基于多體動力學(xué)的閥系接觸應(yīng)力分析

曹慧穎，王強(qiáng)，陳庚

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于多體動力學(xué)的閥系接觸應(yīng)力分析

曹慧穎，王強(qiáng)，陳庚

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于優(yōu)化氣門通過能力的目的，利用多體動力學(xué)軟件，文章對增大升程的凸輪方案工作應(yīng)力進(jìn)行了仿真，分別計(jì)算了凸輪和搖臂以及搖臂和氣門接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力，并與基礎(chǔ)方案進(jìn)行了對比；依據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)行了方案的差異分析和影響因素總結(jié)。

氣門；接觸應(yīng)力；動力學(xué)

CLC NO.:U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-117-03

引言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的主要運(yùn)動系統(tǒng)之一。在發(fā)動機(jī)工作中，凸輪軸與曲軸同期旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，開閉進(jìn)、排氣門，配合活塞完成發(fā)動機(jī)工質(zhì)和氣體的更新和交換。隨著進(jìn)氣門的開啟，新鮮空氣或可燃混合氣被吸入燃燒室，參與燃燒反應(yīng)，燃燒產(chǎn)生的廢氣在排氣門的開啟后被排出。在配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證吸氣和排氣的效率，需要關(guān)注氣門的通過能力，提高氣門開啟和關(guān)閉的速度、增大氣門升程對通過能力的改善有促進(jìn)作用。但氣門通常是通過和凸輪相連接的機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動，氣門的工作速度提高和氣門升程的增大將引入氣門的加速度增大的風(fēng)險(xiǎn)，凸輪和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的接觸力將增大，機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣門之間的接觸力也將增大；當(dāng)接觸力增大到一定的程度后，將導(dǎo)致接觸應(yīng)力超過接觸面的許用限值，進(jìn)而出現(xiàn)接觸面的異常磨損，影響發(fā)動機(jī)的可靠性。

某汽油發(fā)動機(jī)為了提升動力性能，將氣門升程進(jìn)行了增大，以獲得更佳的進(jìn)氣和排氣性能，如圖1所示，圖中Original lift 代表基礎(chǔ)方案，Improved lift代表改進(jìn)方案。從理論上分析，氣門升程增大后，氣門彈簧的壓縮量增大，彈力會相應(yīng)的增大；進(jìn)排氣氣門升程包角未增加，氣門的平均速度增大，從加速度度的角度分析，氣門的接觸力也會增大；綜合以上兩點(diǎn)，改進(jìn)后配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)較大，需要在凸輪型線設(shè)計(jì)中進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 氣門升程曲線

圖2 氣門升程曲線

2 數(shù)值計(jì)算和結(jié)果分析

本汽油發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)簡圖如圖2，凸輪與搖臂上的滾子接觸，在凸輪的推動下，滾子圍繞固定點(diǎn)（support）旋轉(zhuǎn)，氣門端(valve)同步繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動氣門的開啟和關(guān)閉。搖臂在上述的三個(gè)接觸位置分別受到作用反力F(valve)、F(support)和F(cam)，形成搖臂的受力矢量。在凸輪旋轉(zhuǎn)的過程中，作用矢量的大小不斷變化，部分矢量的方向也隨著變化。

利用AVL動力學(xué)仿真軟件Excite-timing drive搭建分析模型，模型如圖3。搖臂固定在液壓挺柱上，在模型中需要對應(yīng)的機(jī)械液力耦合單元對挺柱的剛度進(jìn)行模擬，專用的搖臂單元能夠?qū)崿F(xiàn)依據(jù)幾何結(jié)構(gòu)自動計(jì)算動態(tài)搖臂比的功能，依據(jù)動態(tài)搖臂比計(jì)算搖臂的力矢量。

從配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)角度來分析，在低轉(zhuǎn)速工況，運(yùn)動系統(tǒng)的慣性力較小，彈簧的彈力和凸輪軸的最小

曲率半徑是影響接觸應(yīng)力的主要因素；在高轉(zhuǎn)速工況，運(yùn)動系統(tǒng)的慣性力較大，加速度是影響接觸應(yīng)力大小的主要因素；從振動學(xué)的角度來考慮，配氣機(jī)構(gòu)是多質(zhì)點(diǎn)多自由度的振動系統(tǒng)，存在模態(tài)頻率，凸輪的激勵(lì)能夠激勵(lì)該系統(tǒng)在模態(tài)頻率附近發(fā)生共振。

