（车辆工程专业论文）重型车用涡轮增压柴油机配气机构性能研究.pdf

摘要 摘要 配气机构是内燃机重要的组成部分，其性能对内燃机的动力性、经济性和 排放都有很大的影响，进气充分，排气彻底，有助于提高功率，提高燃油经济 性，降低排放。同时，配气机构本身的工作稳定性和可靠性也是非常值得关注 的方面。本文结合配气机构的运动学和动力学分析理论，使用t y c o n 软件对配气 机构的各项性能，如运动规律、凸轮和从动件之间的接触应力和油膜润滑情况、 气门落座情况、气门弹簧受力情况等进行了综合分析，再结合b o o s t 软件分析配 气相位变化对于发动机性能的影响。 本文的研究内容主要有以下几个方面： 1 对某重型车用柴油机的配气机构建立运动学模型，对配气机构的运动规 律和一些特征指标进行计算，从中总结出一些结论，并对气门和活塞之间的间 隙进行计算。 2 建立配气机构的动力学模型，对气门落座力、凸轮和从动件之间的受力、 相对滑动速度、接触应力和润滑油膜厚度、气门弹簧的受力进行了计算分析和 校核，主要考虑配气机构工作的稳定性和可靠性，并分析发动机转速对各项性 能指标的影响。 3 使用多项动力加速度函数设计新的凸轮型线，以提高丰满系数和动力学 性能为目的，研究使用该函数设计凸轮型线的方法，以及各参数对于运动学性 能指标的影响。并将新设计的型线代入原有模型后对其进行动力学计算，校核 其动力学性能是否能够满足要求，是否具有足够的可靠性。 4 使用b o o s t 软件建立整机模型，研究使用新的凸轮型线后发动机性能的 变化，并分析配气相位的变化对于发动机性能的影响，最终结合气门和活塞的 间隙来确定配气相位。 关键词：柴油机，配气机构，凸轮型线，运动学，动力学，接触应力，润滑， 配气相位 a b s t r a e t a b s t r a c t v a l v et r a i ni sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to fa l li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e i t h a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ep o w e r , f u e le f f i c i e n c ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h e e n g i n e i fm o r ef r e s ha i rc a nb es u p p l i e dt ot h ec y l i n d e r sa n dt h ee x h a u s tg a sc a nb e d i s c h a r g e d f r o mt h e c y l i n d e r sm o r ee f f i c i e n t l y , t h e nt h ee n g i n ep o w e rw i l l b e i n c r e a s e d ，t h ef u e lc o n s u m p t i o nw i l lb ed e c r e a s e da n dt h ee m i s s i o np e r f o r m a n c ew i l l b eb e a e r o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h ev a l v e t r a i ns h o u l da l s ob ec o n c e r n e d t h i st h e s i su s e sas i m u l a t i o ns o f t w a r et y c o nt o a n a l y z et h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fad i e s e lv a l v et r a i no nt h eb a s i so f t h ev a l v et r a i na n a l y s i st h e o r y t h em o t i o no ft h ev a l v e ，t h ec o n t a c ts t r e s sa n dt h e l u b r i c a t i o nb e t w e e nc a ma n di t sf o l l o w e r , t h ev a l v ec l o s i n gf o r c ea n dt h ev a l v es p r i n g f o r c ew