【正文】 構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真分析方面，目前已采用了多種 分析模型。其中比較基礎(chǔ)的是單自由度質(zhì)量模型。它是將機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成由一個(gè)質(zhì)點(diǎn)、彈簧及阻尼器組成的系統(tǒng)，它把機(jī)構(gòu)的質(zhì)量簡(jiǎn)化到一個(gè)質(zhì)點(diǎn)上，把機(jī)構(gòu)的彈性等加到一個(gè)等剛度無質(zhì)量的彈簧上，阻尼等效到阻尼器上，該 2 模型具有簡(jiǎn)單、方便等特點(diǎn)，可以滿足一般的低、中速柴油機(jī)的要求，但由于把質(zhì)量和剛度都等效到一個(gè)點(diǎn)上 ，不能求出機(jī)構(gòu)各部件的運(yùn)動(dòng)和受力情況，不能判斷機(jī)構(gòu)零件之間是否發(fā)生飛脫，也無法得知彈簧的振動(dòng)情況。為了克服單自由度模型存在的不足，發(fā)展了多自由度質(zhì)量模型。多自由度質(zhì)量模型具有比單自由度質(zhì)量模型更為真實(shí)反映實(shí)際機(jī)構(gòu)狀況的優(yōu)點(diǎn)，利用多自由度質(zhì)量模型能精確地研究各傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況，也能分析氣門彈簧的振動(dòng)情況 [5~10]。對(duì)于多自由度質(zhì)量模型，最主要的問題是計(jì)算的復(fù)雜性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各種商業(yè)配氣機(jī)構(gòu)軟件的推廣，多自由度質(zhì)量模型已逐漸成為配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模的主要方式 。 20 世紀(jì)初仿真技 術(shù)已得到應(yīng)用。例如在實(shí)驗(yàn)室中建立水利模型，進(jìn)行水利學(xué)方面的研究。 1940～ 1950 年航空、航天和原子能技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了仿真技術(shù)的進(jìn)步。 1960年計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，為仿真技術(shù)提供了先進(jìn)的工具，加速了仿真技術(shù)的發(fā)展。采用仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配并進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，由仿真運(yùn)行可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中部件干涉隱患；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正。通過幾個(gè)五年計(jì)劃的努力，我國(guó)仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展，并取得了突破性成果。在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域，建成了不同類型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。在軍事領(lǐng)域建立了指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)室。我國(guó)的多媒體仿真技術(shù)正處于起步和發(fā)展時(shí)期，清華大學(xué)、北京大學(xué)、華中理工大學(xué)和一些部隊(duì)院校已開始了有關(guān)這方面的研究。目前，國(guó)內(nèi)大學(xué)和企業(yè)己進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 氣門 凸輪式配氣是目前內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用最 廣泛的配氣形式 ,本文采用的柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為下置凸輪軸式、滾輪隨動(dòng)件、叉型搖臂雙氣門配氣機(jī)構(gòu)，主要由凸輪軸、滾輪、推桿、挺柱、搖臂、氣門墊塊、氣門、氣門座等部件組成。 用 Pro/E軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)各零部件進(jìn)行立體建模，根據(jù)各零部件之間的位置和約束關(guān)系建立起配氣機(jī)構(gòu)的裝配模型?？紤]到該模型進(jìn)行仿真分析時(shí)的可視化效果，各機(jī)構(gòu)模型均按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建立。各零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置等物理特性參數(shù)均由三維 CAD軟件 Pro/E精確計(jì)算得到 [11~14]。 