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发动机摇臂建模及仿真运动
摘要
在配气机构中,摇臂是一个对发动机整体性能影响较大的重要零件。由于摇臂的工作条件恶劣,综合性能要求复杂,因而其在设计过程中必须注意其在力学性能和装配过程中的精度要求,本文就某种发动机的配气机构的零部件——摇臂进行三维建模及其整个小组所设计的配气机构和活塞连杆机构进行装配仿真运动。
配气机构控制发动机进排气过程,直接影响这发动机的性能,随着发动机的性能要求的不断提高,对此,其中个零部件的要求就相对与较高。
论文对顶置四气门发动机进行测量及其利用PRO/E进行建模及仿真运动分析,通过计算和试验的方法确定发动机摇臂动力学模型的主要参数,在利用PRO/E软件的仿真功能建立了建立了顶置配气机构发动机:凸轮轴—摇臂—气门系统—活塞—活塞连杆—曲轴—缸体之间的仿真运动。对其进行了仿真和评价,得出所设计的发动机摇臂是否符合装配精度和个方面的力学要求。
通过对正个装配过程的静态特性和仿真运动的动态特性进行试验和校验,验证了发动机:凸轮轴—摇臂—气门系统—活塞—活塞连杆—曲轴—缸体仿真过程中三维刚柔耦合动力模型及分析方法的正确性。表明刚柔耦合动力分析方法能更加准确地分析摇臂在配气机构中的动力学特性,同时,通过柔性体的模态综合建立方法,能准确的计算出刚性体的动态应力变化曲线,为预测零部件的疲劳性能和结构参数优化提供理论依据。
关键词:发动机配气机构刚柔耦合动力学实验
英文翻译:
绪论

随着经济的高速发展和社会的不断进步,作为人类最主要的交通运载工具的汽车正向着科技化,高速化,节能化,低成本,长寿命,多功能,低环境污染,易装配,易维修等方向发展。发动机是汽车的心脏,而气门摇臂是发动机配气机构智能光重要的零件之一。由于气门摇臂的性能对发动机的整体性能发挥着重要的影响,因此,在其设计理论,方法,制造中的应用对汽车工业的发展具有积极的作用。
发动机摇臂的工作条件及性能要求
气门摇臂的功能是将配气凸轮型线所设计的运动规律准确的传递给气门,从而有效的控制发动机的进气和排气过程。为了提高其动力特性,现代高速发动机一般都采用了同步齿形带或者链传动的顶置凸轮轴(OHC)式配气机构(如图1-1所示)。这种结构形式的配气机构是未来发展的主流,因而也是本文所研究和设计的重点,在OHC式配气机构中,摇臂的综合使用性能要求可归纳为以下四个方面:
耐磨性要求
研究表明,发动机中功率损耗得罪主要原因是凸轮副中的摩擦损失,在额定工况下,它占全部的损失的58%,在发动机启动时。或者在怠速状态中,如果不计汽缸内燃气压力阻抗,%,,为了保证发动机的配气精度,控制发动机配气机构的震动和噪声,摇臂轴孔及其凸轮接触的圆弧工作面部位一般要求具有良好的耐磨性,特别是圆弧工作面部位。否则,摇臂与凸轮之间的严重磨损将会加大气门间隙,减小了气门升程,引起了不良的后果:配气机构的运动规律将严重偏离驱动凸轮所规定的数值,气门升程曲线发生畸变;使发动机配气机构的
工作平稳性和震动状况恶化,噪声增大,配气机构所成所的惯性力急剧增加;破坏了配气相位,使气门开启的“时间—断面“值减小,造成排气不彻底,进气不充分;使换气损失增大,发动机功率下降;使充气效率和有效功率随转速的变化不符合发动机动力性的要求;减小了气门重叠角的开角,使必要的燃烧室扫气作用明显减弱。
低惯量要求
在OHC配气机构中由于运动件数量减少,摇臂的转动惯量换算后一般会占到整个机构等效质量的1/3左右,成为运动时惯性载荷的重要来源,另外,由于配气机构中留有气门间隙,导致了发动机工作时配气机构各零件之间产生冲击和噪声,尤其在发动机尚未热启动之前,此间隙是最大的。冲击和噪声最为严重。而摇臂的转动惯量越大,冲击载荷也越大。所以摇臂的转动惯量与配气机构的动特性关系密切,是限制发动机转速和巩俐提高的因素之一。
刚度要求
摇臂是一个双臂杠杆,两臂承受较大的弯曲应力,设计时应该保证有一定的抗弯强度。在OHC配气机构中,摇臂及其支撑的柔度常常占气门驱动机构柔度的一半以上,可以说摇臂的刚度决定了整个机构的刚度。如果摇臂的刚度不足,会严重影响整个机构的动力性。
疲劳寿命要求
摇臂工作时承受较高频率的规律性非稳定弯曲变应力的作用,其基体的破坏一般为弯曲疲劳破坏。
由此可见,摇臂虽然只是发动机配气机构中的一个小零件,但是它是发动机的动特性,震动,噪声,燃油消耗和排放水平等一系列经济技术指标均有直接的关系。
凸轮与摇臂的接触应力
凸轮与摇臂之间的作用力由于接触点的移动和摇臂的摆动,使接触点的位置和作用力的方向不断变化,摇臂两端的受力之比不断变化,同时凸轮对摇臂的正压力与摇臂的摆动方向有一个夹角,角度的大小也不断的变化,在气门开启过程中,摇臂绕轴做