配气正时系统动力学计算
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
可选:考虑凸轮质心
eccentricity causes an additional centrifugal force acting of rigid body.
全局坐标下(y-z坐标系第一曲拐朝上),凸轮 质心位置Give cam COG refering to global coordinate 建议：用3D模型直接获得精确值 估算：带凸轮的SHAF单元, 偏出基圆的面 积造成的偏心量为 At SHAF with a cam, eccentricity
第一缸燃烧上死点 计算气门数据 第一缸换气上死点 实际进气门 最大升程点
落后-140
配气相位：实际气门比计算气门落后(负)140CAMdeg，故凸轮数据 向后偏移 -140CAMdeg calculation must start 140 cam-deg before cam data starts: Shift
to the number of valves
建立凸轮轴,定义轴段数据 Preparing camshaft
Determine connection geometry between valve train and camshaft. Determine timing data (consideration of intake/exhaust-shift and firing order)
the relative damping of one SHAF/SHPU:(series-connection)
每段轴相对阻尼 弹性模量E 剪切模量G=E/2(1+v), v泊松比
D Shaf = n ⋅ D
其中:D为整个轴材料相对阻尼，可取D=0.01
Entire shaft relative damping D = 1%
area:(around x and bending axis ):
Ix =
Predecessor
前轴段
COG 1
A2 A1=πd2/4 横截面积 横截面积
本轴段
l1 + l2 l1 l + 2 I x1 I x 2
z
x
COG 2
其中:实心/空心圆柱2阶截面矩2nd degree Moment of
All SVTs+Camshafts+Drive动力学分析
no
结构修正
yes Ok?
模型:
g g g g g g g
上一流程中的SVT模型 轴模型 简单的皮带链条模型 (纵向特性) 详细的皮带链条张紧单元 动力学评价 (包括子系统的相互作用) 校核设计变量 为EXCITE的NVH分析获得边界条件 动力学要求的限制 (包括受力和运动) 3h for total Speed Range (15 Speeds)
目标: 边界条件: 计算时间:
g
2 - 3h per Engine Speed for one Chain/Belt Revolution, preferably at Resonance Areas
4
正时驱动系
例：三缸发动机-双气门,共用一凸轮轴
建议从发动机前端开始建模，凸轮轴为正向旋转
摇臂排气单阀系 一拐朝上 z
凸轮型线 数据 ：来自于CAM Design (或图纸)，必须0～360CAMdeg CAM Design中可知，该凸轮型线 产生的计 算气门 最大升程点位置 实际气门 与计算气门 最大升程点的相位差 δ (超前为正)
凸轮型线数据
12
相位单元Connection Shaft-Valvetrain
例:进气门相位(发火顺序1-2-3) Firing Order for Intakes
前端 凸轮轴承
x 后端
凸轮轴 相位 简易皮带
凸轮轴驱动
平面挺柱进气单阀系
5
建模 Create Model
Application Steps
建模步骤
coordinate system: x-axis is the rotation axis
全局坐标系:右手定则－ x旋转轴，顺时针旋转(正)，z轴垂直向上 Define global 初始条件:曲轴第一拐朝上(燃烧上死点)时,确定第一缸凸轮配气相位 建立并分析进/排气单阀系模型(以第一缸相位为准),存为用户模块,或直接拷 贝 Preparing a module of Single Valve Train intake(flat tappet) 调入进/排气单阀系模块, 并复制Multiply SVT’s according
area
质心
质心
绕y和z轴(抗弯 )
around y,z-axis (bending):
绕x轴(抗扭 )
around x-axis (rotation):
考虑弯曲和扭转刚度 Beam Connection
Iy = Iz =
π ⋅ (d − d
4 a
4 i
)
Fra Baidu bibliotek64
Ix =
π ⋅ (d a4 − d i4 )
Angle for Cam Data = -140 deg cam (1st cylinder)
发火顺序(1-2-3)：第一缸0 CAMdeg；第二缸落后(负)120 CAMdeg； 第三缸落后(负)240 CAMdeg
13
相位单元Connection Shaft-Valvetrain
发火顺序
各缸发火顺序
ν = 0.3 rSA = 0.887
z l
弯曲特性：受连接方式的影响较 小For cross sectional area and 2nd degree
moment of area for bending, the influence of connection is small.
