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1、汽车工程? ?年?第? ?卷 ?第?期? ?配气机构有限元动力计算及分析吉林工业 大学乐俊秉李惠珍清华大学吴广全【摘要】本文应用 配气机构有限元动力模型对顶置气 阀下置凸轮轴配气机构进行了动力计算,计算结果与实测数据相符,并用此模型对? ? ?柴油机配气机构在各种转速工况下进行了动力分析,求出 了该机构运动规律、接触应力、振型、自振频率及气阀弹簧各圈的运动和振动。叙词?内燃机配气机构有限元动力模型?前言配气机构的 运动情况好坏,尤其是气阀弹簧的振动 情况对其工作可靠性 和使用 寿命有很大 的影响,而 目前采用的配气机构动力分析模型单质量和多质量弹簧系统,不能或不便于分析气 阀弹簧的真 实振动。
2、有 限元动力模型有较大的优点?一?。本文采用有限元法对配气机构进行 动力分析,可以得 到它 的振型、自振频率和气阀弹簧的振动,以及 整个配气机构的动力特性。?配气机构有限元模型顶置气门、下 置凸轮轴配气机构 如 图? ? 所示。实 际 机枚比较 复杂,为便于进行有 限元分析,作以下合理假设? 凸轮轴的 刚度比较大,对机构运动影 响较小,作刚体处理? 挺柱 刚度比较大,而 且在 运动方向的尺寸比较小,将其作集中质量处理? 推杆在 气 门开启过程 中,一般摆角很小,两端都是 相 当于铰结,几乎不 受横向弯矩作用,把它看成是 由若干杆单元组成 的直杆? 摇 臂被当作 梁处理,划分成若干个梁单元,考虑
3、其截面 变化比较大,计算时其截面按抗弯能力等效处理。由于纵向受力很小,主要是绕摇臂轴 的转动,故只考虑横向位移和转角? 摇臂轴的刚度对机构的振 动影 响较大,按弹性支承处理? 气门 弹簧的振动对整个配气机构的振 动影响 也很大,为便于分析弹簧的振动情况,把气 门内、外弹簧模拟 成 由很多单元组成 的并 联 的杆件,杆件的刚度等于相应的气门弹簧刚度,杆单元的数目与弹簧的有效圈数相 同,有效圈数不是整数时,单元数等于其取整后加? 气门按集中质量处理。图? ?为所建立 的 配气机构有限元模型。原稿收到日期为?卯?年?月? ?日,修改稿收到日期为? ?年? ?月?日。?男?年?第? ?卷?第?期汽车工
4、程挺 往?推 杆 摇 臂轴摇份轴支座 气门弹资卡环 气门弹簧?气门?结构 简图? ?有限元模型图?顶置气门、下 置凸轮轴配气机构?有 限元动力方程的求解? ? 有限元动力计算微分方程?殉?式 中?总体质量阵?阻尼阵?总体刚度阵?荀节点位 移的 加 速 度 向量?节点位移 的速度 向量?节点位移向量?节 点所受外力向量。? ?给定位移节点与独立位移节点的分离用下标?、?分别表示给定位移节点及独 立位移节点,微分方程? ?可写成?勺? ? 、门?弓、?掌? ? ? ? 叽?甸妇几蜘妇 ?从? ?叭几习?万叼十屿冬十几么十令补 ?电互?“互?喃?式 中?【?目?二?材?,【马卜?扩,【?如?日?对项
5、置气门、下置凸轮轴配气机构、推杆与 凸轮接触节点为给定位移节点,其余节点为独 立位移节点。由 ?得?呱? ?奋?瓜。?一?葫?一?、奋?一凡。?对式? ?积分即可求得不同时刻的独立位移节点 的动力 响应。然 后 由式? ?可求得作用于 凸轮 上 的接触力。? ?差分格式本文采用的差分格 式 为结构动力 学 中常用 的? ? ?法,由 于? ?法非 自起步,开始 两步使用了? ?, 月?扭? ? 法。? ?刀? ?法差分格式?取其平均加速度形式?为?矛落一咚?竹“从一“?十。?刃? ?。?式中?。? ?护,?,? ? !? ? ?二? ?为积分时 间步长?下同?。? ? ? ?差分格 式为?汽车
