175F配气机构动力学分析

基于175F柴油机配气机构动力学仿真分析

朱海锋，陈聪，谭杨，谢亚军，王泽湘

（长沙理工大学汽车与机械学院，长沙410004）

摘要：本文建立了175F柴油机配气机构的动力学分析模型，以ADAMS/Engine模块对其进行动态特性分析，获得了仿真分析数据，以此验证设计的合理性，并为进一步的优化奠定基础。

关键词:175柴油机配气机构；动力学计算；仿真分析；ADAMS

Based on Dynamic simulation analysis 175F Diesel Engine Valve ZHU Hai-feng,CHEN-cong, TAN-yang，XIE-yajun，WANG-zexiang

(Changsha University Of Science&Technology,Chngsha 410004,China) Abstract:A dynamic analysis model of 175F Diesel Engine’s valve train has been built, then by ADAMS/Engine software the dynamic characteristics of the system were simulated, and the data acquired, it could verify the rationality of the present design, the results also lay a foundation for further optimum.

Keywords: 175enginevalve train; computing of kinematics; simulation analysis; ADAMS

0前言

175F型柴油机作为一种通用动力源在湖南地区的农业生产中广泛应用，但对其配气机构进行的动力学研究较少。此型柴油机采用底置凸轮轴式配气机构，内燃机的配气机构决定了其进排气特性，继而影响发动机燃烧过程，它的设计是否优良最终影响了内燃机的各项性能。通过对配气机构的动态模拟能了解到其各个零件的真实运动情况、所受载荷变化规律；或者预知飞脱、反跳等不正常工况，判断设计是否合理，工作是否可靠，从而在不进行实机验证的情况下对设计进行改进。因此对柴油机配气机构动力学性能进行仿真分析的工作是必要的。

1 175F柴油机配气机构组成

175F型机的配气机构由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂、气门、气门弹簧及锁夹等零部件组成。采用下置式凸轮轴结构、每缸二气门型式、一体式进排气凸轮轴，通过实体测绘后使用Pro/E软件建立了该机构的三维几何模型，如图1所示。

图1

2 175F柴油机配气机构动力学性能的仿真分析

2.1 建模准备工作

底置凸轮轴配气机构其主要部件质量、转动惯量、质心位置等物理特性参数由三维软件Pro/E计算得到。部件几何位置关系，也有Pro/E计算得到。刚度、阻尼等由试验测得。动力学建模不同于运动学建模，将摇臂与气门接触处的曲线-曲线约束解除，而代之以碰撞力；气门与气门座之间，也定义一对碰撞力，模拟气门落座力；摇臂的支撑铰链解除，代之以柔性衬套；此外还定义气门与机体间的弹簧力。为考察仿真过程中参数的变化，还要预先定义凸轮压力角、凸轮与摇臂间相对滑移、摇臂与气门间相对滑移等参数，以便以后处理时观察仿真结果。

发动机及其配气机构相关数据：

发动机型式四冲程，单缸，风冷挺柱质量(g) 68.32

缸径/行程75/80 进气门组质量(g) 73.42

12小时功率(kw) 4.41 排气门组质量(g) 71.42

标定转速(r/min) 2600r/min 气门弹簧自由长度40mm

活塞排量(L) 0.353 气门弹簧压缩长度26.7mm

压缩比20 气门长度(mm) 98.2

冷却方式强制风冷推杆质量(g) 65.95

提前角18°摇臂比 1.12

2.1 在ADAMS中定义仿真模型

ADAMS/Engine是MSC与FEV和国际领先的发动机生产厂家联合开发的软件包，用于功能数字发动机。基于ADAMS动力学仿真，ADAMS/Engine提供了一整套标准化的仿真工具和方法，允许设计、测试、研发等各部门共享发动机模型和数据，同时基于模板的软件环境中获取发动机设计专家知识。在这里模型的配置按照以下步骤进行：

1.创建配气子系统，即创建推杆-摇臂型子系统。

2.替换气门弹簧，选择系统配置的“Vspring_mms”气门弹簧。

3.修改板的半径，“Modify Plate”对话框中配置参数“16”。

4.修改配气机构参数，在“Parameter Variable ”文本框中输入测量值设定弹簧安装长度、挺柱高度、推杆长度。

5.气门系统创建，选择默认的“_MDI_SVT_TESTRIG ”作为试验台。

6.修改凸轮包角，通过菜单把包角设为“90°”。

7.执行分析，在弹出的“Single Valve Train Analysis:Steady State ”对话框中输入如图3所示的分析参数。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 气门升程及速度曲线分析 气门升程及速度曲线分析 如图3和图4所示分别为气门升程 曲线和气门速度曲线，其光滑连续， 配气机构运行平稳，未出现不连 续的情况，说明气门无飞脱现象 产生。一般对于合金钢材料的气 门座圈，其落座速度应小于 0.6m/s,对于铸铁及粉末冶金 材料的气门座圈，其落座速度应

小于0.3m/s,由气门速度曲线可以得到最大气门落座速度为

0.25m/s 小于许用落座速度，气门升程曲线连续且在闭合处无波动，气门落座速度也无跳动，表明气门不存在反跳现象。 2.2.2气门加速度曲线分析

气门加速度是衡量配气机构平稳性的重要参数，加速度曲线应该比较平顺不能出现突变。在凸轮型线设计中，常将其正向加速度峰值和反向加速度峰值作为约束条件，控制凸轮接触应力以及防止机构中产生气门飞脱。由加速度图4-21可以看出，进气门加速度图可以

图2 分析参数输入对话框

图3气门升程与凸轮转角关系图

图4气门速度与凸轮转角关系图

-400 -300 -200 -100 0 100

90807060

50403020100-10-20

Angle(deg)

L e n g t h (m m )

500040003000200010000-1000-2000-3000-4000-5000

V e l o c i t y (m m /s e c )