一种发动机气门升程切换机构的异响分析方法

摘要

本发明涉及一种发动机气门升程切换机构的异响分析方法。异响分析方法，包括以下步骤：根据气门升程切换机构，建立各零部件的体单元模型；根据气门升程切换机构，对应装配各体单元，并预设保留的相对运动自由度；根据气门升程切换机构，对应构建各体单元之间的作用力元；根据气门升程切换机构，建立模型驱动，并根据预设工况，求解各体单元的动态响应；根据动态响应结果，分析气门升程切换机构的异响风险。本发明能在产品设计开发阶段预测分析异响风险，以便优化设计，从而降低产品敲击异响风险。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车NVH技术领域，具体涉及一种发动机气门升程切换机构的异响分析方法。

背景技术

传统的汽油发动机的气门升程是固定不变的。也就是只有一种凸轮型线，对应只有一种气门开启升程，该型线针对发动机在全工况下动力学和经济性的平衡性选择。这样的平衡使得发动机在高速区得不到最佳的效率，油耗较高；低速区得不到最佳的扭矩，动力不足。可变气门升程(variable valve lift，简称VVL)技术是根据发动机转速负荷工况需要，提供最佳的气门升程的技术，通常有阶梯可变和无级可变升程两种方式。VVL的采用，使发动机在高速区和低速区都能得到满足性能需求的气门升程。从而改善了发动机的高速功率和低速扭矩。

对于VVL切换机构的主要NVH风险为内部敲击，如图1所示，VVL切换机构的驱动销3与滑套1啮入时刻，驱动销3与滑套1之间撞击，轴向定位球4与球导向孔21撞击，两者敲击的激励力会作用在缸盖及缸盖罩上，从而增大振动噪声风险，且敲击噪声易于被识别，影响了客户的驾乘体验。随着项目开发的快速发展，急需研发一种快捷有效的异响判断和优化方法，以快速锁定VVL切换机构存在的敲击问题，并能优化设计，以规避异响问题。

现有技术均是关于VVL切换机构的布置和结构设计问题，如CN 105804820 A中公开的一种VVL凸轮轴结构，该结构中涉及到端面凸轮和径向凸轮的型线设计；CN 110005498A中公开的一种用于内燃机的两级可变气门升程机构，提到的导向部为曲面。但上述专利中均未预测分析经过结构设计和布置改进后是否还会存在VVL切换机构异响风险。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机气门升程切换机构的异响分析方法，以在产品设计开发阶段预测分析异响风险，以便优化设计，从而降低产品敲击异响风险。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种发动机气门升程切换机构的异响分析方法，包括以下步骤：

S1、根据气门升程切换机构，建立各零部件的体单元模型；

S2、根据气门升程切换机构，对应装配各体单元，并预设保留的相对运动自由度；

S3、根据气门升程切换机构，对应构建各体单元之间的作用力元；

S4、根据气门升程切换机构，建立模型驱动，并根据预设工况，求解各体单元的动态响应；

S5、根据动态响应结果，分析气门升程切换机构的异响风险。

优选的，所述S1中具体为：根据气门升程切换机构，建立各零部件的体单元模型，并根据装配、约束和铰接需求，在体单元模型上对应建立局部坐标系；

对各体单元之间具有相接触的部位，建立有限元模型，并通过所述局部坐标系装配到对应的体单元模型上。

根据上述技术手段，通过根据气门升程切换机构，建立各零部件的体单元模型，并对各体单元之间具有相接触的部位，建立有限元模型，然后通过局部坐标系装配到对应的体单元模型上，采用此种刚柔结合的建模方式，同时保证了计算效率和准确性。

其中，在有限元分析软件中进行柔性建模，即各体单元之间相接触且传递力的表面采用有限元建模；在多体动力学软件中进行刚性体简化建模，即各体单元之间非接触的部位采用刚性体建模，从而采用刚柔结合的方式建立各零部件的体单元模型。