da
y COG
di
确定各缸配气相位(发火顺序) 建立皮带/链条驱动模块 合并成整个正时驱动系 施加驱动和外载
Simulation和Result Control,进行计算
6
凸轮轴SHAF+SHPU
轴段及其连接
凸轮段、轴承段、轴段：分别用SHAF 皮带轮轴段/链轮轴段：用SHPU 各段为一集中质量点，有6个自由度(质量和惯量) 可根据x轴向位置，将本轴段与前轴段相连，考虑: 轴承 凸轮 Y和Z向弯曲 bending in y- and z-direction X向扭转 torsion in x-direction X向拉伸/压缩 tension/compression in x-direction 可以考虑弯曲和扭转振动Torsional and bending vibrations are considered. 连接特性填在本轴段中(橙色箭头所指)
应用多体动力学模型输入各个质点的 质量 ,刚度,阻尼和摩擦系数等属性
目标: 边界条件: 计算时间:
满足热力学性能的要求 产品的耐久性, 疲劳
动力学性能校核 动力学限制 (受力, 速度),耐久性,疲劳和噪声
Seconds
1 - 2 min per Engine Speed
2
阀系结构分析流程2: All SVTs+Camshafts+Drive
径向轴承 发火顺序 驱动轴 轴承段 凸轮段 轴段 凸轮段 轴承段 轴段 凸轮 轴承
旋转驱动 推力轴承
7
凸轮轴SHAF+SHPU
无汉字 本轴段 所有运动件绕x轴惯量 本轴与前轴间 所有运动件绕y或z轴惯量 皮带特性 包括所有该 轴段处的质量，如轮盘质量
质量和惯量：本轴段
上死点 z 带轮有效半径 定常摩擦力矩,常不考虑 x 速度相关摩擦系数,常不考虑 一般不用
due to area above base circle cylinder can be considered by:
c*
4 a−b c = ⋅ 3 π
*
其中: b-基圆半径 a-基圆半径+最大升程
9
凸轮轴SHAF+SHPU 各轴段阻尼:整轴由n段组成(串连)，则每轴 段的相对阻尼为:Shaft Damping: for n pieces of shaft,
............. 波松比 Poisson Number (Steel: 0.3) di ............. 轴内径 Shaft Inner Diameter d a ............. 轴外径 Shaft Outer Diameter 实心轴 For Solid Shafts with:
x
11
相位单元Connection Shaft-Valvetrain
第一缸凸轮配气相位
CrankAngle
实际排气门升程
计算气门曲线 实际进气门升程
燃烧上止点(FTDC)=0 CAMdeg
+δ
超前 +Crankdeg
-δ
落后 -Crankdeg Crankdeg
进
换气上止点(ETDC)=180 CAMdeg
32
10
凸轮轴SHAF+SHPU
皮带轮与轴
间的连接
剪切面积率
Shear Area Ratio
2
Connection between Pulley and Shaft
连接扭转刚度：考虑带轮与轴间 的连接形式、连接表面质量等。
Depending on the type of joint between pulley and shaft reduce torsional stiffness between SHAF-elements
抗扭2阶截面矩约缩小为reduction
rates for 2nd degree moment of area :
ν
rSA ..........剪切面积比 Shear Area Ratio
螺钉连接40%Screw connection 螺栓连接50% Form-fitting connection 锥形连接70-80% Conical connection 压力装配80-90% Force fit connection
3
目标:
边界条件: 计算时间:
g
g
阀系结构分析流程3: Detailed Chain/Belt Drive 详细的皮带链条模 型动力学分析 单元结构修正 张紧器的调整 no yes Ok?