i l lb ea n a l y z e d a n dt h i st h e s i sa l s ou s e sa n o t h e rs i m u l a t i o ns o f t w a r eb o o s tt o a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fv a l v et r a i no nt h ee n g i n ep e r f o r m a n c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t ： 1 t h ek i n e m a t i cm o d e lo fad i e s e lv a l v et r a i ni ss e tu p t h em o t i o no ft h ev a l v e t r a i na n ds o m eo t h e rc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d f r o mt h er e s u l t ss o m e c o n c l u s i o n sa r em a d e e v e n t u a l l yt h ec l e a r a n c eb e t w e e nv a l v ea n dp i s t o ni sc h e c k e d 2 t h ed y n a m i cm o d e lo fad i e s e lv a l v et r a i ni ss e tu p t h ev a l v ec l o s i n gf o r c e ， t h ef o r c e ，t h er e l a t i v ev e l o c i t y , t h ec o n t a c ts t r e s s ，t h eo i lf i l mt h i c k n e s sb e t w e e nc a m a n df o l l o w e ra n dt h es p r i n gf o r c ea r ec a l c u l a t e d t h i sw o r kf o c u s e so nt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h ev a l v et r a i n o t h e r w i s et h ei n f l u e n c eo fe n g i n e s p e e d o nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fv a l v et r a i ni sa n a l y z e d 3 ap o l y d y n ec a mp r o f i l ei sd e s i g n e dt oi n c r e a s et h ef u l l n e s sr a t i oa n ds o m e o t h e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e s t h ed e s i g nm e t h o do fc a mp r o f i l ea n dt h ei n f l u e n c eo f t h ep a r a m e t e r so fp o l y d y n ef u n c t i o no nt h ek i n e m a t i cp e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e d t h e d y n a m i cm o d e l ，w h i c hu s e st h en e wc a mp r o f i l e ，i sr e c a l c u l a t e dt oo b t a i nt h e i n f l u e n c eo ft h en e wc a mp r o f i l eo nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt ov e r i f yt h e r e l i a b i l i t yo f t h ev a l v et r a i n 4 ae n g i n em o d e li sc r e a t e db ya n o t h e rs i m u l a t i o ns o f t w a r eb o o s t t h ec h a n