CAE在发动机凸轮轴优化中的应用
一般来说, 我们会从排量, 最大功率, 最大扭矩, 升功率四大最主要的指标来评价发动机的好坏及性能的差异。而提高发动机性能, 我们又可以从以下四方面考虑: (1) 减少机械损失提高机械效率。 (2) 改善换气过程提高换气质量。 (3) 提高对燃烧过程的控制, 尽可能的利用燃烧产生的能量。 (4) 减少热损失及降低热负荷。因为阀系中的气门正时将对发动机的进、排气效率产生重要影响, 所以本公司为使某发动机达到更优的性能指标, 将从优化凸轮轴型线的角度来改善换气过程提高换气质量。
如果按照传统流程来对凸轮轴进行优化, 将需要很长的开发周期。而C A E的应用, 则可以最大限度缩短这个过程。本次优化主要有以下几个阶段: (1) 首先应用boost软件对各种凸轮轴型线方案进行发动机性能模拟分析, 找到最接近目标性能的凸轮轴型线。 (2) 运用Excite-Timing-Drive软件的凸轮设计模块对更改后的型线进行运动学和动力学分析, 并根据分析结果对该型线再一次进行优化, 使其满足运动学和动力学要求。 (3) 最后根据该型线的最终优化结果制作样件。 (4) 台架验证。
本文将重点介绍如何运用E x c i t eTiming-Drive软件的凸轮设计模块来对备选型线进行运动学和动力学分析, 以体现CAE技术在发动机凸轮轴设计中的应用。
1 模型建立
分析计算结果, 校核其运动学和动力学特性。
凸轮轴型线初步分析为改善原型机中低速性能, 以原凸轮轴型线为基础, 经过boost模拟运算, 得到优化后的型线A, 如图1。图中黑线为某发动机原凸轮型线, 红线为修改后的型线A。从图中可以看出, 相比原机的凸轮型线, 型线A在桃尖处要尖锐的多, 即丰满度低。这种型线往往对低速有利。但对接触应力和润滑影响很大。
运行Excite-Timing-Drive, 根据某型发动机的凸轮阀系的布置、材料及尺寸建立进气阀系的模拟数模, 如图2。
模型建立好后首先进行型线的运动学分析, 然后计算曲轴转速在4200rpm (最大扭矩点) 、6000rpm、6600rpm和7200rpm (考虑超速) 下的单阀系动力学特性。
2 运动学计算结果及结果分析
运动学结果如图3。
运动学结果分析。
2.1 满足运动学分析项
为了防止发生共振, 必须限定阀系的固有频率和正加速度脉冲宽度, 即K系数 (Eigenfrequency ratio) >1.2~1.3。K值越大, 系统越稳定, 但会降低凸轮型线的丰满度。型线A:k=3.283 (Opening side) , 3.283 (Closing side) 。
弹簧裕度 (Force Factor) 反映了凸轮与从动件的接触程度, 最小Force Factor=1.443>1.2。型线A:Force Factor=1.443。
丰满度对发动机充气效率有影响, 应在0.55左右, 值越大, 气门通过能力越好。型线A:0.556。
虽然都满足条件, 但可以看到随着桃尖尖锐程度的增加, 丰满度是不断下降的。
2.2 不满足运动学分析项
型线A结果中出现两个警告如下。
(1) 最大凸轮与挺柱接触应力要在600MPa的范围内。
型线A:4358.8Mpa>600Mpa。最大峰值出现的位置在3.0456[rad] (174.5camdeg和185.5camdeg, 180camdeg为凸轮桃尖处) 。
(2) 最小润滑系数皆为“0”在0.15限定范围之外。
下面考察凸轮和挺柱的接触应力和桃尖±30CAMdeg内润滑系数。图4表示的是凸轮与挺柱的接触应力。
从图4中我们可以看到型线A凸轮与挺柱的接触应力非常大4358.8Mpa, 远大于600Mpa的许用应力标准。由于运动学不考虑阻尼力的影响, 因此在高速发动机中会与实际有一定的差距, 但可以根据其来对凸轮型线进行评价。由于材料和宽度不变, 接触应力主要取决于接触力和接触件的曲率半径, 因此应加大接触应力较大的区域的曲率半径, 以降低接触应力。