模型:
g g g g g g
上一流程的模型 详细的皮带链条模型(离散模型) 详细的张紧器结构 (以实验测量为准) 动力学评价 (包括高阶效应的影响) 为 EXCITE的NVH分析提供边界条件 动力学受力和运动的评价
Firing Order
载荷数据时间偏移量 凸轮中心到基圆接触点的距离矢量
凸轮中心为坐标原点 定义基圆接触点的距离和方向 Vector cam center
to contact center
距离：y和z方向，主要是描述与凸轮轴的 相对运动方向，能够正确加入轴承的负载
Get the forces in the correct direction onto the camshaft model (so that the bearing loads are correctly considered).
本 段
正:绕x轴顺时针
本轴与前轴段连接：填 在本轴段模块中
z
l
本轴段惯量(实心)
di x
da
y COG
32 πD 2 3 2 2 Iyy = ( D + l )lρ 48 4
Ixx =
π
D 4 lρ
前 段 本 段
8
凸轮轴SHAF
凸轮质心的偏心量
Small Eccentricities
若柴油机凸轮质心偏心较大,需考虑凸轮质 心偏心产生的离心力影响 The consideration of the
ADVANCED SIMULATION TECHNOLOGIES
基础培训 配气正时系统 动力学计算
阀系结构分析流程一: Single Valve Train (SVT) SVT动力学分析
凸轮型线的设计和修改 no
运动学校核 yes
Ok?
结构参数优化 no Ok? yes
模型:
应用单质量或双质量模型 输入总的刚度,阻尼和质量 等属性
剪切面积率,实心0.9
等效截面积Equivalent area:
若为锥形轴，分成多段， 分别取平均半径和质心间距
Aequ =
l1 + l2 l1 l2 + A1 A2
y
l1
l 质心间距 l2
Actual
等效截面2阶截面矩(绕y,z抗弯2阶截面矩,绕 x抗扭2阶截面矩) Equivalent 2nd degree moment of
d 2 i 6 ⋅ (1 + ν ) ⋅ 1 + d a rSA = 2 2 2 d d i i (7 + 6 ⋅ν ) ⋅ 1 + d + (20 + 12 ⋅ν ) ⋅ d a a
eccentricity causes an additional centrifugal force acting of rigid body.
全局坐标下(y-z坐标系第一曲拐朝上),凸轮 质心位置Give cam COG refering to global coordinate 建议：用3D模型直接获得精确值 估算：带凸轮的SHAF单元, 偏出基圆的面 积造成的偏心量为 At SHAF with a cam, eccentricity
第一缸燃烧上死点 计算气门数据 第一缸换气上死点 实际进气门 最大升程点
落后-140
配气相位：实际气门比计算气门落后(负)140CAMdeg，故凸轮数据 向后偏移 -140CAMdeg calculation must start 140 cam-deg before cam data starts: Shift
to the number of valves
建立凸轮轴,定义轴段数据 Preparing camshaft
Determine connection geometry between valve train and camshaft. Determine timing data (consideration of intake/exhaust-shift and firing order)
the relative damping of one SHAF/SHPU:(series-connection)
每段轴相对阻尼 弹性模量E 剪切模量G=E/2(1+v), v泊松比
D Shaf = n ⋅ D
其中:D为整个轴材料相对阻尼，可取D=0.01
Entire shaft relative damping D = 1%
area:(around x and bending axis ):
Ix =
Predecessor
前轴段
COG 1
A2 A1=πd2/4 横截面积 横截面积
本轴段
l1 + l2 l1 l + 2 I x1 I x 2
z
x
COG 2
其中:实心/空心圆柱2阶截面矩2nd degree Moment of
All SVTs+Camshafts+Drive动力学分析
no
结构修正
yes Ok?
