基于ADAMS配气机构的动力学仿真分析

030041)
摘要 : 本文针对某柴油机的配气机构, 利用 ADAMS 软件建立了其多体系统动力学模型 , 并 对其进行了多体动力学仿真分析 , 得到了配气机构主要运动件间的作用力, 为后续柴油机整机 振动和噪声的分析和预测, 提供了更为精确的边界条件。 关键词: 柴油机; 配气机构; 多体系统动力学 中图分类号: TK423. 4 文献标识码: A 文章编号 : 1673- 6397( 2009) 02- 0037- 04
2
q
2 2
) q= n n
t
2
( 5) qk ql )q q kq l +
凸轮
(
q
)# q= -
t
+
k= 1 l= 1
∃ ∃
(
Βιβλιοθήκη Baidu
摇臂
q q t t n 时刻约束反力的确定 , 可由带乘子拉格朗日 方程得到 : ( q ) !=
T
q%
( 6)
间隙调 整螺栓 气门
d T T T T - dt ( q ) + ( q ) + Q
图 4 进气门的位移、 速度、 加速度曲线
图 7 进、 排气摇臂与气门杆端面间的接触力曲线
摇臂与气门杆端面处是下置凸轮轴式配气机 构最容易磨损的地方之一。分析它们之间的动态受 力情况 , 对于提高配气机构工作的可靠性和耐久性,
图 5 排气门的位移、 速度、 加速度曲线
图 4 和图 5 为进、 排气门位移、 速度、 加速度曲 线。可以看出随着发动机转速的提高, 气门的速度 不断增大 , 气门在开启与关闭时加速度冲击也增大。
Dynamic Simulation Analysis of the Valve Trains based on ADAMS
LI Xing- ran , ZHANG Bao- cheng , ZHAO Yan- tao , MA Yan- yan China; 2. Jiangyang Chemicals Plant, T aiyuan 030041 China) Abstract: The valve train! s mutil - body dynamics model of a diesel engine is established by ADAMS, and the valve train! s mut il - body dynamics analysis is carried out . The relat ional motion behavior is obtained. The simulation results are given as a more accurate boundary condition to analyze and predict the vibration and noise characterist ics of the diesel engine in the future. Key Words: Diesel Engine; Valve Trains; Mutil- body System Dynamics
1 1 1 2
( 1. College of Mechanical Engineering&Automatizat ion, North University of China, T aiyuan 030051
引
言
配气机构是发动机的重要部件之一 , 它的功能
运动加速度变化规律, 以及合适的正、 负加速度值。 传统上, 内燃机配气机构开发的方法往往是多 方案的比较和试凑, 在无计算机辅助设计的初始开 发阶段 , 如此反复的设计要求不但难以满足, 而且反 复进行实物试 验还会延长研发周期和 增加开发成 本。此外, 通常的配气机构运动学 动力学计算仅是 把机构当作一个弹性振动系统, 简化为单质量或多 质量模型 , 这样虽然大体上能够满足描述气门运 动规律的要求 , 但无法全面地反映出各构件的运动 以及构件之间相互作用的情况, 而且构件刚度等参 数必须通过实测或分析计算才能得到, 质量也需要 经过折算, 这不仅增加了建模的难度 , 也影响了分析 的精度 , 应用范围受到限制。 本文以多体动力学为理论基础 , 采用虚拟样机 技术, 应用 ADAMS 软件进行了某柴油机配气机构的 建模与仿真, 从而得到整个系统协调运作下的运动 规律和动力学特性。利用该种方法建立的配气机构