g e i l a b s t r a c t o fe n g i n ep e r f o r m a n c ea f t e ru s i n gt h en e wc a m p r o f i l ei sc a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c eo f t h ev a l v et i m i n go nt h ee n g i n ep e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e d w i t l lt h ec a l c u l a t i o no ft h e c l e a r a n c eb e t w e e nv a l v ea n dp i s t o nan e wv a l v et i m i n gi sd e s i g n e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，v a l v et r a i n ，c a mp r o f i l e ，k i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ，c o n t a c t s t r e s s ，l u b r i c a t i o n ，v a l v et i m i n g i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：锃倪丝 沙乎年 4 2 0 v a n ei j f i 【m m l i i i i v a es p e e d m r r d r a d 】 i 一v a i v ea c c e l e r a t i o n m m r a c y 2 1 1 3 51 8 0 c a ma n g l e d e g 】 图2 5 进气门升程、速度和加速度运动学计算结果 l l h 口 4 0 毒 e e c o 2 0 需 u u 0 焉 伯 5 o 巧 竹 一口l、一口cl价一再x 第2 章配气机构模型的建立和运动学计算 一v a l v e u f f l m m l 一v a l v es p e e d m m # e d 】 - v a l v ea c c e l e r a t i o n r a m t a d 2 图2 6 排气门升程、速度和加速度运动学计算结果 2 2 1 凸轮接触应力 “ 气 口 e e c o u u 仍 凸轮和从动件之间的力主要有气门弹簧力、惯性力、# i - ) j h 载荷和从动件重 力构成，而接触应力的产生除了与相互之间的作用力有关之外，还与接触表面 的形状、材料性质和表面处理情况有关，若材料和表面质量不变，则接触应力 主要取决于接触力和两个物体的接触形状【1 0 】。如果凸轮和从动件由相同材料制 成，则两者之间的最大接触应力可由下式计算： 日一接触法向力； e 材料弹性模量； w 接触宽度； 仃一= 0 4 1 8 1 2 ( 2 1 ) 为 侣 竹 5 o 惦 笛 一口l、ee一口c|价lmw 第2 章配气机构模型的建立和运动学计算 r 。一从动件半径； j i c 凸轮型线半径。 对于钢和钢的接触，对于接触应力的要求是： 盯一 1 5 ； ；i 八 了 、 一声 、 。、” j ， 一 ， i 卜= = 斗 i t ； ； - r ；， ； 1 5 4 0 c a ma n g t e d e g l 图3 1 0 进气门在2 2 0 0r m i n 时的气门落座力和速度曲线 3 3 3 2 1 一t ， e o ：蚕 u o 7 2 0 0 0 0 垂 伽 | | 三jaujol苗m 1 5 0 0 1 2 5 z u 足7 c ，) 3 7 5 o 第3 章配气机构的动力学计算 s e 毹f o r c e n l v e l o c i t y m s 5 4 0 c a ma n g l e d e g l 图3 ，1 1 排气门在1 3 0 0r m i n 时的气门落座力和速度曲线 7 2 0 s e a tf o r c e n 】 2 1 5 1 0 5 、o - ) e 0 鸯 o 0 5 笋 1 1 5 - 2 c a ma n g l e d e g l 图3 1 2 排气门在2 2 0 0r m i n 时的气门落座力和速度曲线 3 4 ，广 第3 章配气机构的动力学计算 以上分析可以得到气门落座时气门与气门座之间冲击力大小，以及两者之 间作用力的变化情况。