模型:
g g g g g g g
上一流程中的SVT模型 轴模型 简单的皮带链条模型 (纵向特性) 详细的皮带链条张紧单元 动力学评价 (包括子系统的相互作用) 校核设计变量 为EXCITE的NVH分析获得边界条件 动力学要求的限制 (包括受力和运动) 3h for total Speed Range (15 Speeds)
目标: 边界条件: 计算时间:
g
2 - 3h per Engine Speed for one Chain/Belt Revolution, preferably at Resonance Areas
4
正时驱动系
例：三缸发动机-双气门,共用一凸轮轴
建议从发动机前端开始建模，凸轮轴为正向旋转
摇臂排气单阀系 一拐朝上 z
凸轮型线 数据 ：来自于CAM Design (或图纸)，必须0～360CAMdeg CAM Design中可知，该凸轮型线 产生的计 算气门 最大升程点位置 实际气门 与计算气门 最大升程点的相位差 δ (超前为正)
凸轮型线数据
12
相位单元Connection Shaft-Valvetrain
例:进气门相位(发火顺序1-2-3) Firing Order for Intakes
前端 凸轮轴承
x 后端
凸轮轴 相位 简易皮带
凸轮轴驱动
平面挺柱进气单阀系
5
建模 Create Model
Application Steps
建模步骤
coordinate system: x-axis is the rotation axis
全局坐标系:右手定则－ x旋转轴，顺时针旋转(正)，z轴垂直向上 Define global 初始条件:曲轴第一拐朝上(燃烧上死点)时,确定第一缸凸轮配气相位 建立并分析进/排气单阀系模型(以第一缸相位为准),存为用户模块,或直接拷 贝 Preparing a module of Single Valve Train intake(flat tappet) 调入进/排气单阀系模块, 并复制Multiply SVT’s according
area
质心
质心
绕y和z轴(抗弯 )
around y,z-axis (bending):
绕x轴(抗扭 )
around x-axis (rotation):
考虑弯曲和扭转刚度 Beam Connection
Iy = Iz =
π ⋅ (d − d
4 a
4 i
)
Fra Baidu bibliotek64
Ix =
π ⋅ (d a4 − d i4 )
Angle for Cam Data = -140 deg cam (1st cylinder)
发火顺序(1-2-3)：第一缸0 CAMdeg；第二缸落后(负)120 CAMdeg； 第三缸落后(负)240 CAMdeg
13
相位单元Connection Shaft-Valvetrain
发火顺序
各缸发火顺序
ν = 0.3 rSA = 0.887
z l
弯曲特性：受连接方式的影响较 小For cross sectional area and 2nd degree
moment of area for bending, the influence of connection is small.
da
y COG
di
确定各缸配气相位(发火顺序) 建立皮带/链条驱动模块 合并成整个正时驱动系 施加驱动和外载
Simulation和Result Control,进行计算
6
凸轮轴SHAF+SHPU
轴段及其连接
凸轮段、轴承段、轴段：分别用SHAF 皮带轮轴段/链轮轴段：用SHPU 各段为一集中质量点，有6个自由度(质量和惯量) 可根据x轴向位置，将本轴段与前轴段相连，考虑: 轴承 凸轮 Y和Z向弯曲 bending in y- and z-direction X向扭转 torsion in x-direction X向拉伸/压缩 tension/compression in x-direction 可以考虑弯曲和扭转振动Torsional and bending vibrations are considered. 连接特性填在本轴段中(橙色箭头所指)
应用多体动力学模型输入各个质点的 质量 ,刚度,阻尼和摩擦系数等属性
目标: 边界条件: 计算时间:
满足热力学性能的要求 产品的耐久性, 疲劳
动力学性能校核 动力学限制 (受力, 速度),耐久性,疲劳和噪声
Seconds
1 - 2 min per Engine Speed
2
阀系结构分析流程2: All SVTs+Camshafts+Drive
径向轴承 发火顺序 驱动轴 轴承段 凸轮段 轴段 凸轮段 轴承段 轴段 凸轮 轴承
旋转驱动 推力轴承
7
凸轮轴SHAF+SHPU
无汉字 本轴段 所有运动件绕x轴惯量 本轴与前轴间 所有运动件绕y或z轴惯量 皮带特性 包括所有该 轴段处的质量，如轮盘质量
质量和惯量：本轴段
上死点 z 带轮有效半径 定常摩擦力矩,常不考虑 x 速度相关摩擦系数,常不考虑 一般不用