因此，需要在凸輪型線的設(shè)計(jì)中關(guān)注正加速度脈沖寬度，避免系統(tǒng)的劇烈振動。

2.1 凸輪與搖臂滾子接觸應(yīng)力

表1 K系數(shù)結(jié)果

圖3 分析模型

K系數(shù)主要評價(jià)配氣機(jī)構(gòu)在特定凸輪軸激勵(lì)下產(chǎn)生共振的風(fēng)險(xiǎn)，K系數(shù)越大，共振風(fēng)險(xiǎn)越低，反之，共振風(fēng)險(xiǎn)越高。K系數(shù)主要由正加速度寬度、配氣機(jī)構(gòu)固有頻率以及凸輪軸轉(zhuǎn)速決定。如下表所示，分別為凸輪型線調(diào)整前后的K系數(shù)值，排氣數(shù)值大小相當(dāng)，進(jìn)氣調(diào)整后開啟增大，關(guān)閉減小。

凸輪與搖臂滾子的接觸應(yīng)力如圖4所示。從應(yīng)力曲線來看，基礎(chǔ)方案（Original）的應(yīng)力水平整體要高于改進(jìn)方案（Improved），進(jìn)氣高轉(zhuǎn)速區(qū)兩方案相當(dāng)。

圖4 凸輪與搖臂滾子接觸應(yīng)力

從K系數(shù)角度來看，排氣在凸輪型線調(diào)整前后數(shù)值相當(dāng)，高轉(zhuǎn)速區(qū)的應(yīng)力水平應(yīng)較為接近，而應(yīng)力曲線顯示排氣調(diào)整后應(yīng)力水平明顯改善；進(jìn)氣開啟增大，關(guān)閉減小，在高轉(zhuǎn)速區(qū)開啟段的應(yīng)力降低，關(guān)閉段增加，應(yīng)力的最大值由關(guān)閉段決定，因此改進(jìn)方案的應(yīng)力曲線在5000rpm后出現(xiàn)了明顯的突增。

對比下圖5進(jìn)排氣凸輪軸的曲率半徑，基礎(chǔ)方案進(jìn)排氣型線在桃尖區(qū)域均存在明顯的尖峰，致使進(jìn)排氣接觸應(yīng)力較大，而改進(jìn)方案在桃尖區(qū)域曲率過度光滑，最小曲率增大，對改善凸輪接觸應(yīng)力起到了較為明顯的作用。

圖5 凸輪曲率半徑

2.2 氣門與搖臂接觸應(yīng)力

氣門與搖臂接觸應(yīng)力在軟件的輸出結(jié)果中不能直接提取，需要基于軟件的結(jié)果進(jìn)行二次數(shù)學(xué)計(jì)算。氣門桿頭部為圓形平面，搖臂接觸區(qū)為弧面，在理論上兩者的接觸區(qū)為一條直線，但在實(shí)際中，彈性體在壓力的作用下，接觸時(shí)會產(chǎn)生接觸面的彈性變形，該條直線會向兩側(cè)拓展，形成矩形接觸帶，實(shí)際接觸應(yīng)力可以通過赫茲應(yīng)力模型計(jì)算，如式（1）。

搖臂在工作的過程中，圍繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，致使搖臂與氣門的接觸點(diǎn)相對于氣門軸線不斷滑動，如下圖所示，在凸輪基圓位置，搖臂與氣門位于接觸點(diǎn)1，在氣門開啟后，形成接觸線2，在整個(gè)工作過程，實(shí)際的接觸位置位于1和2之間，在氣門桿頭部存在偏移量L。

計(jì)算得到的偏心距如圖，型線優(yōu)化前后，偏心距基本未產(chǎn)生變化，不會影響氣門和搖臂接觸面的寬度。若調(diào)整前后該結(jié)果差異較大，同時(shí)下文所述的應(yīng)力結(jié)果也出現(xiàn)明顯的惡化，可以通過布置位置的調(diào)整，減小最大偏心距，降低應(yīng)力的幅值。