多体系统是指多个刚体或变形体通过一定方式 [3] 相互联结构成的复杂系统 。这类系统的特征是系 统的各部件存在大范围的相对运动 , 这些部件相互 连接方式的拓扑与约束形式多样 , 受力的情况除了 外力与系统各部件的相互作用外 , 还可能存在复杂 的控制环节。可以将配气机构看成一个由多个部件 组成的多体系统 , 用多体系统方法来研究配气机构 运动学问题。多体系统方法可以更加直观、 形象地 描述配气机构各构件的运动规律。 1. 1 ADAMS 运动学分析原理 利用 ADAMS 建立机械系统仿真模型时, 系统中 各构件之间存在运动副的连接 , 设运动副的约束方 程位数 nh , 用系统广义坐标矢量表示的运动学约束 方程为: k ( q) = [
( 7)
2009 年第 2 期
李兴然 , 等 :
基于 ADAMS 配气机 构的动力学仿真分析
% 39 %
建立的多刚体运动学模型如图 3 所示。通过 求解系统的完整约束方程, 可以准确求取各运动部 件间的运动学关系 , 以及配气正时和气门升程曲线 等重要参数。
进气门的落座速度为 0. 22m s, 排气门的落座速度为 0. 24m s, 符合钢气门 的一般要求 ( & 0. 6m s) , 保证 气门与气门座不会产生过大的振动和噪声。在气门 的加速度曲线运动中各出现了两次较大的冲击, 这 是由气门的开、 闭造成 , 也吻合配气机构的实际工作 情况。 2. 2 凸轮和挺柱间的作用力
k 1
图 1 配气机构三 维实体模型
( q) ,
k 2
( q ) , ∀,
k nh
( q) ] = 0
( 1)
又因为在考虑运动学分析时, 系统具有确定运 动, 所以要使系统自由度为零 , 因此对其施加自由度 ( nc - nh ) 的驱动约束:
D
( q, t) = 0
( 2)
在 ADAMS 仿真软件中, 运动学分析研究零自由 度系统位置、 速度、 加速度和约束反力, 因此只需求 解系统约束方程 : ( q, t ) = 0 ( 3) 任一 时 刻 tn 位 置 的 确定 , 可 由 约 束 方 程 的 Newton Raphson 迭代求得 : qj qj = ( qj , t n ) ( 4)
图 2 配气机构三 维实体模型 表 1 配气机构 约束条件 零部件 约束条件 绕凸轮轴中心旋转的转动副 与摇臂的线线凸轮约束 旋转驱动 与凸轮的线线凸轮约束 绕摇臂轴的转动副 与间隙调整螺栓的 固定副 与摇臂的固定 副 与气门杆的面面 约束 与间隙调整螺栓的面面约束 与 GROUND 的移动副
式中 , q j = q j + 1 - qj 表示 第 j 次 迭代。 t n 时 刻速 度、 加速度的确定, 可由约束方程求一阶、 二阶时间 导数得到 : (
作者简介 : 李兴然 ( 1982- ) , 男 , 河北省望都县人 , 在读研究生 , 主要研究方向为内燃机振动与噪 声控制。
% 38 %
内燃机与动力装置
2009 年 4 月
多刚体动力学模型不但能够较好地描述配气机构动 力学特性 , 而且具有极佳的可视化效果 , 为提高今后 产品自主开发能力起到积极的作用
图3
配气机构多刚体运动学模型
2
多刚体运动学计算
建立配气机构虚拟样机模型后, 给凸轮轴施加
图6 进、 排气凸轮与挺柱间的作用力曲线
旋转驱动, 即可模拟其实际运动。当发动机转速为 标定转速 2100r min 时, 对配气机构进行多体动力学 仿真的结果如下所示。 2. 1 进排气运动
在配气机构中, 以凸轮和挺柱的接触力最为严 重 , 容易发生过早磨损或擦伤、 劈裂等故障。由图 6 可知 , 进气凸轮与挺柱间的最大作用力为 3087N; 进 气凸轮与挺柱间的最大作用力为 6723N。由此可以 看出凸轮与挺柱之间的作用力具有明显的冲击力特 征 , 这种力将在很宽的频率范围内激起机体和配气 机构的各阶共振频率。因此对于内燃机整机振动预 测 , 凸轮与挺柱之间的作用力是不容忽视的。 2. 3 摇臂与气门杆端面的作用力
