发动机配气机构系统的动力学建模及仿真分析

发动机配气机构系统的动力学建模及仿真分析

罗卫平,陈曼华,姜小菁,王

(金陵科技学院机电工程学院,江苏南京211169)

摘要:针对发动机配气机构系统,在ADAM S/Engine软件中建立了其虚拟模型,在此基础上,对该机构进行了仿真分析,得到了气门的升程、速度、加速度和摇臂与挺柱的接触力等特性曲线,为配气机构动态性能的评价和优化提出了理论依据,从而为虚拟样机技术在新产品开发中的应用提供了有效方法。

关键词:配气机构;ADAM S/Engine;虚拟样机;多体动力学

中图分类号:U463.33;TP391.9文献标识码:A文章编号:1672-1616(2012)01-0051-04

配气机构的功用是根据发动机每一汽缸内进

行的工作循环顺序,定时地开启和关闭各汽缸的

进、排气门,以保证新鲜可燃混合气或空气得以及

时进入汽缸,并把燃烧后生成的废气及时排出汽

缸。配气机构的传统开发方法往往是多方案的比

较和试凑过程,这种基于物理样机的频繁的试验,

会延长研发周期和增加开发成本。虚拟样机技术

就是在这种情况下产生的一种数字化的研发模式,

即工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各

种动态性能的分析,然后改进样机设计方案,最后

投入生产。本文就是在这样的背景下,以多体动力

学为理论基础,采用美国MDI公司开发的

ADAM S软件。对发动机配气机构进行建模与仿

真,预测实际产品的特性,提供一个全面地研究产

品工作性能的方法。

1多体系统动力学研究的理论基础

随着多体动力学的发展,目前应用于多刚体系

统动力学的方法主要有以下几种:牛顿-欧拉法、

拉格朗日方法论、图论4法、凯恩法、变分法、旋量

法等。ADAMS用刚体i的质心迪卡儿坐标和反

映刚体方位的欧拉角作为广义坐标,即:q i=[x,

y,z,W,H,<]T i,q=[q T1,,,q T n]T。采用拉格朗日

乘子法建立系统运动方程[1]:

d d t 5T

5q#

T

-

5T

5q

T

+f T q Q+g T q#L=Q(1)

式中:T为系统动能;q为系统广义坐标列阵;Q 为广义力列阵;Q为对应于完整约束的拉氏乘子列阵,完整约束方程时,f(q,t)=0;L为对应于非完整约束的拉氏乘子列阵,非完整约束方程时,g(q, q#,t)=0。

2配气机构的动力学建模

配气机构是由凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧、挺柱、气门座等多个构件组成的机械系统,它是由凸轮的旋转带动驱动气门按预定的运动规律开启和关闭来实现配气的过程。ADAM S/Engine提供了多种配气机构部件模型的模板,因此在建立配气机构的模型时只需在ADAMS/Engine软件中选取

正确的模板,然后根据实际部件的特征,修改部件几何参数。如果模型库中不包含要建立的几何部件类型,则可以根据需要建立新的模板,然后导入标准界面进行分析[2]。本文利用ADAM S/Eng ine 模板建立了某柴油发动机顶置凸轮轴式配气机构的多刚体虚拟样机模型,如图1所示。

1)凸轮轴;2)摇臂;3)挺柱;4)气门弹簧;

5)气门;6)气门座

图1配气机构的虚拟样机模型

收稿日期:2011-08-10

作者简介:罗卫平(1973-),女,江苏南京人,金陵科技学院讲师,硕士,主要研究方向为虚拟技术和动力学仿真。

3 配气机构多体动力学仿真分析

根据以上所建立的配气机构虚拟模型,对凸轮轴施加恒定转速,通过ADAM S/Engine 提供的试验台对配气机构进行动力学仿真计算[3],可得到气门升程、速度、加速度以及摇臂与挺柱之间接触力等运动和力学参数[4]。

3.1 气门的升程与速度

由于所选的柴油机标定转速为1000r/min,因

此选择500r/min 作为凸轮轴转速进行虚拟仿真,得到气门的运动学响应,如图2所示,气门的最大升程为4.762mm,上升段最大速度为398.8mm /s,

下降段最大速度为-505.3m m/s 。从图2中可以看出,气门升程与速度曲线光滑,配气机构运行平稳,未出现不连续的情况,说明没有飞脱现象发生。

3.2 转速对配气机构动力学性能的影响

当凸轮轴转速超过500r/min,达到某一转速时,配气机构将会出现气门反跳和构件飞脱等问题,导致配气机构的损坏,产生噪声。因此,为了分析此配气机构动力特性所能满足的极限速度,本文将凸轮轴转速逐步提高,分别讨论凸轮轴转速为1000r/m in 、2000r/m in 、3000r/min 、4000r/min 和5000r/min 5

种工况下气门的动态特性。

图2 气门的升程与速度曲线

图3所示为不同转速下的气门的升程曲线,从中可以看出,当凸轮轴转速为1000r/min 、2000r/min 、3000r/m in 、4000r/min 时,升程曲线光滑且数值变化不大,说明气门开启平稳,配气机构工作正常。然而当凸轮轴转速达到5000r/min 时,气门升程曲线在下降段开始脱离设计升程曲线,此时排气门发生反跳,说明气门在下降段中已不受凸轮约束。图4所示为不同转速下的气门的速度曲线,在1000r/min 、2000r/min 、3000r/min 、4000r/min 凸轮轴转速下,配气机构工作正常,最大速度值分别为1010mm/s 、2002mm/s 、3026mm /s 、

4171mm /s,但是当转速达到5000r/min 时,气门在落座时存在着较明显的振动现象。图5所示为

不同转速下的气门的加速度曲线,由于气门间隙的存在,在开启和落座阶段的加速度值非常大,但当转速为5000r/min 时,在气门落座时刻出现加速度峰值,对气门座造成了很大的冲击,必须避免。

3.3 摇臂与挺柱的接触力

通过动力学虚拟仿真表明,摇臂与挺柱之间接触力是随凸轮轴转角而变化的。当摇臂与挺柱压紧时,就有接触压力存在。在正常工作中,接触压力应大于零,否则会在配气机构中产生脱开现象

,

图3 不同转速下气门的升程曲线