再將模型導(dǎo)入 ADAMS軟件進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算， 3 流行的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。對(duì)于剛體 i,采用質(zhì)心在慣性參考系中的笛卡爾坐標(biāo)和反映剛體方位的歐拉角或廣義歐拉角作為廣義坐標(biāo)，接著建立約束方程和作用力方程 ,并將它們都寫成廣義坐標(biāo)的表達(dá)式，最后用拉格朗日乘子法建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程 [15~18]。 用計(jì)算機(jī)輔助配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 在靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，將配氣機(jī)構(gòu)看作絕對(duì)剛體，不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形，用該方法設(shè)計(jì)凸輪型線，主要用以下三項(xiàng)指標(biāo)來判別其好壞：（ 1）靜態(tài)充氣性能。通常用挺柱升程、豐滿系數(shù)和時(shí) 面值來表示，希望此值越大越好。（ 2）靜態(tài)加速度峰值。即挺柱的最大正負(fù)加速度值。其絕對(duì)值越小，凸輪軸的高速動(dòng)態(tài)性能越好。（ 3）輪廓面最小曲率半徑或凸輪與挺柱表面的接觸應(yīng)力。設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，應(yīng)避免凸輪曲率半徑過小，否則會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力過大，使凸輪出現(xiàn)過早磨損。用靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的凸輪，雖然加速度曲線不連續(xù)，配氣機(jī)構(gòu)慣性力可能會(huì)產(chǎn)生突變，時(shí)面值較大。但當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形會(huì)引起氣門的劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞氣門的正常工作，產(chǎn)生飛脫和反跳，這不僅加劇了柴油機(jī)的振動(dòng)、噪聲和零件間的磨損，還會(huì)使充氣效率下降，為了 解決靜態(tài)設(shè)計(jì)的不足，人們提出了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的方法 [19~25]。 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的彈性變形，氣門在工作中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，影響配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能和平穩(wěn)性，因此必須對(duì)配氣機(jī)構(gòu)在工作中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行評(píng)估。在動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，考慮彈性變形，把配氣機(jī)構(gòu)看成彈性系統(tǒng)，主要由下列指標(biāo)來評(píng)價(jià)凸輪型線：（ 1）氣門的動(dòng)態(tài)加速度峰值：根據(jù)單質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型或多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)模型計(jì)算出最大加速度峰值和第一個(gè)負(fù)加速度峰谷，以及落座后的氣門動(dòng)態(tài)響應(yīng)。（ 2）動(dòng)態(tài)充氣性能：考慮進(jìn)排氣管壓力波動(dòng)、多缸機(jī)各缸的進(jìn)氣不均現(xiàn)象及配氣相位對(duì)充氣性能的影響。隨著 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)充氣性能的差別越來越大，這主要是由兩部分因素引起的，一是當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，吸氣沖程時(shí)間縮短，進(jìn)排氣管壓力波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大；另外一方面氣門發(fā)生脫離和反跳，破壞了正常的靜態(tài)充氣性能。（ 3）挺柱與凸輪表面的動(dòng)力潤(rùn)滑磨損情況以及氣門頭部的磨損情況 [26~30]。 本文研究?jī)?nèi)容 本文主要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的個(gè)零件的形狀和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到個(gè)零件圖的詳細(xì)尺寸，再通過計(jì)算機(jī)軟件即 Proengineer 進(jìn)行三維的實(shí)體建模，得到個(gè)零件的三維圖，將各個(gè)零件裝配到一起，得到配氣機(jī)構(gòu)的裝配圖。