2009 年第 2 期 ( 总第 110 期 )
内燃机与动力装置
I. C. E & Powerplant
2009 年 4 月
模拟计算
基于 ADAMS 配气机构的动力学仿真分析
李兴然 , 张保成 , 赵艳涛 , 马艳艳 ( 1. 中北大学 机械工程与自动化学院 , 山西 太原
1 1 1 2
030051; 2. 江阳化工厂 , 山西 太原
降低接触副零件的相互磨损有十分重要的意义。由 图 7 可知, 进气摇臂与气门杆端面的最大接触力为 923N; 排 气 摇 臂 与 气 门 杆 端 面 的 最 大 接 触 力 为
% 40 %
内燃机与动力装置
2009 年 4 月
2052N 。 2. 4 气门与气门座之间的作用力
3 结 论
本文以多体系统动力学为理论基础, 基于 ADAMS 建立了配气机构的虚拟样机, 进行多体动力学计算, 得 到相应各运动件的运动规律以及各运动件之间的相互 作用力和碰撞力的变化规律, 并得到如下结论: ( 1) 分析结果表明多体系统动力学模型不但可以 很好的描述配气机构动力学特性, 而且利用本文方法 所得的配气机构动力学仿真结果, 与配气机构实际工 作情况吻合, 所以可直接用于后续对内燃机整机振动、 噪声分析, 同时说明应用 ADAMS 软件进行配气机构仿 真分析的可行性。
配气机构中, 气门往复不断冲击气门座, 而且一般 工作在无润滑的条件下, 因此气门与气门座之间的摩 擦磨损是主要的失效方式之一。 图 8 显示了气门落座时与气门座发生碰撞的过 程, 进气门与气门座之间的最大作用力为 25863N; 排气 气门与气门座之间的最大作用力为 25863N。由此可以 看出由于爆发压力的作用使得气门与气门座间接触力 突然增大形成峰值。
图 8 进、 排气门与气门座间的作用力曲线
( 2) 在额定转速下, 该配气机构动力学性能良好, 凸轮挺柱接触应力在允许的范围内, 气门座所受冲击 较小, 机构未发生气门反跳和构件飞脱现象。 参考文献:
[ 1] 徐兀 . 汽车发动机现代设计[ M] . 北京 : 人民交通出版社 ,1995. [ 2] 吴楠, 廖日东 . 柴油机系统配气机构的动力学分析 [ J] . 北京 汽车 ,2004( 6) . [ 3] 潘振宽, 徐茂荣 , 于培仁. 多体系统动力学及应用软件[ J] . 青 岛大学学报, 1996.
[ 2]
1. 2
多刚体运动学模型 在建立多刚体运动学模型时做如下假设: ( 1) 所有零部件都认为是刚体 , 各运动副均为刚
。
1
多刚体运动学建模
性连接 , 各运动副内摩擦力、 内部间隙忽略不计 ; ( 2) 不考虑气门间隙。可以在 ADAMS 软件中直 接建立各个构件的实体模型, 也可以在 UG 等三维 CAD 软件中建立实体模型 ( 见图 1) , 然后通过接口 导入 ADAMS。最后按照各个构件之间的运动拓扑 关系( 见图 2) , 添加相应的约束 ( 见表 1) 。
[1]
是实现换气过程 , 根据气缸的工作次序 , 定时地开启 和关闭进、 排气门, 以保证气缸吸入新鲜空气和排出 燃烧废气。配气机构也是发动机结构中最复杂、 工 作最繁重的部件之一 , 承受着强烈的 机械振动、 冲 击、 热负荷 , 配气机构设计的好坏直接关系到整个发 动机的动力性、 经济性、 噪声、 排放指标以及使用寿 命。一台发动机的经济性能是否优越, 工作是否可 靠, 噪音与振动能否控制在较低的限度 , 常常与配气 机构的设计是否合理有密切关系。设计合理的配气 机构应具有良好的换气性能, 进气充分, 排气彻底 , 即具有较大的时面值 , 泵气损失小, 配气正时恰当。 与此同时 , 配气机构还应具有良好的动力性能 , 工作 时运动平稳, 振动和噪音较小 , 不发生强烈的冲击磨 损等现象, 这就要求配气机构的从动件具有良好的