润滑系数是用来评价凸轮和平面挺柱间的液体动力学润滑条件。桃尖±30CAMdeg内润滑系数一般在0.15~0.35的范围内。结果中桃尖±30CAMdeg内润滑系数如图5所示, 大部分在0.15以下。桃尖润滑系数低, 会加剧凸轮的磨损。可以适当增加桃尖处的曲率半径, 加大磨擦副的接触面积, 同时有利于降低接触应力。
3 动力学计算结果及结果分析
3.1 接触应力及飞脱
图6反映的是不同转速下, 型线A凸轮轴与挺柱间的接触应力。我们根据凸轮和挺柱的材料, 知道其接触应力限值为600MPa。型线A的接触应力在600MPa以上, 周期性的接触应力反复作用, 将引起较大的磨损最后会导致两个工作表面损坏。另外, 我们从这个图还可以判断是否存在飞脱, 即当在气门开启持续角的范围内, 凸轮轴与挺柱间的接触应力为零时, 判断为飞脱。因此, 我们可以判断:型线A在4200rpm~6600rpm没有飞脱, 但在超速工况7200rpm时, 可以看到明显的飞脱。
3.2 气门反跳
从图7中我们看到, 型线A的升程曲线在气门关闭的一侧, 曲线平滑, 没有波动, 可以判断型线A都不存在气门反跳问题。
3.3 气门落座磨损分析
落座力在许用范围:660N。
气门落座速度:<1m/s。
由图8可以看到落座力在4200rpm~6000rpm时受力较小, 虽然有反复的零值力, 但延续时间很短, 可以忽略不计。在6600rpm~7200rpm时有较大有落座力, 但时间很短, 可以认为是弹簧的振动引起的, 落座力在660N的许用范围内。再从图9我们可以看到型线A的气门落座速度小于1 s/m。因此, 满足动力学分析要求。
3.4 气门弹簧的评价
应该避免气门弹簧并圈的发生, 弹簧的并圈会使弹簧力陡然增加, 产生强烈的冲击。将弹簧分为5个质量块, 分别在4200rpm, 6000rpm, 6600rpm, 7200rpm的转速下对气门弹簧进行受力分析。根据图10~图13受力曲线我们可以得出:型线A在6 0 0 0 r p m~6600rpm时出现并圈趋势, 在7200rpm时出现严重并圈。
型线A气门弹簧受力。
为了防止弹簧发生共振, 必须选用大固有频率的弹簧, 即频率比>12~14, 由于型线的材料不变, 因此频率比也不变。经计算得频率比为16.4, 满足频率要求。
剪切力分析。计算6000rpm, 最大弹簧力下的剪切应力。
型线A:882MPa, 已接近许用范围。
4 结语
4.1 运动学模拟结果
(1) 型线A的固有频率、正加速度脉冲宽度、丰满度和弹簧预度都满足分析要求。但由于型线A桃尖处较尖锐, 其丰满度要小于原机型线, 影响其充气效率。
(2) 型线A的凸轮与挺柱间的最大接触应力已经大于许用应力, 应增大接触应力较大区域的曲率半径。
(3) 型线A桃尖±30CAMdeg间的润滑系数小于限定值, 建议加大该区域附近曲率半径。
4.2 动力学模拟结果
(1) 接触应力分析显示, 型线A在超速7200rpm出现飞脱, 其最大接触应力超过材料许用范围。
(2) 型线A气门弹簧在6000rpm时出现并圈可能, 计算其剪切应力都已接近或超过材料的许用剪切应力。
(3) 气门落座速度和气门座面力都满足要求, 磨损小。
(4) 气门弹簧有较大的固有频率, 满足要求。
因此, 型线A不能完全满足运动学及动力学要求, 需要再次对这条型线进行优化以满足要求。
摘要：通过运用Excite-Timing-Drive软件的凸轮设计模块, 对某新凸轮轴型线进行运动学和动力学分析。并根据分析结果对该凸轮轴型线给出优化建议, 能满足运动学和动力学要求。使得优化后的凸轮轴型线更具实用性。
关键词：凸轮轴型线,运动学,动力学
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