通過三維轉(zhuǎn)配模 型導(dǎo)入 ADAMS 軟件，通過 ADAMS 軟件對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。主要內(nèi)容如下： 4 （ 1）通過對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的分析與計(jì)算、配氣機(jī)構(gòu)桿構(gòu)受力的分析與計(jì)算，建立 S195 型柴油機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。 （ 2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求運(yùn)用 Pro/e 三維繪圖軟件在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立準(zhǔn)確的軸系各構(gòu)件的實(shí)體模型，主要包括 凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門等。 （ 3）對(duì) S195 型柴油機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)模型 運(yùn)用 ADAMS 多體動(dòng)力學(xué) 軟件 進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。 （ 4）根據(jù)仿真導(dǎo)出數(shù)據(jù)曲線，對(duì)曲線進(jìn)行分析。 5 第 2 章 配氣機(jī)構(gòu)零部件設(shè)計(jì) 氣門 氣門設(shè)計(jì)的基本要求 （ 1） 材料方面 氣門的工作溫度是確定氣門材料的主要因素。在氣門工作溫度范圍內(nèi)材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。韌性和表面硬度。由于排氣呢錐面磨損常為腐蝕磨損，因此在選擇材料時(shí)候必須考慮化學(xué)腐蝕（主要是硫和磷）的性能。進(jìn)氣門錐面多屬磨損摩擦，因此進(jìn)氣門側(cè)重耐磨。 （ 2）結(jié)構(gòu)方面 要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便，且頸部形狀也要恰當(dāng)，以便減少氣體的流動(dòng)阻力，增加其進(jìn)氣沖量。在保證足夠的強(qiáng)度、剛度和耐磨性的前提下的重量選擇。 氣門的工作條件分析及材料的選擇 氣門室發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一。工作時(shí)需要承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，尤其是排氣門，由于經(jīng)常高溫燃?xì)獾臎_刷，因而易于產(chǎn)生漏氣。腐蝕與燒損等現(xiàn)象，工作條件也更為嚴(yán)酷。氣門工作時(shí)承受落座沖擊負(fù)荷及燃?xì)鈮毫o以的靜負(fù)荷，這種靜負(fù)荷一般在 4 2/mmkgf 左右，而沖擊負(fù)荷一般為 2/mmkgf 左右；氣門的工作溫度：進(jìn)氣門約為 200186。錯(cuò)誤 !未找到引用源。 450186。，而排氣門則可達(dá) 650186。錯(cuò)誤 !未找到引用源。850186。，甚至更高，下面是 195 柴油機(jī)的排氣門的溫度場(chǎng)。 氣門材料的選擇必須考利到它的工作溫度、腐蝕、沖擊載荷以及氣門桿部與端面的耐磨等因素。而且進(jìn)、排氣門的對(duì)材料的要求也是不同。就 S195 發(fā)動(dòng)機(jī)的選材：進(jìn)氣門的材料用 40Cr；排氣門的材料用 40Cr9Si2。氣門選擇材料的方法： （ 1） 馬氏體鋼 一般氣門中采用鐵素體合金鋼，含碳量在 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 %之間，經(jīng)淬火后可得到馬氏體組織以上耐磨的要求，這種材料的機(jī)械性能加工性好，滑動(dòng)性好，在工作 溫度超過 650℃ 的排氣門上廣泛應(yīng)用，如 4crsi 4Cr、 10Si2Mn 等。但在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)上，由于熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷高，因而對(duì)氣門錐面的耐磨、耐腐蝕性能提出更高的要求，這時(shí)，可采用堆焊氣門，這是一種頭部采用奧氏體鋼，桿部采用馬氏體鋼的氣門?？捎媚Σ梁富蜷W光焊來堆焊。堆焊氣門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是正確地焊 6 接部位。應(yīng)從以下兩個(gè)方面來考慮：首先界面處應(yīng)在氣門頭部應(yīng)力區(qū)之外并離頸部頂圓弧中點(diǎn)附近的熱點(diǎn)較遠(yuǎn)；其次耐熱性較差的桿部材料不要受到高溫燃?xì)獾那治g；焊接的部位以選在氣門全開時(shí)界面與導(dǎo)管下端相齊或略高為宜。 （ 2） 奧氏體鋼 這類鋼在常溫和工作溫度下基本上全是奧氏體組織，不能淬硬。它的高溫強(qiáng)度好，耐腐蝕性好、奧氏體鋼用做高功率柴油機(jī)的排氣門，其最高工作溫度允許達(dá) 870℃ 。國(guó)產(chǎn)奧氏體鋼 4Cr14NiW2Mo 廣泛用作機(jī)車和大型載重汽車的柴油機(jī)排氣門。 