1 3 0 0r m i n 时进气门的最大落座力为4 9 6 7n ，落座速度 0 1 6 3m s ，排气门的最大落座力为8 4 3 3n ，落座速度o 1 5 0m m2 2 0 0r m i n 时 进气门的最大落座力为1 1 2 4 2n ，落座速度0 2 8 9r n s ，排气门的最大落座力为 1 0 2 2 8n ，落座速度0 2 8 4m s 。对于柴油机来说，气门落座速度要小于o 5m s ， 气门最大落座力小于气门弹簧预紧力的6 倍，该配气机构的气门弹簧预紧力为 4 3 0n ，因此气门的最大落座力和落座速度满足要求。 从以上曲线的对比中，可以得到以下结论： 1 进气门的落座力计算没有考虑气缸压力对气门的影响，因此在气门关闭 时，气门和气门座之间的作用力基本等于气门弹簧的预紧力。 2 在低转速工况时，最大落座力基本等于气门弹簧力，而排气门由于考虑 了气缸压力的影响，最大落座力大于进气门的最大落座力。并且在低速时，落 座冲击力曲线有明显的振动，但是幅度相对较小，呈递减趋势。 3 随着转速的增大，落座冲击力明显增大，并且振动幅度增大。 4 在低转速时，落座速度较低，气门冲击气门座的能量较小，落座力较小； 而在高转速时，落座速度较大，气门冲击气门座的能量较大，落座力较大，如 果落座力大到一定程度，由于气门和气门座都具有一定的弹性，可能会造成气 门反跳。 5 可以看到，低转速时，落座力的振动从开始到趋于缓和的过程时间较短， 而在高转速时，这个过程较长。这是因为低转速时一定的曲轴转角所对应的时 间比高转速时长，因此可以认为从气门落座冲击开始到结束所需要的时间在各 种转速下是恒定的1 7 j 。 3 2 3 凸轮接触应力与润滑分析 凸轮和从动件是内燃机中一对重要的摩擦副，凸轮与从动件之间的接触应 力和润滑情况关系到凸轮和从动件的摩擦磨损和表面损坏，因此该问题是内燃 机配气机构分析中的一个重要问题。如果凸轮和从动件之间的润滑状态不好， 会造成凸轮表面过早发生点蚀和擦伤，润滑油膜的厚度是判断润滑状态和是否 会发生凸轮表面点蚀和擦伤的重要依据。 凸轮和从动件之间的接触应力和润滑情况，是关系到配气机构可靠性和耐 久性的问题。改善凸轮与从动件之间的受力情况和润滑情况，是配气机构设计 第3 章配气机构的动力学计算 和分析所必需要考虑的问题。 3 2 3 1 凸轮和从动件之间的相对滑动 凸轮和从动件之间的相对滑动影响到了凸轮与从动件之间油膜建立的情 况，因此有必要对两者之间相对滑动速度进行计算。 如图3 1 3 所示，凸轮与平面挺柱在a 点相接触，凸轮在4 点的速度为r o c o 。， 平面挺柱在么点的速度为夕，即挺柱升程对时间求导，两者之间的相对滑动速度 即为图中的h 。这三个速度组成的三角形和a a b o 相似，因此可以得到以下结论 2 2 1 o 砂 可以看到，p ：上：望：叟：j ，所以，p 实际上是升程对于凸轮转角求 彩d o td c t 。 “ 。 出 导的结果，即挺柱运动的几何速度。 从相似三角形中还可以得到， 1 ，f，0 + j ， 一：一 r o 皱r o 得， 1 ，= ( ，0 + y b 。 ( 3 5 ) 3 6 4 三 吐 = p 夕石 扣 得 第3 章配气机构的动力学计算 图3 1 3 凸轮与平面挺柱之间的相对运动 t y c o n 可以对挺柱的升程和速度进行计算，根据以上的公式对计算结果进行 转换，就可以得到凸轮和挺柱之间的相对滑动速度，如图3 1 4 所示。 一i n t a k e l 湖r 加h 一i n t a k e2 2 0 0r ，n h e x h a u s t13 0 0r 加n e x h a u s t2 2 r f m 1 图3 1 4 进排气凸轮和挺柱之间的相对滑动速度 3 7 第3 章配气机构的动力学计算 从进排气凸轮和挺柱之间相对滑动速度计算可看到，发动机转速越高，凸 轮基圆半径越大，两者之间的相对滑动速动越高。 凸轮与平面挺柱之间建立油膜的有效速度等于凸轮表面对油楔的相对速度 加上挺柱表面对油楔的相对速度，如式3 6 所示： 1 ，：1 ，+ 坐( 3 6 ) 班 由于e = y ，因此， 比 咖7矽1萝 d ld l m ( 9 cc 所以， 1 ，= ( r o + y b 。+ 上 ( 3 7 ) ， 通过对已有的挺柱升程和加速度计算结果进行转化，就可得到以上有效速 度的计算结果，图3 1 5 计算了进气凸轮在1 3 0 0r m i n 时与挺柱之间油膜建立的 有效速度。 2 5 2 0 1 5 一4 0 呈5 吾 g0 山 5 1 0 1 5 加 一i n t a k e l 湖r ，h h l i - -。lk l 憔k 一山从 懈 l o ：i 帅h 9 _ 咿。1 ” r 。一，1 一二 77 ”。+j “+ “ ； i ，、。- _ 、t - ，。