配气机构整体系统仿真及优化

配气机构整体系统仿真及优化

康黎云司庆九

（重庆长安集团汽车工程研究院CAE所）

摘要：通过A VL EXCITE Timing Drive的仿真，对某机型的配气机构进行动力学计算以了解存在的问题和优化方向。拟定重新设计凸轮型线和调整弹簧参数的优化措施，并用EXCITE Timing Drive进行对比计算，结果表明凸轮型线的设计和弹簧参数的更改达到了优化目的。

关键词：配气机构；动力学；凸轮型线；气门弹簧

主要软件：A VL EXCITE Timing Drive；MSC/NASTRAN

1. 前言

某发动机的配气机构采用四气门单顶置凸轮轴摇臂驱动，其中进、排气侧分别为两同形式的指形从动件摇臂。摇臂驱动形式的配气机构刚度一般比挺柱直接驱动的配气机构要弱，相应其动力性也要差些。现实的问题是：如何从优化配气机构的角度出发，在不提高发动机转速的情况下增加该发动机的功率，同时还必须使配气机构的动力性也满足设计要求，如不出现飞脱、反跳及弹簧并圈等问题。

2. 分析过程

2.1 总体流程

为解决问题，制订以下分析流程，如图1所示：

图1 配气机构分析及优化流程图

2.2 优化前仿真分析

机构的主要全局参数如表1所示：

表1 配气机构主要技术参数

进气侧排气侧

15.5mm

基圆半径 15.5mm

气门正时 466°(曲轴转角) 258°(曲轴转角)

气门包角(含缓冲段) 170° 175°

气门倾角 16° 20°

0.25mm

气门间隙 0.15mm

弹簧预紧力 114N 工作段弹簧刚度 29N/mm 建立整个阀系的EXCITE Timing Drive模型：①. 从凸轮轴前端往后端看，凸轮的布置是排气门、两个进气门、排气门的形式；②. 由于发动机的点火顺序是1-3-4-2，所以对应缸的阀系相位要依次滞后90°；③. 忽略皮带传动对阀系的影响，而直接将转速加载到凸轮轴的最前段的SHPU单元上。整个模型如图2所示：

图2 阀系模型

以下为发动机优化前6000rpm下的动力学计算结果(图3~图6所示)，从各曲线图可以看出，该配气机构在高转速下出现反跳、飞脱和并圈，因此，有必要对该套系统进行优化。优化的措施主要有以下几点：

(1) 重新设计进、排气凸轮型线，以避免飞脱和反跳的产生。对于摇臂驱动的凸轮型线，使

用分段加速度函数(ISAC)方式设计型线是最为理想的。

(2) 加强摇臂刚度，从而提高整个系统的刚度。

(3) 优化气门弹簧参数，增加工作段长度及调节弹簧刚度，以消除并圈。

(4) 调节气门正时，通过GT-Power或Boost等软件工具进行计算，以检验功率是否提高。

图3 排气门升程

图4 进气门升程

图5 进气侧弹簧力曲线

图6 作用在凸轮上接触应力

2.3 具体优化实施

(1) 对于进、排气凸轮型线都重新设计，设计目的：在满足动力性要求的前提下，尽可能地

增大丰满度，以提高充气效率。图7所示为进气凸轮的原始型线与新型线的对比，新型线与旧型线在局部升程最大差接近1.2mm，由于凸轮轴铸造件的余量有2mm，因此这种设计更改不存在增加重新开模的成本。

图7 进气凸轮新、旧型线对比

(2) 对摇臂结构的优化以提高其刚度。摇臂结构的更改至少要满足配气机构各零件的空间布

置不会发生干涉，而且还要考虑到是否需要重新设计模具以及质量是否增加等等因素。

图8是排气侧摇臂设计前后的示意图。更改后的摇臂质量增加，但刚度几乎没有多少提高，没有达到设计意愿，因此建议保持摇臂原有结构形式。

图8 排气侧摇臂更改前后示意图

(3) 气门弹簧参数的优化，包括弹簧预紧力、刚度、工作段长度、簧丝直径等参数都可以适

当调节，以满足动力性要求。对消除弹簧并圈最有效的措施是增加弹簧的工作段长度，

但如果保持其他参数不变而增加工作段长度，那么气门锁夹及气门长度等也会受影响。

因此，减小簧丝直径是一个值得考虑的办法。经过弹簧验证计算，将原来的直径3.1mm 减小至3.0mm，弹簧中径也相应减小，其他参数基本不变，从而达到增加弹簧工作段长度的目的，可以消除并圈。

(4) 气门正时调节对功率的影响在本文中就不赘述了。

2.3 优化后仿真分析

图9~图12为优化后的配气机构动力学计算结果：

图9 进气门升程

图10 排气门升程

图11 进气侧弹簧力曲线

图12 作用在凸轮上的接触应力

3. 结语

凸轮型线的重新设计成功地消除了飞脱和反跳的产生，弹簧参数的优化也解决了并圈的问题。从仿真角度来说，该机构的优化已经达到了初始目的，但还需要进行发动机性能验算，确保优化后发动机的性能没有下降，如有可能应结合试验来共同检验优化效果。

参考文献

[1] 尚汉冀，内燃机配气凸轮机构-设计与计算，复旦大学出版社，1988

[2] AVL EXCITE Timing Drive用户培训手册