨著計算機仿真技術的廣泛應用，使用AVL公氣門彈簧座氣門彈簧司的BOOST和EXCITE等軟件進行發(fā)動機的性能預氣門桿油封測和凸輪型線設計，不僅能夠為設計提供理論指導，氣門導管.氣門導管縮短設計周期，而且節(jié)省大量的開發(fā)費用，提高了設計效率。文章運用EXCITE軟件進行了配氣機構優(yōu)化進氣門-排氣門.設計，達到了使發(fā)動機性能提升的目標。進氣門座中國煤化工排氣門座配氣機構總體布置TYH. CNMH G在進行一款發(fā)動機性能提升時，對于配氣機構，-31.Auo Engineer5z技術聚焦FOCUSEngime汽車工程師2009年10月設計創(chuàng)新2配氣機構動力學模型考察凸輪的潤滑和磨損情況;配氣機構零部件的受力從圖1可以看出，配氣機構的運動是從凸輪端開情況; 評估進排氣門落座是否平穩(wěn)及是否存在氣門反始的，經(jīng)過挺柱、氣門彈簧、氣門座墊及氣門鎖夾等跳現(xiàn)象等。這樣一個長的傳動鏈才能把運動傳遞給氣門端，并非3.1 運動學仿真計算剛性系統(tǒng)，而是一個彈性系統(tǒng)2。它的整個傳動鏈是3.1.1 凸輪型線 的曲率半徑由一系列幾何形狀、剛度及質量各不相同的零部件組設計凸輪型線時，應當避免最小曲率半徑過小，成，而且各零部件之間在運動過程中還可能產(chǎn)生脫開以防凸輪早期磨損。一般認為曲率半徑的最小值應不現(xiàn)象。因此傳統(tǒng)的運動學計算往往不足以準確地描述小于2 mm，能再大些更好。圖3和圖4分別表示，配氣機構各零部件的運動規(guī)律，而動力學計算由于考在發(fā)動機額定轉速下，進排氣凸輪型線的曲率半徑。慮了配氣機構整個傳動鏈的彈性變形，因此可以比較從圖3和圖4中可以看出，進氣凸輪的最小曲率半徑精確地描述配氣機構各零部件的運動規(guī)律。為4.5 mm,排氣凸輪的最小曲率半徑為4.3 mm，2種鑒于配氣機構組成零部件復雜，因此一般要建立曲率 半徑最小值均大于2 mm，可以滿足設計和使用-.定的簡化計算模型。利用EXCITETimingDrive軟要求。件，通過簡化配氣機構的相關部件設置，建立單閥系l0Eo9[配氣系統(tǒng)運動學和動力學模型，圖2為新設計的配氣8E準機構EXCITE Timing Drive計算模型。66凸輪模型，5旋轉激勵019一+RDS 'T632心9初始相位凸輪剛度11owwwwwwwwwwwwwliwwwlwwlww.u..0 30 60 90120 150180210240 270 300 330360Q1凸輪型線凸輪軸轉角/ (圖3進氣凸輪型線曲率半徑1油鵬壓力11099|挺柱8[7h6|專4氣門桿s王LS氣門彈簧22氣門]端面圖2配氣機構的EXCITE Timing Drive計算模型03060901201501802102402703003303603配氣機構運動學和動力學仿真計算凸輪軸轉角/ (。圖4排氣凸輪型線曲率半徑凸輪型線的設計原則是以豐滿系數(shù)為目標函數(shù)，3.1.2凸輪 與挺柱潤滑條件以氣門傳動機構的動力性能及強度為約束條件同。對凸輪與挺柱間潤滑油膜的形成及形態(tài)，對配氣機凸輪形狀的--般要求是:1)要獲得盡可能大的時間構工作的可靠性和耐久性至關重要，因此在設計凸輪斷面值，即氣門開啟和關閉迅速，在比較大的凸輪轉型線時，要確保凸輪具有良好的潤滑特性，凸輪與平角內氣門接近全開位置，獲得較大的豐滿度; 2)要面挺柱間最小潤滑油膜厚度計算公式為:保證配氣機構零部件所受到的沖擊和跳動盡量小，加速度突變小，配氣機構產(chǎn)生的噪聲和振動小，可靠性hmim =k(R。+h)2_A( R。+h)( R。+h)__P高。對于該款發(fā)動機，在運動模型中輸入發(fā)動機參數(shù)和凸輪型線的高次方系數(shù)，得到進排氣門升程與凸輪式中: R凸輪基圓半徑，mm ;型線坐標，通過計算得出該進排氣的豐滿系數(shù)分別為中國煤化工0.577 5和0.5769，符合設計目標要求。