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内燃机配气机构系统刚度的虚拟设计(3)
作者:网站采编关键词:
摘要：图7 进气加载端的载荷-变形曲线Fig.7 Load-deformation curve of intake loading 以进气加载端为例，在相同的试验条件下，分别更换气缸、摇臂及摇臂轴，得到的试验
图7 进气加载端的载荷-变形曲线Fig.7 Load-deformation curve of intake loading
以进气加载端为例，在相同的试验条件下，分别更换气缸、摇臂及摇臂轴，得到的试验结果见表4。
表4 不同测量条件下的配气机构刚度Table 4 Stiffness of valve train under different measurment conditions试验条件加载位置试验气缸是否更换摇臂是否更换摇臂轴结果/N·mm-1相对误差/%5 No No 5 373 5 Yes No 5 256 2.18 4 No Yes 5 200 3.29进气端4 Yes Yes 5 464 1.70
从表 4中的结果可以看出，更换气缸位置、摇臂和摇臂轴对试验结果的影响不大，造成这种现象的原因是，在相同的试验操作条件下，更换气缸位置后，由于 4、5缸凸轮轴静态刚度基本一致因此其不会对系统刚度值产生影响，同时不同摇臂和摇臂轴对系统刚度值的影响仅仅是由微小的加工误差造成的，表明试验系统的重复性较好。
2.5 试验结果对比分析
将表 3中采用计算得到的各刚度值（5 100～5 300 N/mm）和表 4中试验测量的各刚度值（5 200～5 500 N/mm）进行比较发现，有限元计算结果和试验结果略有差异，这是因为由于有限元计算的三维模型忽略了上油孔等结构和实际零部件略有差异，试验过程中杠杆和摇臂接触位置及激光传感器测点会略有改变，对试验结果产生一定的影响。但四面体一阶单元（TETRA）和八节点六面体单元（HEXA）模型结果误差均在5%之内，在工程可接受范围内。证明有限元法可以进行配气机构刚度的评价。
3 配气机构虚拟设计
3.1 配气机构设计对刚度的要求
配气机构虚拟开发设计中，系统刚度是至关重要的参数。设计时刚度值应在满足可靠性要求即不发生飞脱和反跳、不与活塞顶部碰撞、热应力和机械应力水平不高耐久适用的同时，尽可能的减少摩擦损失和噪声，在避免系统共振的情况下提高系统的自振频率以减少振动，提高动力学特性。
3.2 配气机构虚拟设计的刚度参考
对于农用机械来说，主要采用下置式推挺摇式配气机构， 部分分析样本的性能参数性能见表 5，分别应用仿真和试验的方法，求出多种不同下置式机型配气机构随气门质量变化的刚度值，以进气端为例，统计结果见图8中所示。
表5 发动机样本的性能参数Table 5 Performance parameters of engines sample参数机型 气缸数缸径/mm行程/mm额定功率/kW额定转速/r·min-1进气门数量进气摇臂比进气门内径/mm进气门升程/mm 490QZ 4 90 95 55 3 000 1 1.55 40 9.26 JX493 4 93 102 85 3 600 1 1.43 34.5 9.28 WD615 6 126 130 150 2 200 1 1.65 41 13.5 226B 6 105 130 176 2 400 1 1.60 43.5 10.3 D6114 6 114 135 184 2 200 2 1.72 32.3 6.85 6DF1-26 6 110 115 192 1 400 1 1.86 44 13.1 P7 6 108 130 220 2 300 2 1.67 29 9.67 6114B 6 114 135 280 2 200 2 1.72 44 13.1 P12 6 126 155 353 2 400 2 1.40 34.4 8.94 6V150 12 150 160 393 2 600 2 1.79 48 7.5 6M26 6 150 150 442 1 950 2 1.54 46 12.8
从图 8中可以看出，在有摇臂构的配气机构中，随着气门质量的增加，配气机构整体刚度增加，变化趋势近似呈二次多项式关系。气门系统的自振频率是评判配气机构设计好坏的关键，根据其定义公式，由0.5/π和刚度除以质量值的0.5次方的乘积，可以计算得到样品配气机构的自振频率位于 30 000～50 000次/min的范围内，与设计经验相符[16]，且随着气门质量的增加，气门系统自振频率会逐渐减小。
图8 配气机构刚度统计结果图Fig.8 Statistical results of stiffness of valve train system
在农用机械配气机构虚拟设计时，首先根据表 5中的参考机型按照布置和整机性能要求对设计参数进行初选，确定配气机构设计所需的参考参数。然后根据自身设计要求，由于进气门最大通路面积正比于发动机最大功率[16]，且其值取决于气门升程和气门座内径的尺寸，同时由气门座内径尺寸气门升程确定取值范围，因此可以由发动机气门升程和气门尺寸估算出气门质量。而后，根据图 8确定设计机型配气机构的刚度取值范围，进而根据两质量模型校核计算设计机型内燃机配气机构的动力学性能、凸轮型线、气门弹簧等零部件的系统匹配特性。根据预留位置设计推杆、挺柱和摇臂等零部件结构，并通过有限元技术校核其刚度性能和结构拓扑优化，同时结合气门系统自振频率的校核以实现配气机构的虚拟设计。
4 结 论
本文应用仿真和试验方法对配气机构的关键参数刚度进行了研究，并得出了以下结论：
1）利用有限元方法进行配气机构刚度校核时不能忽略摇臂轴及其支座、凸轮轴的刚度，综合考虑计算成本，推荐应用四面体一阶单元（TETRA）进行计算，并通过试验验证，TETRA和HEXA模型计算结果和试验结果误差在5%之内。
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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