， r 、一 ，t ，j 7 ， 5 4 0 c a ma n g l e d e 9 1 图3 1 5 承载油膜的有效速度 3 8 第3 章配气机构的动力学计算 在正负加速度过渡的地方，承载油膜的有效速度为零，即形成油膜的速度 为零。油膜的有效速度，再结合凸轮的载荷和机油的黏度等，就可以决定油膜 的厚度。在后面对于油膜厚度的计算中可以看到，油膜的有效速度曲线和油膜 厚度曲线的形状相似。 3 2 3 2 凸轮和从动件之间的接触应力 凸轮和从动件之间的接触应力是决定凸轮表面是否会发生过早磨损和点蚀 的条件之一。接触应力决定于凸轮和从动件之间的受力情况和两者的接触形状 有关，因此先对两者之间的相互作用力进行分析【2 5 1 ，如图3 1 6 和图3 1 7 所示。 一i n t o k e 1 3 0 0r 加i n 一一i n t a k e2 2 0 0r m l h 图3 1 6 进气凸轮和挺柱之间在不同转速下的作用力 3 9 第3 章配气机构的动力学计算 一e x h a u s t 1 3 0 0r k n i n 一一一e x h a u 科2 2 0 0 r m l n 图3 1 7 排气凸轮和挺柱之间在不同转速下的作用力 对于凸轮型线上各点曲率半径的计算，如图3 1 8 所不。一开始凸轮和挺桩 宅e 1 1 相接触，转过妇角度后，两者在么：点处相接触，彳。和么：两点切线的夹角 为办。对于曲率半径，p = 害，i i jd r = d o t ，所以p = 瓦d s = 去老= 粤瓦1 aa t ， 口丁口口口l口倒， 就得到 i d s ：胛。 ( 3 8 ) m ：w 一 而根据已经得到的结论， 妄= ，= 眈+ j ，如。+ y 国一= 以+ y + j ，”b 。 ( 3 9 根据式3 8 和式3 9 ，就可以得到 p = r o + y + y ” ( 3 1 0 ) 第3 章配气机构的动力学计算 图3 1 8 凸轮曲率半径的计算 可以看到凸轮在基圆部分的曲率半径就等于基圆半径，而在工作段的曲率 半径等于基圆半径加上升程，再加上升程对转角的二次导数，即几何的加速度。 由于曲率半径只与凸轮型线相关，因此只需要使用运动学的方法对其进行计算。 对凸轮型线的曲率半径进行计算后，得到图3 1 9 所示的结果。 一们t a k e e ) ( h a u 对 图3 1 9 进排气凸轮的曲率半径 4 l 第3 章配气机构的动力学计算 有了以上的凸轮和挺柱之间作用力和凸轮型线的曲率半径后，就可以对凸 轮和挺柱之间的接触应力进行计算。接触应力的计算使用赫兹公式，对于凸轮 和平面挺柱之间的赫兹应力来说， 仃- o 4 1 8 ，丝 ( 3 1 1 ) vw 。p 仃接触应力； f 接触法向力5 e 材料弹性模量： w 接触宽度； p 曲率半径。 如果凸轮和挺柱的杨氏弹性模量分别为日和e ：，泊松比分别为“和：，则 式3 1 1 中所需要的弹性模量e 为： ( 3 1 2 ) 动力学计算还考虑了部件可能产生的弹性变形，综合以上所得到的结论， 对凸轮和平面挺柱之间的接触应力进行计算，得到如图3 2 0 和图3 2 1 所示的计 算结果。 一i n t e k e 1 3 0 0r ，n 1 i n i n t e 眦e2 2 0 0r m 哺n 图3 2 0 进气凸轮和挺柱之间在不同转速下接触应力 4 2 第3 章配气机构的动力学计算 e x h a l i ：啦! 3 0 0r , $ t l l h 一e x h a u s t 2 2 0 0r t h 图3 2 1 排气凸轮和挺柱之间在不同转速下接触应力 3 2 3 3 凸轮和从动件之间润滑油膜的厚度 凸轮和从动件之间油膜厚度的计算，是一个复杂的问题。对于稳态情况下 最小油膜厚度k 的计算方法如下式所示。 ，、- 01 3 h i i i j n = 1 6 y n 6 6 7 。卜r 0 4 3 e 0 0 3 f f1 ( 3 1 3 ) w y 润滑油的压粘系数( m 2 n ) ； 润滑油的动力粘度( n s m 2 ) ； 1 ，润滑油动力有效速度； r 综合曲率半径，对于平面挺柱就等于凸轮的曲率半径； e 凸轮和挺柱的综合弹性模量； f 凸轮和挺柱之间的作用力； w 接触宽度。 前文已经提到，油膜的厚度与油膜建立的有效速度，即卷吸速度有关，按 照稳态的情况，在该速度等于零时，油膜厚度应为零。但是在动态情况下，该 速度是不断变化的，凸轮和挺柱之间的载荷也是变化的，凸轮和挺柱之间不仅 4 3 第3 章配气机构的动力学计算 有切向的运动，还有法向的运动，会产生挤压作用。所以，考虑挤压效应的动 态计算结果更接近于实际情况。下式为非稳态油膜厚度的计算公式【l l 】： 瓦d h o 2 6 4 4 高赢警 - o 2 5 8 8 。伊芦等 ( 3 1 4 ) 其中参数的含义同式3 1 3 。 计算时先求出最小油膜厚度办曲，然后用差分代替微分计算幽，求得 幽