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内燃机配气机构系统刚度的虚拟设计(2)
作者:网站采编关键词:
摘要：从表 2可知，摇臂、摇臂架对刚度结果的贡献率超过50%。不同单元类型下有限元计算结果见表3。同时，有限元方法计算结果四节点四面体单元（TETRA）和八
从表 2可知，摇臂、摇臂架对刚度结果的贡献率超过50%。不同单元类型下有限元计算结果见表3。同时，有限元方法计算结果四节点四面体单元（TETRA）和八节点六面体单元（HEXA）结果较为接近，十节点四面体单元（TET10）计算结果相对偏小，这是因为一阶四面体单元稳定性最强，导致结构变形量比实际值偏低，刚度值偏大，而十节点四面体单元因为节点大幅增加导致系统稳定性变差，刚度值偏小。因此从工程可接受的时间成本综合考虑推荐使用四节点四面体单元进行网格划分。
图2 部分零件的位移云图Fig.2 Displace contour of parts注：采用八节点六面体网格。
表2 气门驱动系统各零部件刚度值及柔度分配表Table 2 Distribution table of flexibility and rigidity value of components in valve drive system气门驱动系统各零部件 刚度值/(N·m-1) 柔度分配/%摇臂 24.17凸轮轴 3.68推杆 45.58摇臂轴及支座 26.06挺柱 0.51
表3 配气机构刚度计算值Table 3 Calculation results of rigidity value of valve train system计算方法 单元类型 刚度/(N·m-1)四节点四面体 5 298.56十节点四面体 5 101.38有限元计算八节点六面体 5 242.15
2 刚度试验
2.1 试验装置
试验采用自行开发的配气机构试验系统，如图 3所示。杠杆的横截面设计为20 mm×25 mm，杠杆短臂长设计为60 mm，杠杆比为1∶5。激光传感器测得的信号通过串口通讯传送到上位机，其精度为0.0025 mm，起始距离为45 mm。
试验中，为减小系统误差，保证测量前凸轮位于基圆段，杠杆螺栓预紧力和摇臂轴螺栓预紧力按照整机装配要求进行加载[14]。
图3 应用激光传感技术的配气机构试验系统简图Fig.3 Sketch of valve train test system based on laser sensor technology
2.2 试验系统标定
为检验试验系统的合理性和准确性，加工一端紧固一端悬空的标准样件，样件由开有圆孔的固定端和有刀口的测量端组成，测量刚度时杠杆与刀口相接触，标定样件试验装置如图4所示。
图4 标定样件刚度测试装置Fig.4 Test device of stiffness for calibrating sample
为安装方便，将试验样件固定在被测发动机机体上。采用与试验配气机构系统相同的加载方式对标定样件的刚度进行多次测量。
固定端刚度远大于测量端，可以简化为图 5所示的悬臂梁模型。
图5 标定样件简化模型示意图Fig.5 Schematic diagram of simplified model for calibrating sample注：a为加载力位置距梁的固定端长度；l为梁的长度；F1为标准样件的加载力。
由于标定样件形状规则，标定样件的挠度和截面惯矩计算公式[15]如下
式中，f是梁的挠度，mm；l是梁的总长度，mm；a是加载力位置距梁根部长度，mm；E是钢的弹性模量，205 Gpa；I是截面惯矩，mm4；m，n是截面边长，mm；F1为样杆的标准标准样件加载力，N。
根据式（2）和（3）推出Kmeasure为412 N/mm，Kfixed为8.16×105 N/mm。
2.3 数据处理
从能量的角度分析，本文配气机构刚度数据处理的方法选用基于积分的面积平均法。
如图6中所示，根据功的定义，SABE表示从初始状态A到最终状态B所做的功，SBCE表示卸载过程所需做的功。二者面积存在一定的差异，这是因为在加载和卸载过程中始终存在着与载荷成正比的库伦摩擦。
图6 标定样件载荷-变形曲线Fig.6 Load-deformation curve of calibrating sample
在加载程中作用力Fa，N；和卸载过程中作用力Fb，N；始终和摩擦力Ff，N；及弹性力Ft，N；相平衡。
在加载过程中
卸载过程中
摩擦功Wf，J；为
其中
式中，K为样件的刚度，N·m；φ为与静载荷成正比的摩擦系数；δ为变形量，mm。将式（6）分别代入式（7）和式（8），可以求出刚度和摩擦系数。经计算刚度为407 N/mm。与仅根据加载端试验数据处理得到的刚度结果460 N/mm相比，两者偏差达到13.09%。
对比标定样件刚度结果可以看出，理论计算和试验计算结果相差1.2%，在工程可接受的范围内，该试验系统可以测量得到较为准确的刚度结果。
2.4 配气机构刚度试验结果
采用上述刚度测试系统对仿真原型柴油机的进气驱动端和排气驱动端分别进行配气机构静态刚度测量。采用多次测量取平均值法获得最终测量结果，与标定样件类似，整套弹性体的配气机构中凸轮、平面挺柱、推杆、摇臂间，摇臂与杠杆间在加载和卸载过程中均存在着库仑摩擦损耗。
根据试验数据得出载荷-变形曲线，如图7中所示。计算得到进气加载端刚度值为5 372.94 N/mm，排气加载端刚度值为10 842.11 N/mm。
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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