英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
关于柔性凸轮轴驱动的气门系统的3D动力学分析
摘要
考虑到气门与凸轮轴的相互作用，一个3D动力模型已经可以成熟的研究凸轮系统及其随动部件的动态响应。每个凸轮上产生不同的扭转力矩导致凸轮轴产生了扭转振动。由此产生的凸轮的速度波动影响了气门和其他的气门组件的动力学运动。
为了更好的表达出气门的关键部件，应该特别注意的是给定的凸轮从动件和气门弹簧。凸轮从动件作为一个力的接触关系部件可以是零件之间一遍又一遍的分开和压紧。在仿真的过程中气门弹簧被当做一个柔性的、可以引起重要的质量效应且呈卷状的部件。这个质量效应和相关的弹簧振动是发生在高速的运转下的。弹簧的整体接触关系在每个弹簧的碰撞中体现出来。
本文研究的模型是一个顶置双凸轮轴的V6发动机。一个完整的气门机构模型包括凸轮轴、气门、气门弹簧和摇臂。这次研究应用了多体动力模型、DADS等技术。这一个完整的动力模型包含了38个柔细体，每一个多重组合都有一个柔性体代表。除了凸轮及其随动件之外，接触力学原理也应用到了这个模型当中，包括气门顶上的摇臂和气门座。在凸轮轴中液压动力轴承被替代为滑动轴承的油膜。这个模型的另一个特征就是燃烧产生的力作用在了气门上。
引言
配气机构是发动机上最为复杂和关键的机构之一。气门升程的特性影响发动机的效率和整体的排放。除此之外，控制配气机构的噪音和震动对提高动力系统的整体性能有很大的意义。一个高度仿真的柔性多体动力模型系统对于提高配气机构的性能来说是一个强有力的工具。配气机构中这个复杂的零件较好的表现就是它能在仿真中获得由于凸轮、气体和惯性力引起配气机构的受迫振动的数据。在配气机构中应用的这种分析估算方法能在今天的发动机设计平台上得到很好的应用。
一个几种或者分散式参数的动力模型【1】能够将凸轮系统的动力特性表现出来。调查研究工作被应用于可变螺距、节距和半径的螺旋弹簧领域内【2】，弹簧工作在高速动力载荷的条件下【3】，而且会产生共振【4】。
这个估算方法的一个基本的缺点就是它仅仅适用于单一的配气机构，而对于其他的气门正时的其他零件，例如凸轮轴、齿轮系或者是皮带传动是被忽略的。然而，这个计算模型已经很成熟的应用于整体的配气机构，从凸轮轴的传动齿轮到最后的气门【5，6】。在这个仿真中研究了配气机构和凸轮轴震动之间的关系。这个配气机构包含了凸轮轴、摇臂和气门等，这些机构都参加了此次分析。在单一的配气机构中，凸轮的角速度的波动通过扭转力矩影响了凸轮轴的动力学。
最早关于配气机构噪音的来源和传播的研究【7】中显示，噪音是来源于凸轮的接触力和气门座。此外，贯穿于整个凸轮支撑轴承接触力的传动原理也在这个分析中得以研究。
在这个DADS模型中，气门弹簧被当做一个柔性体来解释质量效应和弹簧的畸形变形接触【8,9】。凸轮及其附属机构被当做力的接触关系来代替运动约束，并且允许凸轮和其他附属机构分离。在这个包含凸轮扭转力的约束、气门的摇摆、弹簧圈的碰撞和接触力的系统中，很多重要的作用通过这个仿真可以得出来。流体动力轴承被当做一个模型来代表径向轴承中的油膜来估算出凸轮轴轴承的载荷。
模型描述
图形1a展示了一个V6发动机的配气机构系统模型。这个完整的DADS模型包含了三个气缸和相关的零件。这个完整的模型有总共38个柔性的零件，包括有弹性的凸轮轴、进气门和排气门、摇臂和螺旋气门弹簧。每一个灵活的部件都有多重模式来代表这个柔性的总成。
这个模型的特征之一就是燃烧产生的力可以作用在气门阀上，另一个特征就是流体动力轴承用来计算凸轮轴承的载荷和液压元件用来模拟液压间隙调节器。
这个仿真模型是由凸轮轴的一端提供不变的角速度。凸轮轴的非线性旋转可以输入到这个仿真系统中。操作不同的发动机转速被用来改变角速度。
图1a 拥有凸轮轴的配气机构的3D图（V6发动机的右半部分的展示）
一个克雷格-班普顿模型的建立被用来解释局部的载荷以及整体的震动频率。它能很好的展示静态和动态的变形。这个模型的资料在表1中罗列。
表1. 克雷格-班普顿模型基于每一个柔性体。
|
柔性体 |
模态描述 |
频率范围 |
|
凸轮轴 |
弯曲度和扭转力 |
9--5000HZ |
|
进气阀 |
轴向弯曲度 |