6、工程?男?年?第? ?卷?第?期矛专?一? ?一?卜山一“?一?体产?, ?、? ?一? ?,?卜,一?卜动? ? ?程序流程图按上述计算原 理及 方法 编写了计算程序,程 序 流程 图如图?所示。图 中叻,巾?为 积分步 长。程序启动翰入有关结构、特性参由凸轮升程、气门间隙、摇甘比计算理论气门开启对应 的凸轮转角气构造单元质?、刚度阵替捞?毛款瞥亨舞儡然噪资华 排 气门?兰二竺竺压丽丽居慧不贾汽门开启 前机构 的 初始 变形巴?百?开俞得到 气门实际开启对应的凸轮转 角 ?八形成 总体质?、刚度、阻尼阵功?丸十么动 返计算初始? ?计算摇有倾 角由钾髯体 质?、构的固有 ?有振型画反阵? 预
7、率、?叻?必求解动 力方程,得到机构 的动态响应气门落座? ?丫币输出计算 结果结束图?程序流 程图?计算实例以? ?柴油 机第三缸 进、排气阀配气 机构为例 进行 实例计算。该 机构用 双气 阀弹簧,并且 进、排气阀弹簧相同,其弹簧的主要参数如表?所示。其 摇臂 支座刚度实测获得为?加? ?摇臂质量 密度其它部件的结构 尺寸及材料参数为?一,? ?弹性模量? ?材剪切弹性模量?,悯?助?卯?年?第? ?卷?第?期汽车工程左 臂臂长? ? ? ? 右臂臂长? ? ? ?左 臂初始倾角一?右臂 初 始倾角?。左端面高度?冲以?右端面高度? ? 平均宽度?反刀?摇臂轴孔处截面等效高度? ? ? ?
8、 ? ?推杆质量密度? ? ?一? ? ?弹性模量? ? ? ?辛长度? ?优?截面面积? ?初始与铅垂方 向夹角? ? 挺柱质量?径?气门进气门组件质量? !排气 门组件质量? !进、排气门杆长? ?进、排气门杆直径? ? ?表? ? ?柴油机气门弹簧参数弹簧外弹簧内弹簧自由长度?有效圈数簧丝直径? ? ? ?反和刚度? ?了? ?少?质量? ? ? ? ?住?趾? ? ? 预紧力?卯?如? ?有限元单元的划分推杆划分为三个杆单元;摇臂从摇臂轴处分开,每端各划分为一个和 二个梁单元两种情况,即二个和四个单元,对两种情况分别进行了计算。4 .2阻 尼 系数的选取表2阻尼系数的选取阻阻尼系数数挺
9、柱柱推 杆杆摇臂臂摇臂轴支座座气 门弹簧簧气门门1 1 1# # #试的的5 5 55 5 55 5 5 5 55 5 55 5 5b b b b bx10一 5 5 5 5 5 1 1 1l l ll l l1. 2 2 2 2 22 2 2# # #试的的l 0 0 0l0 0 0l0 0 0 0 010 0 01 0 0 0b b b b bx10一5 5 5 5 5 2 2 22 2 22 2 22.4 4 4 4 43 3 3# # #州户 ) ) )25 5 525 5 525 5 5 5 525 5 525 5 5b b b b bx1 0一 5 5 5 5 5 5 5 55 5
10、 55 5 56 6 6 6 6阻尼系数的大小对计算的动态响应幅值有一 定的影响,为了分析其影响程度,作者在 阻尼系数选取的一定范围 内对动态响应进行了计算。阻 尼 系数的选取按表2所示。表中a、b为结构阻 尼比例常数。结构阻尼阵 C 按质量阵M和刚度阵 K 比例构成,即: c 二a【 M +b因表2中a为摩擦阻尼比例常数。滑 动摩擦阻尼 C如挺柱、气门等按 滑动质量M,计算,即:C=a,人 f,图3为三个有代表性的 阻尼 系数下计算的加 速度曲线。从图中可以看出阻 尼 系数在 一定数值时,其变化对计算幅值影响不大,如1#、产阻 尼 系数虽 相差一倍,但 计算幅值相 差很小,从图上看不 出差别