計(jì)算得到的偏心距如圖6，型線優(yōu)化前后，偏心距基本未產(chǎn)生變化，不會影響氣門和搖臂接觸面的寬度。若調(diào)整前后該結(jié)果差異較大，同時(shí)下文所述的應(yīng)力結(jié)果也出現(xiàn)明顯的惡化，可以通過布置位置的調(diào)整，減小最大偏心距，降低應(yīng)力的幅值。

圖6 凸輪曲率半徑

計(jì)算得到的偏心距如圖7，型線優(yōu)化前后，偏心距基本未產(chǎn)生變化，不會影響氣門和搖臂接觸面的寬度。若調(diào)整前后該結(jié)果差異較大，同時(shí)下文所述的應(yīng)力結(jié)果也出現(xiàn)明顯的惡化，可以通過布置位置的調(diào)整，減小最大偏心距，降低應(yīng)力的幅值。

圖7 搖臂與氣門端部接觸點(diǎn)偏心距

氣門桿頭部與搖臂之間的接觸應(yīng)力如圖8所示，在低速，兩方案的進(jìn)排氣應(yīng)力水平基本一致，在高速有所差異，排氣改進(jìn)方案略優(yōu)于基礎(chǔ)方案，進(jìn)氣改進(jìn)方案隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸增大最后劣于基礎(chǔ)方案。

圖8 搖臂與氣門接觸應(yīng)力

由前述K系數(shù)結(jié)果分析，高轉(zhuǎn)速區(qū)域進(jìn)氣改進(jìn)方案高轉(zhuǎn)速開啟K值增大，抵制共振的性能提高，關(guān)閉K值減小，抵制共振性能降低。對比進(jìn)氣不同轉(zhuǎn)速區(qū)間的氣門桿頭部與搖臂接觸力結(jié)果，如圖9，1000rpm氣門升程增大，接觸力略微增大，4000rpm接觸力相當(dāng)，但由于基本型型線加速度不平滑，基本型峰值接觸力較大，到6000rpm后，改進(jìn)方案關(guān)閉段接觸力迅速增大，動力學(xué)性能惡化。

圖9 搖臂與進(jìn)氣門接觸力

3 結(jié)語

凸輪和搖臂以及搖臂和氣門的接觸面應(yīng)力是配氣機(jī)構(gòu)評價(jià)的重要指標(biāo)，應(yīng)力大小直接影響零部件壽命和整機(jī)可靠性水平，在凸輪型線的設(shè)計(jì)和動力學(xué)校核中需要重點(diǎn)關(guān)注。

（1）配氣機(jī)構(gòu)自身頻率的高低對配氣機(jī)構(gòu)中驅(qū)動接觸面的應(yīng)力水平大小影響較大，主要體現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速區(qū)域。

（2）凸輪和搖臂接觸應(yīng)力受凸輪的最小曲率半徑影響，在設(shè)計(jì)中要盡量保證桃尖區(qū)域的最小曲率值。

（3）氣門和搖臂之間的接觸應(yīng)力和凸輪的驅(qū)動力有關(guān)，但同時(shí)受自身接觸面參數(shù)和特性的影響，需要關(guān)注搖臂在氣門桿端面上的偏移量。

（4）氣門升程大小只在低速對配氣機(jī)構(gòu)應(yīng)力水平有一定的影響。

[1] AVL_EXCITE_TimingDrive_UsersGuide.

[2] 袁兆成. 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì).[M]機(jī)械工業(yè)出版社.2008.7.

[3] 章希勝,武震.機(jī)械零件的接觸應(yīng)力計(jì)算.[J]機(jī)械,2000.

[4] 中國汽車工程學(xué)會（組譯）.汽車工程手冊4-動力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)篇.北京理工大學(xué)出版社.2010年.

The contact stress analysis of valve train based on Multibody Dynamics

Cao Huiying, Wang Qiang, Chen Geng
( Anhui jianghuai automobile group co. LTD, Anhui Hefei 230601 )

The contact stress of valve train wasmainly discussed in this paper based on Multibody Dynamics method to two intake and exhaust cam lifts. Two varieties weredistinguished from maximum lift. The simulation was performed and results were extracted for comparing the contact stress between cam and finger follower and between valve and finger follower in two cases. Finally, the differences were analyzed and influencing factors were concluded.

Valve; Contact stress; Dynamic

U463.6

A

1671-7988 (2017)15-117-03

曹慧穎，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.043