配气机构液压挺柱分析
杨竹青 夏德刚 李加旺
（奇瑞 发动机工程研究院，安徽 芜湖 241009）
摘 要：通过A VL EXCITE Timing Drive 软件建立配气机构一维动力学系统仿真模型，通过各个转速下的动力学计算，分析评价液压挺柱的性能，并进一步优化系统设计 关键词：配气机构 液压挺柱 动力学 主要软件：A VL EXCITE Timing Drive
1. 前言
发动机运行过程中，气门及其传动件，如挺柱，推杆等都将因为受热膨胀而伸长，如果气门及其传动件之间在冷态时不留间隙，则在热态下由于气门及其传动件的膨胀伸长而顶开气门，破坏气门与气门座之间的密封，造成气缸漏气，从而使发动机功率下降，启动困难，甚至不能正常工作。在配气机构中预留气门间隙将使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。为了消除这一弊端，轿车发动机采用液力挺柱，借以实现零气门间隙。
本文应用A VL EXCITE Timing Drive软件建立某发动机配气机构动力学仿真模型，计算液压挺柱中柱塞的运动、球阀升程和供油端及工作腔的压力。
2.一维动力学仿真
2.1 一维动力学分析理论
[2]
根据动力学系统建模理论可知，对空间多自由度时不变系统，其动力学方程可以用下 列二阶常微分方程来表示：
M x (t ) +C x +jDx (t ) +Kx (t ) =f (t )
式中x (t ) — 位移向量， x (t ) ∈ R n ；
M — 质量矩阵，实对角矩阵（集中质量法），实对称矩阵（一致质量法）；
.. .
C — 粘性阻尼矩阵，实对称正定矩阵（稳定系统），比例阻尼：C = αM + βK ； D — 结构阻尼矩阵，实对称矩阵；
K — 刚度矩阵，实对称矩阵（无刚体自由度），实对称半正定矩阵（有刚体自由度）； f (t ) —激励力向量； j =-1。
对于一维动力学仿真，其基本思路是将各零部件等效成集中质量、弹簧和阻尼系统并组 装成如上的动力学方程并实施求解，最后获得各质点的位移、速度和加速度信息以及弹簧和 阻尼的内力。 2.2 气阀机构
气阀机构对液压挺柱受力有较大影响，采用等效动力学系统模拟，单元与单元间通过弹簧、阻尼单元相连，其中气门弹簧单位为多质量系统。图1为单个阀系布置型式，图2为等效仿真模型。
图1 单阀系布置图
图2 单阀系仿真模型示意图
2.3 EXCITE Timing Drive 分析模型
EXCITE Timing Drive 软件提供了丰富的配气机构动力学仿真单元库，极大地方便了配气机构的动力学分析。该发动机配气机构如图3所示，图4为发动机配气机构的动力学模型。模型中除了输入必要的结构参数外，还充分考虑了曲轴转速输入的不均匀性、缸压曲线以及附件驱动负载扭矩（图5）。
图4 一维仿真模型
A n g u l a r V e l o c i t y (r p m )
图3 配气机构示意图
crank angle(deg)
图5 缸压曲线、曲轴转速波动
3．结果
一维动力学计算以某个固定步长在发动机全部转速范围内实施。通过该动力学仿真可以获得配气机构各种必要的设计参数，进而评价配气机构各零件的动力学表现。图6-11所示为液压挺柱在各个转速下的动力学特性。各条曲线表示不同的发动机转速，从怠速到额定转速到超速。
(m )
柱柱柱柱
equiv. cam angle(deg)
图6 柱塞升程
柱柱柱柱
(N )
equiv. cam angle(deg)
图7 柱塞受力
柱柱柱柱
0.60.40.2
(m /s )
0-0.2-0.4
-0.6
1440
[**************]0
equiv. cam angle(deg)
图8 柱塞速度
高高高高高柱
(P a )
equiv. cam angle(deg)
(m )
0-5e-005-0.0001-0.00015-0.0002-0.00025-0.0003
图9 高压腔内压力
球球柱柱
V e l o c i t y (B a l l V a l v e ) (m /s )
equiv. cam angle(deg)