due to area above base circle cylinder can be considered by:
c*
4 a−b c = ⋅ 3 π
*
其中: b-基圆半径 a-基圆半径+最大升程
9
凸轮轴SHAF+SHPU 各轴段阻尼:整轴由n段组成(串连)，则每轴 段的相对阻尼为:Shaft Damping: for n pieces of shaft,
............. 波松比 Poisson Number (Steel: 0.3) di ............. 轴内径 Shaft Inner Diameter d a ............. 轴外径 Shaft Outer Diameter 实心轴 For Solid Shafts with:
x
11
相位单元Connection Shaft-Valvetrain
第一缸凸轮配气相位
CrankAngle
实际排气门升程
计算气门曲线 实际进气门升程
燃烧上止点(FTDC)=0 CAMdeg
+δ
超前 +Crankdeg
-δ
落后 -Crankdeg Crankdeg
进
换气上止点(ETDC)=180 CAMdeg
32
10
凸轮轴SHAF+SHPU
皮带轮与轴
间的连接
剪切面积率
Shear Area Ratio
2
Connection between Pulley and Shaft
连接扭转刚度：考虑带轮与轴间 的连接形式、连接表面质量等。
Depending on the type of joint between pulley and shaft reduce torsional stiffness between SHAF-elements
抗扭2阶截面矩约缩小为reduction
rates for 2nd degree moment of area :
ν
rSA ..........剪切面积比 Shear Area Ratio
螺钉连接40%Screw connection 螺栓连接50% Form-fitting connection 锥形连接70-80% Conical connection 压力装配80-90% Force fit connection
3
目标:
边界条件: 计算时间:
g
g
阀系结构分析流程3: Detailed Chain/Belt Drive 详细的皮带链条模 型动力学分析 单元结构修正 张紧器的调整 no yes Ok?
模型:
g g g g g g
上一流程的模型 详细的皮带链条模型(离散模型) 详细的张紧器结构 (以实验测量为准) 动力学评价 (包括高阶效应的影响) 为 EXCITE的NVH分析提供边界条件 动力学受力和运动的评价
Firing Order
载荷数据时间偏移量 凸轮中心到基圆接触点的距离矢量
凸轮中心为坐标原点 定义基圆接触点的距离和方向 Vector cam center
to contact center
距离：y和z方向，主要是描述与凸轮轴的 相对运动方向，能够正确加入轴承的负载
Get the forces in the correct direction onto the camshaft model (so that the bearing loads are correctly considered).
本 段
正:绕x轴顺时针
本轴与前轴段连接：填 在本轴段模块中
z
l
本轴段惯量(实心)
di x
da
y COG
32 πD 2 3 2 2 Iyy = ( D + l )lρ 48 4
Ixx =
π
D 4 lρ
前 段 本 段
8
凸轮轴SHAF
凸轮质心的偏心量
Small Eccentricities
若柴油机凸轮质心偏心较大,需考虑凸轮质 心偏心产生的离心力影响 The consideration of the
ADVANCED SIMULATION TECHNOLOGIES
基础培训 配气正时系统 动力学计算
阀系结构分析流程一: Single Valve Train (SVT) SVT动力学分析
凸轮型线的设计和修改 no
运动学校核 yes
Ok?
结构参数优化 no Ok? yes
模型:
应用单质量或双质量模型 输入总的刚度,阻尼和质量 等属性
剪切面积率,实心0.9
等效截面积Equivalent area:
若为锥形轴，分成多段， 分别取平均半径和质心间距
Aequ =
l1 + l2 l1 l2 + A1 A2
y
l1
l 质心间距 l2
Actual
等效截面2阶截面矩(绕y,z抗弯2阶截面矩,绕 x抗扭2阶截面矩) Equivalent 2nd degree moment of
d 2 i 6 ⋅ (1 + ν ) ⋅ 1 + d a rSA = 2 2 2 d d i i (7 + 6 ⋅ν ) ⋅ 1 + d + (20 + 12 ⋅ν ) ⋅ d a a