基于AMESim的液壓間隙調(diào)節(jié)器工作特性研究*

陳健 吳建亮 馬家忠 袁飛 張兵

（1.江蘇蘇美達(dá)機(jī)電科技有限公司，南京 211599；2.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

1 前言

配氣機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，可按照發(fā)動(dòng)機(jī)每一氣缸的工作循環(huán)和發(fā)火次序要求定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)、排氣門，使得新鮮充量及時(shí)進(jìn)入氣缸，而廢氣得以及時(shí)從氣缸中排出。氣門挺柱是發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的重要組成部分，可將凸輪的推力傳遞給氣門桿或推桿，并承受凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所施加的側(cè)向力。傳統(tǒng)的氣門挺柱頂部裝有調(diào)節(jié)螺釘，用于預(yù)留并調(diào)整氣門間隙，以補(bǔ)償熱膨脹造成的氣門關(guān)閉不嚴(yán)的問題。但配氣間隙的存在，一方面使得配氣機(jī)構(gòu)的響應(yīng)性下降，另一方面使配氣機(jī)構(gòu)在工作時(shí)產(chǎn)生沖擊而發(fā)出噪聲。液壓間隙調(diào)節(jié)器（Hydraulic Lash Adjuster，HLA）能夠自動(dòng)補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)熱膨脹間隙，消除發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)裝配時(shí)所預(yù)留的氣門間隙，從而減少配氣機(jī)構(gòu)在工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊和噪聲，可提高氣門組件的使用壽命及NVH性能。

HLA 的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)主要由國外汽車零部件公司掌握[1-4]，國內(nèi)學(xué)者對于HLA 的公開研究資料較少，主要集中于清華大學(xué)、江南大學(xué)等高等院校。趙江、趙瑩瑩等[5]研究了機(jī)械改液壓挺柱對發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能的影響，對2種挺柱結(jié)構(gòu)在冷熱機(jī)怠速、滿載升速、空載升速及倒托升速4種工況下的聲品質(zhì)實(shí)測結(jié)果表明，機(jī)械改液壓挺柱后，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲在中高速工況下獲得1～2 dB的優(yōu)化，同時(shí)，缸蓋的振動(dòng)加速度減小。清華大學(xué)趙雨東、陸際清等[6]針對有液壓間隙調(diào)節(jié)器的氣門機(jī)構(gòu)，提出了模型中主要?jiǎng)偠群妥枘嵯禂?shù)的確定方法，以及一種用于估算HLA 高壓腔機(jī)油混氣比的工程方法。江南大學(xué)李書軍[7]對HLA的泄沉特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲取了HLA 的相關(guān)參數(shù)，并對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了敏度分析。

基于上述背景，開展液壓間隙調(diào)節(jié)器的相關(guān)理論研究、模型搭建、仿真分析、臺(tái)架測試等研究工作具有重要意義。本文在簡述液壓間隙調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與工作過程的基礎(chǔ)上，借助一維液力仿真軟件AMESim 搭建系統(tǒng)模型并對其部分工作特性進(jìn)行研究。

2 液壓間隙調(diào)節(jié)器建模

2.1 液壓間隙調(diào)節(jié)器組成及工作原理

當(dāng)挺柱體被凸輪1 托舉向上時(shí)（見圖1b、圖1c），推桿作用于支承座11 和柱塞7 上的反力迫使柱塞克服柱塞彈簧力而相對于挺柱體6 向下移動(dòng)，于是柱塞下部壓力室2 內(nèi)的油液壓力迅速提高，使得單向閥3 關(guān)閉。由于液體的不可壓縮性，整個(gè)挺柱如同剛體一樣上升，保證了必要的氣門升程。當(dāng)油液壓力很高時(shí)，會(huì)有少許油液經(jīng)柱塞7 和挺柱體6 之間的配合間隙泄漏，但并不影響挺柱的正常工作。同樣，在氣門受熱膨脹時(shí)，柱塞7 也會(huì)因受壓力作用而與挺柱作軸向相對運(yùn)動(dòng)，并且將油液自壓力室經(jīng)過上述間隙擠出。因此，使用液壓間隙調(diào)節(jié)器可以不留氣門間隙而保證氣門受熱膨脹時(shí)仍然能夠與氣門座緊密貼合。當(dāng)氣門開始關(guān)閉或冷卻收縮時(shí)（見圖1a），柱塞7 所受壓力降低，由于柱塞彈簧5 的作用，柱塞7 向上運(yùn)動(dòng)，始終與推桿13 保持接觸，同時(shí)，柱塞下部的壓力室2 中產(chǎn)生真空度，單向閥3 被吸開，油液流入并再次充滿整個(gè)柱塞內(nèi)腔8。

圖1 液壓間隙調(diào)節(jié)器組成

2.2 液壓間隙調(diào)節(jié)器模型

液壓間隙調(diào)節(jié)器的AMESim 仿真模型如圖2 所示，系統(tǒng)關(guān)鍵仿真參數(shù)設(shè)置如下：凸輪回轉(zhuǎn)速度為500～2 000 r/min；油液為15W40機(jī)油；油液含氣量為1%；油溫為70 ℃。