另外，体单元模型也可以全部采用有限元建模。

优选的，所述气门升程切换机构的零部件包括缸盖、设在缸盖上的缸盖罩、凸轮轴、滑套、驱动销和设于凸轮轴球导向孔中的止推球。

优选的，所述S2中，缸盖体单元和缸盖罩体单元与固定物之间铰接，且与固定物之间不具有相对运动的自由度；

凸轮轴体单元安装在缸盖体单元上，所述凸轮轴体单元至少具有绕轴向旋转的自由度；

滑套体单元铰接在凸轮轴体单元上，滑套体单元与凸轮轴体单元之间具有轴向相对平移自由度；

驱动销体单元铰接在缸盖体单元或缸盖罩体单元上，驱动销体单元与缸盖体单元或缸盖罩体单元之间具有沿凸轮轴径向的平动自由度。

其中，凸轮轴单元与缸盖单元之间具有六个自由度，为简化建模，设定凸轮轴体单元至少具有绕轴向旋转的自由度；如具有六个自由度，则需要设置凸轮轴支撑轴承力单元和轴向止推力单元；如具有轴向平移和绕轴向旋转自由度，则需要添加轴向止推力单元；如凸轮轴体单元设定了具有轴向平动自由度，则需要在凸轮轴体单元和缸盖体单元之间建立止推力元，用于凸轮轴轴向止推。

优选的，所述止推球体单元通过导向体单元与所述凸轮轴体单元相连，止推球体单元与导向体单元之间具有六个自由度，导向体单元与凸轮轴体单元之间不具有相对自由度。

其中，六个自由度包括X、Y、Z三个方向上的平动自由度和X、Y、Z三个方向上的旋转自由度。

优选的，所述S3中，作用力元包括：

连接驱动销体单元与滑套体单元轴向升程驱动面的接触力元、连接止推球体单元与滑套体单元球轨道表面的接触力元、连接止推球体单元与凸轮轴体单元的球导向孔表面的接触力元、以及连接凸轮轴体单元和止推球体单元的1D弹簧阻尼力元。

优选的，针对所述接触力元，预设有接触刚度、阻尼和摩擦参数。

其中，接触力元的接触刚度，取决于两个面各自的刚度，由接触结构形式和材料、接触面形状决定，可通过有限元计算获取接触刚度。

接触力元的摩擦参数，结合经典摩擦学原理，运动副表面摩擦力＝正压力*摩擦系数，摩擦系数与摩擦表面材料、表面粗糙度及润滑条件相关。根据经验，钢与钢在有润滑条件下的摩擦系数为0.05-0.1。

接触力元的阻尼需要借助试验进行标定获取。以滑套的轴向位移为参考量，通过实测滑套的轴向位移和滑套仿真的轴向位移差标定阻尼值。使得滑套轴向位移的仿真误差小于5％。标定后获得的阻尼数据用于详细设计及后期开发阶段的仿真分析。

优选的，所述止推球体单元通过预紧弹簧体单元与所述凸轮轴体单元相连，其中，预紧弹簧体单元被简化为1D弹簧阻尼力元，且一端作用在凸轮轴体单元上，另一端作用在止推球体单元上。

优选的，针对1D弹簧阻尼力元需设定弹簧刚度、阻尼和预紧力，弹簧刚度和预紧力为预设值，阻尼按照公式(1)计算得到；

式1中，D表示弹簧阻尼，D

其中，相对阻尼系数D

优选的，所述S4中，建立模型驱动包括：建立凸轮轴转速驱动和驱动销位移驱动，所述凸轮轴转速驱动为预设凸轮轴转速，所述驱动销位移驱动为预设驱动销位移驱动曲线；

预设工况包含凸轮轴全转速工况范围；

所述各体单元的动态响应通过积分迭代算法计算求解。

其中，动态响应结果还可用于检测干涉情况，接触力可用于零部件可靠性评估。

上述模型也可以构建左右两个驱动销，在同一模型实现滑套的左右两个方向的切换。

优选的，所述S1中，采用多体动力学软件建立各零部件的体单元模型。

本发明的有益效果：

本发明的发动机气门升程切换机构的异响分析方法，通过建立与设计的气门升程切换机构相似的仿真模型，并根据预设工况判断仿真模型的敲击功率，从而在产品设计开发阶段预测敲击风险，以便在产品开发阶段进行结构优化设计，有效规避产品的敲击异响问题，且具有操作简单、分析效率高、分析结果准确性高的优点，在汽车NVH技术领域，具有推广应用价值。

