发动机配气凸化轴负载扭矩计算及振动研究

摘要

发动机配气机构设计的优劣将直接影响到整个发动机的工作性能，其研究越来越受到人们的重视。本文针对某项置式配气凸轮轴机构进行了运动学和动力学分析，推导出配气凸轮轴负载扭矩的理论计算公式，找到了计算配气凸轮轴负载扭矩的一种理论方法，并用公式分别计算出该配气凸轮轴在几种典型转速下的负载扭矩。应用ANSA软件建立该配气机构的瞬态响应有限元模型，利用LS-DYNA软件对模型进行瞬态仿真分析，分别得到配气凸轮轴在几种典型均匀转速下挺柱与凸轮的接触力和气门的运动规律，由此计算出配气凸轮轴负载扭矩的仿真值。通过理论计算结果与仿真计算结果的相互对比，使理论计算公式和仿真分析方法相互验证，并同时验证了有限元模型的正确性。
　　 通过对配气机构的瞬态有限元分析，结合凸轮轴的瞬时约束模态分析，得到凸轮轴的振动主要为弯曲振动，并得到凸轮轴弯曲振动大小与凸轮轴转速的变化关系。同时对凸轮轴是否发生扭转共振以及扭转振动大小进行了一定的分析。根据弯曲振动的变化趋势，分析影响凸轮轴弯曲振动的主要因素，并提出了一定的控制方法。
　　 本文的主要研究及相关结论如下：
　　 ①对配气机构进行受力分析，推导出了凸轮轴负载扭矩的理论计算公式。利用所推导的理论公式计算了本文所研究的配气机构凸轮轴在几个常用转速下的负载扭矩。
　　 ②对单个凸轮气门机构进行了简化，建立了有限元模型，并对其进行了仿真分析，根据仿真数据计算得到了凸轮轴负载扭矩。对比理论计算结果与仿真分析结果，显示吻合良好，验证了理论公式和有限元方法的正确性，并验证了有限元模型的正确性。
　　 ③根据单个凸轮气门机构的简化方式和模型建立方式，将整体配气机构进行简化并建立了有限元模型，对其进行了瞬态仿真分析，计算得到了凸轮轴负载扭矩，并将结果与单个凸轮气门机构的凸轮轴负载扭矩进行了对比，两种结果吻合良好，验证了整体配气机构有限元模型的正确性。
　　 ④建立了配气凸轮机构凸轮轴振动响应分析模型，并对其进行了瞬态分析，同时对凸轮轴进行了瞬时约束模态分析，结合瞬态分析结果和约束模态分析结果对其进行了振动响应分析，得到了凸轮轴的弯曲振动特性以及凸轮轴弯曲振动程度大小随转速变化的关系曲线。
　　 ⑤建立了凸轮轴扭转振动的分析模型，并对其进行了扭转振动分析和自由模态分析，分析发现凸轮轴在工作过程中出现了扭转振动但是并没有发生扭转共振，载荷的大小及施加位置是影响扭转角大小的主要因素。
　　 ⑥分析了凸轮轴弯曲振动的原因，对凸轮轴刚度、凸轮轴轴承座宽度等对凸轮轴振动的影响进行了研究，根据分析结果提出了几种控制凸轮轴弯曲振动的有效方法。