氣門頭的設(shè)計(jì) （ 1） 氣門頭部的形狀 氣門頭部的形狀除了影響氣體的流通特性之外，還會(huì)影響到氣門的剛度、重量、導(dǎo)熱性能以及制造成本等，同時(shí)也關(guān)系到氣門的使用期限。因此根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的不同情況進(jìn)行具體的分析，然后確定合理的方法。根據(jù)195 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)采 用平底型氣門。因?yàn)檫@種氣門的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、受熱面小，具有一定的剛度， 圖 平底型氣門 基本上式滿足進(jìn)排去的要求。這種型號(hào)在各類柴油機(jī)得到了廣泛的運(yùn)用。圖 是平底型氣門的示意圖。 （ 2）氣門頭部的直徑 增大進(jìn)、排氣流通截面是減少進(jìn)、排氣阻力，提高進(jìn)氣量的途徑，同時(shí)氣門頭部直徑的選擇還要考慮到燃燒室的形狀，氣缸蓋進(jìn)、排氣門的布置，氣道之間冷卻水套的設(shè)計(jì)以及氣門受熱和冷卻的均勻性等因素。綜上的條件 195 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣門的直徑都取 36mm。 （ 2）氣門錐面斜角 在氣 門開啟初期及接近關(guān)閉時(shí)，氣門錐面斜角 ? 的大小對(duì)于氣體的流通斷面有較大的影響。這時(shí)的流通斷面大致與斜角 ? 的余弦成正比。此外，氣門與氣門座之間的單位壓力隨斜角的增加而增大，而氣門與氣門座之間的相對(duì)滑移則隨斜角的減小人減小，因此氣門 ? 的確定必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合情況而定，對(duì)于 195 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門 7 斜角都 是 45176。 。 （ 4）氣門頭部厚度及錐面寬度 氣門頭部厚度Ｔ的設(shè)計(jì)，主要是從氣門的剛度來考慮，氣門在燃燒壓力的作用下會(huì)引起變形，變形過大會(huì)使氣門的密封性下降，錐面磨損加劇。由于頭部厚度Ｔ對(duì)氣門的剛度影響比頸部圓?。乙蟮枚?，因此當(dāng)需要增加氣門剛度時(shí)首先考慮增加頭部的厚度。如果還受到氣門質(zhì)量的限制，則常用適當(dāng)減小頸部圓弧半徑來得到彌補(bǔ)。厚度Ｔ與氣門頭部的外徑有一定的比例，一般 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ( ~ )TD? （ ） 式中， T 為氣門頭部錐面厚度， D 為氣門頭部外圓直徑。 S195 柴油機(jī)氣門的頭部厚度： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = ~ = ~T （ ） D （ ）取 。 氣門錐面的寬度 b 與厚度 T 有關(guān)，一般當(dāng) 45???時(shí)： ( ~ )bT? （ ） 式中， b 為氣門錐面的寬度。 對(duì)于 S195 柴油機(jī)的氣門錐面寬度 ( 0. 9 ~ 1. 05 ) ( 3. 6 ~ 4. 2)bT??mm。 取 b 為 注意提醒的是，并不是所有的 b 都參與了密封，真正起到密封的是一條位于寬度 b 中間附近的密封帶，密封帶的寬度 b 小得多，氣門的大部分熱量是通過這條密封帶傳出去的，密封帶較寬則傳熱的效果就較好，氣門的工作溫度就較低，但氣門的密封性就較差。反之，密封帶太窄，雖然密封性較好，但散熱不良，且接觸壓力較大，會(huì)加速氣門的磨損，因此需綜合這兩個(gè)方面的因素來選取氣門密封帶的寬度，其寬度一般取 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 , S195 柴油機(jī)的密封帶寬度，經(jīng)過查表是 。 氣門桿的設(shè)計(jì) （ 1）氣門桿的結(jié)構(gòu) 氣門桿通常是做成實(shí)心的，但是為了減輕質(zhì)量，對(duì)于 高速發(fā)動(dòng)機(jī)，它的溫度很高，將氣門桿做成空心，并在排氣門的桿內(nèi)充油金屬鈉進(jìn)行冷卻以降低熱負(fù)荷，對(duì)也 S195柴油機(jī)為了考慮到它的成本問題，就直接將它設(shè)計(jì)成實(shí)心氣門桿。 （ 2）氣門桿頸 氣門桿的頸部選擇決定也排氣所需的耐久性，增加桿的頸部有利于氣門的熱量逸 8 散。桿的頸部選擇還決定于它在導(dǎo)管中運(yùn)動(dòng)時(shí)側(cè)向力的大小。氣門通過凸輪挺柱和搖臂來驅(qū)動(dòng)時(shí)，桿部受到的側(cè)向力就比較小。氣門桿的頸部增大也會(huì)引起質(zhì)量的增加，工作時(shí)的慣性力增加，落座時(shí)沖擊負(fù)荷增加的一系列問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，氣門桿的頸部可取頭部外徑的（ 16 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 25） %?？紤]到加工和維修的方便，一般進(jìn)排氣門桿的頸部取相等。 195 柴油機(jī)的氣門桿的直徑： (16 ~ 25 ) % ( ~ )dD?? mm。 （ ） 根據(jù) 195 型柴油機(jī)選取氣門桿直徑 9d? mm。 （ 3）氣門桿