8--9000HZ |
|
排气阀 |
轴向弯曲度 |
5--9000HZ |
|
摇臂 |
弯曲度 |
6--43kHZ |
|
气门弹簧 |
轴向的 |
20--7000HZ |
凸轮接触模型--这个凸轮模型运用了一个样条函数来是点与凸轮转角相对。凸轮的接触力是由于凸轮及其附属机构的坚硬和阻尼特性造成的。接触力由于凸轮的坚硬和阻尼而被记录，渗透和滑动速率也被确定。凸轮和滑动挺杆模型被当做分段接触所以零件可以一次又一次的分开和碰撞。凸轮接触单元依靠摩擦力维持速度。图1b展示了一个凸轮接触模型。
图1b 在配气机构系统中一个凸轮接触模型的确定
柔性的气门螺旋弹簧--配气机构、弹簧有很重要动态特性以至于影响着系统性能，尤其是在高速运转的情况下。在质量分布效果和非线性接触之间的圈状物有很大的影响。在DADS中螺旋弹簧可以获得需要的所有效果。一个关于梁单元的好的3D模型已经被建立。在这个好的模型非线性准静态分析（由DADS完成）中一套静态模型（包括圈状接触）和部分刚度被提出。
一个好的螺旋弹簧可以被用来详细的研究一个单一的气门弹簧。它可以压缩这个好的螺旋弹簧并且预算出弹簧的负荷变形性能。这个负荷变形性能往往是源自于有效的粗糙模型，它能密切的展示出粗糙模型的动态特征。一个粗糙的1D连续梁单元模型可以接近并获得精细模型的接触力。这个相似的模型通常用来进行动态研究单一的或完整的气门机构。图片1c展示了精细和粗糙的气门螺旋弹簧的代表，图1d展示了气门螺旋弹簧的负荷变形性能。
精细模型 粗糙模型
图1c 精细和粗糙的螺旋弹簧模型
图1d 从精细模型中估算出力的偏差曲线
接触力单元--除了凸轮及其附属机构之外，接触力单元应用到整个模型当中，包括气门杆头的摇臂托盘、气门阀上的密封圈等。图2展示了一个接触力单元的模型装配。
图2.接触力单元及其模型装配
赫兹接触模型通过接触面上很小的局部变形保留了每一个接触点。接触点所在的接触面的曲率半径影响着赫兹接触力。在仿真过程中这个面的曲率半径通过DADS计算获得。通常接触力是一个小模数的补偿函数，它能回复系数和转换速度。正切接触力（摩擦力）是摩擦系数和转换速度的函数。
流体动力轴承模型--凸轮轴轴承运用阻抗法被仿真当做流体动力轴承【12】。这个阻抗法（运用雷洛方程预先计算的方法）提供了高的计算效率。它给出了凸轮轴承载荷和柔性凸轮轴的最终扭转准确预测。一个精密的气缸盖被假设为凸轮轴和汽缸盖的相互作用而得出的。然而，流体动力轴承获得油膜的非线性合规和阻尼特性并且计算出轴承的精确载荷。
结果与讨论
单缸模型在图片3中展示，一个柔性的单缸配气机构模型首先要通过带有支柱的液压间隙调节器来研究出凸轮系统的动力特性，以及摩擦面之间的摩擦力。在这个单缸模型中凸轮轴和凸轮轴轴颈轴承被假定为刚性的，以至于凸轮轴是固定的。四个不同的速度运用到这个仿真分析当中，包括了配气机构及其附属部件中的凸轮性能和受迫振动响应。
图3 一个柔性的单缸配气机构模型
图4描述了再节气门全开的条件下的气体压力和四个不同的发动机转速下的气门升程。图5和图6绘出了气门阀速度（mm/deg）和加速度（mm/deg2）的简单比较。这个不连续的加速度在气门开启和关闭的时候可能会引起高的震动频率，尤其是在高的发动机转速下。
图4 气门升程位移和气缸压力
图5 气门升程速度
图6 气门升程加速度
凸轮/附属机构接触点的压力在图7中显示。在高的转速下（4800和6000erpm）,凸轮接触点压力的两个峰值出现在气门开启和关闭时刻。这可以理解为，在低速下，动力的影响不是很重要而且凸轮的型线相当于给定的凸轮轮廓线。凸轮型线上的接触力的曲线在高速下跟气门升程的加速度曲线很像，例如惯性力的施加。
图7 凸轮/附件接触点压力
图8显示了气门座的接触压力。在高的转速条件下，在210°的时候可以看到气门关闭时刻气门下降时气门座受到的压力（这是在6000r/min条件下的显示），并且产生了高的光谱能量和高的噪音频率范围。
图8 气门座的接触力
图9 气门弹簧力
在不同的转速下，气门弹簧力如图9所示。气门弹簧力的曲线在低转速（1500r/min）下与气门升程曲线很像，所以弹簧刚度在低转速下刚度几乎不变。在中等转速下（2500r/min），由于零部件的惯性作用动态效果很明显。在气门弹簧力的图形上，在每个周期每当气门关闭的时刻在搞的频率震动范围内都能看到很大的波动。在高的转速下（6000r/min），气门弹簧就不会发现有什么大的波动。