因此就要對kTH. CNMHG，其它性能指標進行運動學和動力學校核計算，主要是NM的，k為已知常-32-AutoDEngineer第10期Enimn:汽車工程師FOCUS技術聚焦CErtNDesign-Innovation速度變化率的最大值也在限制范圍(1 000 mm/rad)如果引入無量綱參數(shù)Y=pn，y稱為潤滑系內，說明氣門運動具有較好的平穩(wěn)性，沒有發(fā)生跳脫和飛脫等現(xiàn)象。數(shù)，那么凸輪的潤滑系數(shù)與凸輪曲率半徑、基圓半10 000 E進氣徑和挺柱升程等有關。由公式可以看出，當y=0或排氣y=0.5時，hmim=0O， y和hmin實際上是凸輪轉角a的函4 000數(shù)，當a在凸輪工作段范圍內變化時，r=0 的情況實2 000際上是不會出現(xiàn)的，但)=0.5對加速度連續(xù)變化的凸-2 000 I輪難于避免，總會在某個時刻達到。為了避免潤滑特-4000L -性惡化，一般希望y=0.5附近只停留很短時間。另外36450凸輪軸轉角/(°)630為了得出磨損小的凸輪型線，凸輪尖端區(qū)域的潤滑系圖7在6000r/min時氣門加速度曲線數(shù)應是0.15≤γ≤0.25 ~ 0.35。圖5和圖6分別表示，.3.2.2氣門落座力在發(fā)動機額定轉速6 000 r/min下，進排氣凸輪的潤氣門靜止過程中，缸內氣體對氣門的壓力產(chǎn)生氣滑系數(shù)。門對氣門座的作用力，在氣門]回落時，氣門由運動到110E靜止，與氣門座發(fā)生撞擊，產(chǎn)生-一個峰值作用力，因398能此作為判斷氣門反跳的一一個重要條件，就是看氣門落7座以后，其落座力是否再次降到零。6S5E在6000 r/min時進排氣門落座力的曲線，如圖3E8所示。由曲線分析可以得出: 1)進排氣門落座沖2E幾擊力的峰值隨凸輪軸轉角的變化比較緩慢，而且其數(shù)值較小，始終在200 N左右，落座后的沖擊力逐漸減0306090 120150 180 210 240 270 300 330 360為零。2)在標定轉速下，進排氣門各自都出現(xiàn)了凸輪軸轉角/ (°)次反跳，雖然有-.次反跳;但由于反跳持續(xù)的凸輪轉圖5進氣凸輪在6 000 r/min時的潤滑系數(shù)角小于1°，時間非常短暫，而且進排氣門落座時的99沖擊速度也比較小，所以，撞擊力是比較小的，說明8E27E設計還是比較合理的。茲66800p一。進氣70C駕44600E2幾z 50011E天400E0306090120150180210240270300330360家300200100的圖6排氣凸輪在6 000 r/min時的潤滑系數(shù)由圖5和圖6可以看出，進氣最大升程凸輪轉角36050540720凸輪軸轉角/(° )為(231.75士30)。;排氣最大升程凸輪轉角(127士30)。圖8在6 000 r/min時氣門落座力曲線凸輪潤滑系數(shù)均保持在0.2左右，滿足凸輪尖端區(qū)域3.2.3 凸輪與挺柱間接觸應力潤滑系數(shù)在0.15~0.35內的要求,說明潤滑條件良好。凸輪型線不僅受配氣機構動力學特性限制，而且3.2動力學仿真計算受到力-應力的限制，在配氣機構組成零部件中，凸3.2.1氣門加速度 曲線輪與挺柱間的接觸應力最為嚴重。二者是發(fā)動機中一氣門加速度是配氣機構平穩(wěn)性的重要參數(shù)，加速對重要的摩擦副，很容易發(fā)生過早磨損、刮傷、點蝕、度曲線應該比較平順，不能出現(xiàn)大的歧變。圖7表示甚 至碎裂等故障中國煤化工行校核計算。了6 000 r/min時各缸的氣門加速度曲線，該曲線表.凸輪與挺柱MHCN MH G般用接觸面明氣門最大正負加速度均未超出許可值范圍，而且加的最大接觸應 力來估算，由于凸輪與挺柱使用不同材.33-Auo Enginer5z技術聚焦FOCUSEnimn:汽車工程師2009年10月設計創(chuàng)新料，二者之間允許接觸應力大小不一樣，因此必須選4結論擇恰當?shù)呐鋵Σ馁|、熱處理和表面處理方式，以及合利用EXCITE Timing Drive及其后處理功能，獲適的挺柱型式，使接觸應力低于許用應力范圍，就可得了十分有價值的仿真結果,通過對這些結果的分析，以緩解二者之間的磨損[5]。