附图说明

图1为本实施例中VVL轴向切换机构的结构示意图；

图2为本实施例中VVL轴向切换机构沿凸轮轴轴向方向的截面示意图；

图3为本发明的发动机气门升程切换机构的异响分析方法的流程图；

图4为本发明的发动机气门升程切换机构的异响分析模型示意图；

其中，1-滑套，11-轴向升程驱动面，14-轨道表面；2-凸轮轴，21-球导向孔；3-驱动销；4-止推球；5-预紧弹簧。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中，气门升程切换机构包括缸盖、设在缸盖上的缸盖罩(其中，缸盖和缸盖罩在附图中未示出)、安装在缸盖上的凸轮轴2、与凸轮轴2铰接的滑套1、铰接在缸盖或缸盖罩上的驱动销3和设于凸轮轴2的球导向孔21中的止推球4，止推球4通过预紧弹簧5与凸轮轴2相连；

如图3和图4所示，本实施例中的发动机气门升程切换机构的异响分析方法，包括以下步骤：

S1、根据气门升程切换机构，建立各零部件的体单元模型，具体包括：

根据设计的气门升程切换机构，采用刚柔结合的方式，在多体动力学仿真软件中，对应建立缸盖、缸盖罩、凸轮轴、滑套、驱动销和止推球的体单元模型，并根据装配、约束和铰接需求，在体单元模型上对应建立局部坐标系；

其中，对各体单元之间具有相接触并传递力的表面需使用有限元建模(也就是柔性建模)，其他非接触的部分采用多体动力学仿真软件建模(也就是刚性体简化建模)，相对于柔性体建模方法，这种刚柔结合的建模方式可兼顾计算效率和准确性；

对各体单元之间具有接触关系并传递力的表面几何构建的有限元模型，通过体单元上的局部坐标系装配到所归属零部件体单元的对应位置，有限元模型与所归属零部件体单元之间不具有相对运动自由度；

其中，体单元模型的质量、质心位置、惯量需与气门升程切换机构的设计值保持一致；体单元模型的几何外型中用于与其它零部件接触的体单元外形需保持与设计状态一致；体单元的几何外型中不用于与其它零部件接触的体单元外形也可以简化建模，不会对本实施例中的仿真结果造成影响，但是，为方便动力学结果动画的直观性，本实施例中体单元的的几何外形全部与设计状态保持一致；

构建的局部坐标可用于零部件装配、铰接、定义约束、定义驱动、结果测量等；

S2、根据气门升程切换机构，对应装配各体单元，并预设保留的相对运动自由度，具体包括：

根据本实施例中设计的气门升程切换机构的实际装配关系，对应装配各体单元，并预设保留的相对运动自由度；

其中，缸盖和缸盖罩为非运动零部件，可抽象为固定约束，因此，将缸盖体单元和缸盖罩体单元与固定平台之间铰接，且设定缸盖体单元和缸盖罩体单元与固定平台之间不具有相对运动的自由度；

凸轮轴体单元安装在缸盖体单元上，并设定凸轮轴体单元与缸盖体单元具有绕轴向旋转的自由度；

滑套体单元铰接在凸轮轴体单元上，滑套体单元与凸轮轴体单元通过花键连接，以实现转速同步，为简化模型，设定滑套体单元与凸轮轴体单元之间仅具有轴向相对平移自由度；

止推球体单元通过导向体单元铰接到凸轮轴体单元的球导向孔中相应位置，止推球体单元与导向体单元铰接，导向体单元铰接到凸轮轴体单元上，导向体单元和凸轮轴体单元之间不具有相对运动自由度，止推球体单元与导向体单元之间具有六个自由度；