弹簧共振的大小决定了弹簧力是否能用一个离散的傅里叶变换来表示。有些动态响应，包括余震和增加的模式，在图10中有显示。图10中显示了气门弹簧在500HZ频率左右的震荡。
图10 气门弹簧力的范围
在图11中显示了再不同的发动机转速下调节器的力。不像气门弹簧的力，调节器的力不是关于180°对称的力。摩擦力是其中之一的原因，摇臂的震动频率值是最主要的原因。在凸轮和附属机构之间的点跟随着附属机构的圆柱面运动。这个不对称特征在发动机的整个转速中都能看到。调节器显示两个倾斜的峰值力在发动机的高转速范围内能够看到。
图11 调节器的力
完整的气门机构系统模型--完整的气门机构系统包括像在图1中显示的凸轮轴。
图12 凸轮轴在4800到6000r/min下凸轮接触力和刚性凸轮轴的对比
图12显示了在高转速4800-6000r/min下凸轮接触力的结果。在气缸之间，凸轮轴的力矩和弯曲度模型被提出导致了凸轮的耦合运动。在6000r/min的转速下，由于加速度的原因，进气时，凸轮接触力的结果在240°的凸轮转角附近有所减少，排气时，凸轮接触力的结果在140°有所减少。在4800r/min的转速下时，由于加速的的原因，凸轮的接触力在240度和140°的情况下都很大增加。这个现象的出现是由于在4800r/min的转速下的扭转震动比6000r/min的转速下要高得多（见图15）。这个残余应力的下降时由于在高的转速下，凸轮轴的扭转震动有所下降。在配气机构中，凸轮轴的仿真可以连续的得出这些力的结果。
图13 在4800r/min和6000r/min的转速下，调节器的力和刚性凸轮轴和柔性凸轮轴的力的对比。
图13中显示了在4800和6000转的转速下，调节器和柔性凸轮轴的力。由于摇臂的比例波动特性，液压调节器的力表现出典型的双峰倾斜。在6000转的转速下，在耦合的柔性凸轮系统中，进气时，246°下调节器的力是65N。然而，在严格的凸轮系统中，进气时，在246°时调节器的力是160N，因此无法预测减少的残余力。同样的结果在4800转的转速下也能看到。在包括附属机构的凸轮系统中，调节器的运动改变了附属机构中心点的位置，因此影响着凸轮及其附属机构接触点的位置。当调节器的速度降为零的时候引起了一个跳跃现象（调节器和附属机构的分离）。此外，耦合的柔性凸轮轴在仿真的时候可以算出凸轮减少的残余力和得出凸轮轴的弯曲对以及扭矩对调节器力的影响。
图14 在4800r/min和6000r/min下凸轮轴的扭矩
图15 在4800r/min和6000r/min下凸轮轴的扭转震动
在这个模型中，凸轮轴的扭矩响应可以被预测到。图14中显示了凸轮轴转矩的波动与凸轮轴角度的关系。图15中显示了在凸轮轴位移的两端扭转震动测量角的差异。在6000r/min的转速下，0.2°下的角位移偏差能被测量出来。此外，在4800r/min的转速下，0.3°的角位移偏差能够看到。这个结果是高于6000r/min的转速下的结果。
在图16中，四个转速下的第三个和第六个凸轮的扭转震动波幅别描绘出来了。图中显示，在4800r/min的转速下由于高的气体压力，由于第六个凸轮的震动幅度凸轮轴的共振比较明显，这个震动频率在V6发动机中比较容易出现。此外，这个图中显示由于速度的增加，第三个凸轮的震动频率也增高。在配气机构的动态分析当中，这个扭转震动效应在高的发动机转速下成为很重要的量。
图16 在1500、2500、4800、6000r/min转速下第三个和第六个凸轮的扭转震动振幅
图17和图18中记录了在4800和6000r/min的凸轮轴转速下进气时凸轮轴承载荷。在图17、18中显示的气缸之间轴承载荷的变化，只有通过这种灵活的动态系统才能获得。
图17，在4800r/min先进气凸轮轴承的载荷
图18，在6000r/min
全文共6267字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[154783]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