圖2 液壓間隙調(diào)節(jié)器仿真模型

3 仿真與分析

液壓間隙調(diào)節(jié)器工作特性仿真結(jié)果如圖3所示。凸輪升程段工作路徑與液壓間隙調(diào)節(jié)器氣門-搖臂端接觸力、柱塞與挺柱體相對位移、液壓挺柱單向閥口過流及壓力室壓力的變化趨勢整體保持一致，少量油液經(jīng)柱塞和挺柱體之間的配合間隙泄漏。

圖3 液壓間隙調(diào)節(jié)器的工作特性

圖4 所示為氣門位移隨凸輪轉(zhuǎn)角的變化情況，從圖4 中可以看出，氣門位移不受凸輪轉(zhuǎn)角變化的影響，氣門運(yùn)動(dòng)的一致性保持較好。

圖4 氣門位移隨凸輪轉(zhuǎn)角變化仿真曲線

綜合來看，凸輪升程段工作路徑與液壓間隙調(diào)節(jié)器受力、位移、過流及高壓腔壓力的變化趨勢一致，從而驗(yàn)證了模型的正確性。

3.1 含氣量變化對氣門位移的影響

分別設(shè)置油液中的含氣量為0.5%、1.0%、2.0%、5.0%，設(shè)置高壓腔死區(qū)容積為1 cm3，不同油液含氣量條件下的氣門位移仿真曲線如圖5所示。從圖5b中可以明顯看出，在相同凸輪轉(zhuǎn)角處，隨著油液含氣量的提高，氣門位移相對減小，且氣門峰值位移最大差值約0.50 mm。這是因?yàn)椋S著油液中含氣量的提高，油液剛度相對降低，造成了初始運(yùn)動(dòng)的空行程，進(jìn)而減小了氣門位移，故為提升氣門位移的精度，必須重視油液的含氣量，必要時(shí)可設(shè)置排氣裝置。

圖5 不同含氣量條件下的氣門位移仿真曲線

3.2 高壓腔死區(qū)容積對氣門位移的影響

事實(shí)上，當(dāng)油液含氣量較高時(shí)，高壓腔并沒有隨動(dòng)反饋，這與高壓腔死區(qū)容積密切相關(guān)，適當(dāng)減小死區(qū)容積，如按0.001 cm3設(shè)置（不可設(shè)置為0），減小高壓腔死區(qū)容積后不同含氣量條件下的氣門位移仿真曲線如圖6 所示。由圖6 可以看出，氣門位移的隨動(dòng)響應(yīng)性有所提升，且氣門峰值位移最大差值約0.30 mm。這主要是因?yàn)殡S著油液含氣量的增加，油液的可壓縮性相應(yīng)提升，在高壓作用下，這種壓縮性更加明顯，而適當(dāng)減小高壓腔死區(qū)容積則在一定程度上減小了此影響，故在工程實(shí)踐中應(yīng)盡量減小高壓腔的容積。

圖6 減小高壓腔死區(qū)容積后不同含氣量條件下的氣門位移仿真曲線

3.3 油溫變化對氣門位移的影響

油溫對氣門位移的影響也很大，不同油溫條件下的氣門位移仿真曲線如圖7 所示，從圖7 中可以看出，隨著油溫的提高，在相同凸輪轉(zhuǎn)角處，氣門位移相對減小，且氣門峰值位移最大差值約0.10 mm。這是因?yàn)?，對于相同牌號的機(jī)油，隨著油溫的升高，油液的粘度減小，泄漏量增加，從而導(dǎo)致氣門位移減小。所以，對于氣門位移的精度有嚴(yán)格要求的場合，必須考慮油溫變化對氣門升程的影響，并布置相應(yīng)的冷卻油道，使機(jī)油的工作溫度始終保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖7 不同油溫條件下的氣門位移仿真曲線

3.4 機(jī)油牌號對氣門位移的影響

分別采用15W30和15W40機(jī)油開展仿真分析，氣門位移如圖8所示，仿真結(jié)果表明，在相同凸輪轉(zhuǎn)角處，使用15W40 機(jī)油時(shí)的氣門位移較使用15W30機(jī)油時(shí)大，且氣門峰值位移最大差值約0.15 mm。這是因?yàn)殡S著油液的高溫運(yùn)動(dòng)粘度升高，相應(yīng)運(yùn)動(dòng)粘度等級隨之提升，泄漏量減少。但從工程實(shí)際的角度來看，采用此種方法的工程實(shí)現(xiàn)成本較高，所以需要綜合考量。

圖8 采用不同牌號機(jī)油條件下的氣門位移仿真曲線

4 結(jié)束語

本文利用AMESim 軟件建立了液壓間隙調(diào)節(jié)器模型，重點(diǎn)分析了油液含氣量、高壓腔死區(qū)容積、油溫、機(jī)油牌號4個(gè)關(guān)鍵因素對氣門位移的影響，結(jié)果表明：隨著油液中含氣量的增加，氣門位移減??；高壓腔死區(qū)容積減小，氣門位移的隨動(dòng)響應(yīng)性有所提升；隨著油溫的升高，油液的粘度減小，泄漏量增加，從而導(dǎo)致氣門位移減小；隨著機(jī)油高溫運(yùn)動(dòng)粘度的升高，相應(yīng)運(yùn)動(dòng)粘度等級隨之提升，泄漏量減少。本文可為發(fā)動(dòng)機(jī)液壓間隙調(diào)節(jié)器開發(fā)提供借鑒，但今后還需通過實(shí)物測試對本文的仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證。