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内燃机配气机构系统刚度的虚拟设计
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摘要：0 引 言 内燃机配气机构的整个传动链是由一系列几何形状、刚度和质量各不相同的零部件组成的弹性传动链，传统的刚性设计在理论上不严密。因此，自上世纪中叶以来，众多研究者在
0 引 言
内燃机配气机构的整个传动链是由一系列几何形状、刚度和质量各不相同的零部件组成的弹性传动链，传统的刚性设计在理论上不严密。因此，自上世纪中叶以来，众多研究者在运动弹性力学基础上建立了一系列配气机构动力学分析模型[1-4]。这些动力学模型以整个配气系统为对象，研究机构弹性变形下气门的实际运动规律，往往将整个系统简化为一系列当量质量数，它们彼此之间由刚度和阻尼相连接[5-8]。
与其它模型相比，配气机构两质量模型的适用性、计算稳定性及精度等综合性能较好[9]，同时在实际应用中，发动机低转速对配气机构干扰相当于静载荷，况且刚度是影响配气机构动力学特性的主要因素[10]，因此，明确简化为两质量模型对配气机构系统的刚度值至关重要。
本文通过仿真方法对WD615型号发动机配气机构进行了建模与计算分析，对有限元处理方法进行了探讨，并应用激光传感技术对该配气机构的刚度值进行了试验验证，依据该方法对车用发动机常用机型配气机构的刚度进行了计算，明确了配气机构虚拟设计时关键参数刚度的确定方法。本研究为缩短农业机械开发周期，降低开发成本及开发新型配气机构等提供了参考。
1 刚度计算
1.1 理论计算方法
配气机构简化为两质量模型，即在单质量模型基础上，将气门与集中质量分离，如图 1所示，凸轮与质量块之间刚度仍然与单质量模型系统刚度相同为阀系总刚度，其刚度的计算采用有限元分析法。
图1 配气机构两质量模型Fig.1 Two-mass model of valve train
在利用有限元法进行配气机构计算时，通常将配气机构假设为弹性体，分别计算推杆、挺柱、摇臂、凸轮轴、摇臂轴及其支座的柔度，并换算到气门端，进而根据式（1）得到配气机构的总刚度。总柔度是总刚度的倒数，代表了加载单位载荷时，物体的变形量。
式中，F为加载力，N；δall为总变形量，mm；Kv为总刚度，N/mm。
1.2 理论计算方法分析
近年随着计算机的发展，有限元法得到了快速的发展[11]。应用有限元法不需要加工出零件实体就可以对零部件进行改进和设计，从而达到虚拟设计的目的[12]。
应用有限元法进行刚度求解的原理是将分析结构离散为有限单元体，通过单元处的节点，使分析结构变成一系列单元的集合体，根据最小势能原理建立节点位移与力矩阵之间的关系矩阵，结合边界条件求解刚度矩阵。所以结构划分单元的离散过程对计算结果十分重要。
对于固体强度计算，由于其单元特性，八节点六面体网格（HEXA）计算结果比四节点四面体网格（TETRA）、十节点四面体网格（TET10）单元更接近真实值[13]。在前处理器中，对于复杂结构四面体单元可以自动拓扑划分，较方便的生成网格，但同等结构规模条件下TET10单元构成的有限元模型的总单元数多，总自由度增加导致计算时间大幅增加。同种复杂结构对于六面体单元，自由度减少可以有效地降低运算时间保证结果的精度，但建立单元需要进行手动拓扑划分网格，前处理工作量较大。以WD615型柴油机进气摇臂为例，分别应用3种方法进行处理计算，从表1中的统计结果可以看出，由于节点和自由度的增加，TET10单元计算时间比 TETRA增加了近 80倍，HEXA的拓扑时间是TETRA计算时间的300倍。
表1 WD615进气摇臂不同网格下有限元的处理时间Table 1 Treatment time of intake rockers of WD615 using FEM under conditions of different grid unit单元类型 节点数 拓扑时间/s 计算时间/s 总时间/s四节点四面体 15 631 600 10 610十节点四面体 105 175 600 789 1 389八节点六面体 12 822 2 700 9 2 709
图2即为应用HEXA网格计算的部分零部件的位移云图。
1.3 理论计算结果及分析
为比较刚度计算方法，分别对下置式推-挺-摇结构的WD615型柴油机配气机构的进气端零部件进行了刚度计算，并将计算结果换算到气门端。在进行有限元处理前，为判断建立的CAD模型的准确性，将质量作为评判标准，分析模型与零部件实际质量测量值偏差均小于3%。以六面体网格单元为例，将计算刚度结果换算到气门端的柔度值，得到气门驱动各部分零件的柔度分配率。从表 2中可知对于该结构配气机构，推杆、摇臂、摇臂轴及支座刚度值对气门系统的刚度影响较大，设计时应重点关注，其中，摇臂轴及支座虽然刚度值较大，但由于其对应的换算系数为摇臂比加 1的平方，因此，对于摇臂比偏大的进气端，更加不可忽略摇臂轴及支座对气门系统刚度的影响。
文章来源：《内燃机与配件》 网址: http://www.nrjypj.cn/qikandaodu/2021/0407/764.html
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