驱动销体单元铰接在缸盖罩体单元上，驱动销体单元与缸盖罩体单元之间具有沿凸轮轴径向的平动自由度；

S3、根据气门升程切换机构，对应构建各体单元之间的作用力元，具体包括：

驱动销体单元与滑套体单元轴向升程驱动面11有限元之间用接触力元连接，以计算接触时的受力大小，针对接触力元需设定接触刚度、阻尼参数和摩擦参数等；

止推球体单元与滑套体单元轨道表面14有限元之间用接触力元连接，针对接触力元需设定接触刚度、阻尼参数和摩擦参数等；

止推球体单元与凸轮轴体单元上的球导向孔表面之间用接触力元连接，针对接触力元需设定接触刚度、阻尼参数和摩擦参数等；

其中，接触力元的接触刚度，取决于两个面各自的刚度，由接触结构形式和材料、接触面形状决定，可通过有限元计算获取接触刚度。

接触力元的摩擦参数，结合经典摩擦学原理，运动副表面摩擦力＝正压力*摩擦系数，摩擦系数与摩擦表面材料、表面粗糙度及润滑条件相关。根据经验，钢与钢在有润滑条件下的摩擦系数为0.05-0.1。

接触力元的阻尼需要借助试验进行标定获取。以滑套的轴向位移为参考量，通过实测滑套的轴向位移和滑套仿真的轴向位移差标定阻尼值。使得滑套轴向位移的仿真误差小于5％。标定后获得的阻尼数据用于详细设计及后期开发阶段的仿真分析；

其中，止推球体单元通过预紧弹簧体单元与凸轮轴体单元相连，并将预紧弹簧体单元简化为1D弹簧阻尼力元，且一端作用在凸轮轴体单元上，另一端作用在止推球体单元上；针对1D弹簧阻尼力元需设定弹簧刚度、阻尼和预紧力。弹簧刚度和预紧力为设定值，阻尼按照公式(1)计算，其中的相对阻尼系数根据经验取0.01-0.03：

式1中，D表示阻尼，D

S4、根据气门升程切换机构，建立模型驱动，并根据预设工况，求解各体单元的动态响应，具体包括：

创建凸轮轴转速驱动和驱动销位移驱动，凸轮轴转速驱动为预设凸轮轴转速，驱动销位移驱动为预设驱动销位移驱动曲线，驱动销位移驱动曲线是驱动销位移随凸轮轴转角变化的位移曲线，曲线值来源来自于设计值；

在凸轮轴全转速工况范围，采用基于隐式方程积分迭代算法，设置动态采样率，按照每度凸轮轴转角一个输出点计算采样频率，求解各体单元的动态响应，其中，动态响应包括接触力、运动件位移、运动件速度、运动件加速度等；隐式方程积分迭代算法是一种常规的积分方式；

S5、根据动态响应结果，分析气门升程切换机构的异响风险，具体包括：

根据接触力和运动件速度计算分析撞击时刻的敲击功率，敲击功率等于接触力乘以运动件速度，然后根据敲击功率评价敲击水平，通过敲击水平预测分析在开发设计阶段的气门升程切换机构的异响问题，从而对设计结构进行优化，降低产品异响问题，其中，敲击功率越大说明敲击水平越高，对应的异响就越严重。

通过实验验证，通过本发明方法分析优化后，设计的产品的敲击功率降低了90％，大大降低了产品的敲击异响问题。

综上所述，本发明的发动机气门升程切换机构的异响分析方法，通过建立与设计的气门升程切换机构相似的仿真模型，并根据预设工况判断仿真模型的敲击功率，从而在产品设计开发阶段预测敲击风险，以便在产品开发阶段进行结构优化设计，有效规避产品的敲击异响问题，且具有操作简单、分析效率高、分析结果准确性高的优点，在汽车NVH技术领域，具有推广应用价值。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。