在設計階段就可以對配氣機構進行優(yōu)化設計，充分地在1000 r/min時，該種結構型式下凸輪與挺柱提高了 設計效率。實測數(shù)據(jù)也表明，配氣機構運動學接觸應力情況，如圖9所示。由曲線分析可以得出:.和動力學仿真計算是一種有效、 可靠及準確度高的設進氣最大接觸應力為452 MPa,排氣最大接觸應力為計方法， 它為凸輪型線和配氣機構的設計和優(yōu)化奠定465MPa,根據(jù)經(jīng)驗，該種結構型式下的最大許用應了良好的基礎，使汽車發(fā)動機具有更好的外特性，不力推薦值為600MPa。一般來說，如果最大接觸應力僅功率和扭矩得到提升，而且還可以降低配氣機構零不超過推薦的許用值，那么凸輪與挺柱皆具有良好的部件磨損， 提高發(fā)動機性能和使用壽命。抗磨損、抗刮傷和抗點蝕的性能，因此這對摩擦副的參考文獻可靠性較高。[1]楊連生，內燃機設計[M].北京:中國農業(yè)機械出版社，1980.[2]蔣炎坤，劉志恩基于高次多項式的高速汽油機頂置凸輪特性[1].5.0x 108 F氣華中科技大學學報:自然科學版，2006 (10): 70-73.? 4OXIOKE[3] 呂林，王勇波.車用發(fā)動機配氣機構運動學和動力學分析[D]. 武漢3.0x 108理工大學學報，2006 (S5): 11-1014.昌2.5x10°2.0x10*[4]尚漢冀.內燃機配氣凸輪機構一-設計與計算[M]. 上海: 復旦大1.5x10x1.0x 10學出版社，1988.5x 10錦[5]張曉蓉，朱才朝，吳佳蕓， 內燃機配氣機構系統(tǒng)動力學分析[J].重3604503020慶大學學報，2008 (3): 294-298.凸輪軸轉角/(°)(收稿日期: 2009-08-05)圖9凸輪與挺柱接觸應力imnm(.上接第20頁)可靠性;經(jīng)數(shù)模轉換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機構，即電動2)采用優(yōu)化算法對控制策略進行優(yōu)化，如:遺機控制器，對驅動電機進行第1步控制，然后等待第傳算法、 模擬退火算法及粒子群算法等優(yōu)化方法在控2次采樣，進行第2步控制，這樣循環(huán)下去，就實現(xiàn)了制策略的多目標優(yōu)化研究也是其重要研究方向。對被控制對象的模糊控制，完成驅動控制的要求?；谀：壿嫷牟呗钥梢员磉_難以精確定量表達[1] 于秀梅，曹珊，李君，等混合動力汽車控制策略的研究現(xiàn)狀及其的規(guī)則，方便地實現(xiàn)不同影響因素(功率需求、SOC發(fā)展趨勢[D].機械工程學報，2006(11): 10-14.和電機效率等)的折中，魯棒性好。模糊邏輯控制增[2]陳全世,孫逢春.混合動力車輛基礎[M].北京:北京理工大學出版社，加了模糊決策因素和邏輯思維，是比較符合人的思維[3]鄧亞東，高海鷗，王仲范，并聯(lián)式混合動力電動汽車控制策略研究邏輯的控制算法之一，在混合動力汽車能量管理策略[J]. 武漢大學學報，2004 (6): 140-142. .中應用是比較合適的。[4]彭武，張俊智，盧青春.混合動力電動公共汽車控制策略的仿真[D].2結語公路交通科技，2003 (2): 148-150.基于混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀，未來研究[5] 楊宏亮，陳全世混聯(lián)式混合動力汽車控制策略研究綜述[D].公應當關注以下2個方面。路交通科技2001中國煤化工期: 2009-09-25)1)完善仿真模型，并對系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調控制進行TYHCNMH G”研究，考核控制策略對于系統(tǒng)能量流傳輸?shù)姆€(wěn)定性和- 34-