11、来,最大峰值仅相差不足3%。因此作者在以后的计算中 均 选取了2#阻尼。图4为摇臂取不同单元时的计算结果.可以看 出摇臂取二个或四个单元时,计算结果差别不大,由于摇臂高长比较大,单元划得太细,梁单元将变得短粗,而且摇臂尺寸本来就不大,作者认为把摇臂划成二个单元比较合适,以后 的计算结果都是将摇臂 取二个单元时得到 的。汽车工程19 94年(第1 6卷)第1期N哭已。工x侧侧写娠娠丸丸二个 单元2 01 6 1 28 40叫- - 8论 1 62 02 01 2 1 6 8“。讨- 8- - 1 21 6训N s00一x侧瑙目凸轮转角(。).一- -一-一一 一 一 - 州50100150凸轮转
12、角(“)凸轮轴转速1 3加r / m in,气 门间隙仓3 图3阻尼取不同值时的计算结果凸轮轴转速1 30 0r /而n,气门间隙0.3 图4摇臂取不同单元数时的计算结果4 . 3计算结果表3给出了 6 10 2 Q柴油机第三缸进气门配气机构前五 阶 固有频率及对应的最大 固有振型发 生位置。图5为前五 阶振型 图。从该图可以看出配气机构一 阶振型实质为气阀内弹簧一 阶振型。配气机构二阶振型实质为外 弹簧一 阶振型。配气机构 三 阶振型实质 为 内弹簧二阶振型。配气机构四阶振型实质为外弹簧二阶振型。配气机构五 阶振型实质为内弹簧三阶和外弹簧三阶以及 摇 臂、推杆的 振型。图6一图9为计算与实测
13、对比结果。从这些 图中可以看出,计算数据与 实测结果基本符合。推杆应变为推杆最下部单元的计算与实测应变,而 且气门加速度与推杆应变是同时测量和计算的。图 1 0为弹簧环振情况,从该图可以清楚地看出弹簧各圈随凸轮转角振动情况。图1 1为凸轮表面接触力,可以用该数据计算出凸轮挺柱的接触应力。为了分析气缸内气体压力对配气机构的动态影响,作者对6102 Q柴 油机三 缸排气门进行了计算。图 1 2为加气压力和 不加气压力 计算结果。从该图可以看出,加气压力后,气门开启 稍有 推迟。加 人气体压力的加 速度计算 峰值比不 加人气体压力 的略有增加,但影响不 大。表3计算的固有频率及对应 固有振型中幅值最
14、大节点位置.福纂芡猛暨一下爪蒙霭一 萦鳖酥一至丽一甲下-蔺西丽丁一一蔺面丽一一频率值(比)最大幅值发生位置2 47 . 21内气门弹簧第3簧圈277 . 33外气门弹簧第23簧圈510 .7 2内气门弹簧第1、2、4、5簧圈580刀1外气门弹簧第1耳簧圈剐58 0内气 门弹簧第1、3、5簧圈5结论(l )本文所讨论的 配气机构有 限元动力模型 比单质量动 力模型优越,可以进行配气机构的动力计算,可以计算出配气机构各零件的位移、速度和 加速度、零件的接 触应力 和 变形、配气机构的振动、振型及自振频率。其计算数据与实测结果基本相符。(2 )配气机构 的低阶固有频率对应的固 有振型中振幅最大的节点
15、均 在气阀弹簧上,气阀弹簧是 配气机构振动 的最薄弱环 节。(3 )本文计算方法可以研究气阀弹簧的簧振,而 且计算 精度比多质量 动 力模型 高,而卯4年(第 1 6 卷)第1期汽车工程单质量 动力模型是 无法计算簧振的。(4 )配气机构的阻尼对动态响应有一定 的影 响,但当阻 尼 系数在一 定数值 时,其变 化对计算幅值影 响不大,阻尼 系数相差 一倍,最大幅值仅相 差3%,这与 配气机构试验结果 表明:不 同润滑 油温度工 况下对加 速度振幅变化不 大是 一 致 的。(5 )在配气机构动 力计算时考 虑气缸压 力对它影 响与否,这对计算结果 影 响不大。 亦亦亦以以几几几甲甲中中人人人:对应推杆、摇臂节 点 :对应气门外弹簧 节点 :对 应气门内弹 簧节点图5前5阶固有振型图认。 工x侧暇段_ 鲡户 瑕一6卜. 形,二厂”_橄二一异,. 实 测