图10 球阀速度
equiv. cam angle(deg)
图11 球阀升程
由于运行的转速范围较广，图11中的球阀升程中的最后一个转速出现了多次开启的情况，主要是由于该转速已经超出了发动机的运行转速，该液压挺柱不适用于该转速。在其他转速下都是一次开启，但是有轻微的冲击，不影响柱塞的动力特性。
4. 结语
由以上结果可以得出：
（1） 柱塞在许用升程范围之内运动，不失效。
（2） 由柱塞间隙、行程、和受力得出柱塞具有良好的泵油效果， （3） 球阀正常开启关闭，以便补油，无异常的压力下降或上升趋势
通过挺柱的动力学特性，得出柱塞和球阀的动态运动和动态受力，评价所选用的挺柱的大小和能力。 参考文献
[1] EXCITE Timing Drive Training Course. AVL
配气机构液压挺柱分析
杨竹青 夏德刚 李加旺
（奇瑞 发动机工程研究院，安徽 芜湖 241009）
摘 要：通过A VL EXCITE Timing Drive 软件建立配气机构一维动力学系统仿真模型，通过各个转速下的动力学计算，分析评价液压挺柱的性能，并进一步优化系统设计 关键词：配气机构 液压挺柱 动力学 主要软件：A VL EXCITE Timing Drive
1. 前言
发动机运行过程中，气门及其传动件，如挺柱，推杆等都将因为受热膨胀而伸长，如果气门及其传动件之间在冷态时不留间隙，则在热态下由于气门及其传动件的膨胀伸长而顶开气门，破坏气门与气门座之间的密封，造成气缸漏气，从而使发动机功率下降，启动困难，甚至不能正常工作。在配气机构中预留气门间隙将使发动机工作时配气机构产生撞击和噪声。为了消除这一弊端，轿车发动机采用液力挺柱，借以实现零气门间隙。
本文应用A VL EXCITE Timing Drive软件建立某发动机配气机构动力学仿真模型，计算液压挺柱中柱塞的运动、球阀升程和供油端及工作腔的压力。
2.一维动力学仿真
2.1 一维动力学分析理论
[2]
根据动力学系统建模理论可知，对空间多自由度时不变系统，其动力学方程可以用下 列二阶常微分方程来表示：
M x (t ) +C x +jDx (t ) +Kx (t ) =f (t )
式中x (t ) — 位移向量， x (t ) ∈ R n ；
M — 质量矩阵，实对角矩阵（集中质量法），实对称矩阵（一致质量法）；
.. .
C — 粘性阻尼矩阵，实对称正定矩阵（稳定系统），比例阻尼：C = αM + βK ； D — 结构阻尼矩阵，实对称矩阵；
K — 刚度矩阵，实对称矩阵（无刚体自由度），实对称半正定矩阵（有刚体自由度）； f (t ) —激励力向量； j =-1。
对于一维动力学仿真，其基本思路是将各零部件等效成集中质量、弹簧和阻尼系统并组 装成如上的动力学方程并实施求解，最后获得各质点的位移、速度和加速度信息以及弹簧和 阻尼的内力。 2.2 气阀机构
气阀机构对液压挺柱受力有较大影响，采用等效动力学系统模拟，单元与单元间通过弹簧、阻尼单元相连，其中气门弹簧单位为多质量系统。图1为单个阀系布置型式，图2为等效仿真模型。
图1 单阀系布置图
图2 单阀系仿真模型示意图
2.3 EXCITE Timing Drive 分析模型
EXCITE Timing Drive 软件提供了丰富的配气机构动力学仿真单元库，极大地方便了配气机构的动力学分析。该发动机配气机构如图3所示，图4为发动机配气机构的动力学模型。模型中除了输入必要的结构参数外，还充分考虑了曲轴转速输入的不均匀性、缸压曲线以及附件驱动负载扭矩（图5）。
图4 一维仿真模型
A n g u l a r V e l o c i t y (r p m )
图3 配气机构示意图
crank angle(deg)
图5 缸压曲线、曲轴转速波动
3．结果
一维动力学计算以某个固定步长在发动机全部转速范围内实施。通过该动力学仿真可以获得配气机构各种必要的设计参数，进而评价配气机构各零件的动力学表现。图6-11所示为液压挺柱在各个转速下的动力学特性。各条曲线表示不同的发动机转速，从怠速到额定转速到超速。
(m )
柱柱柱柱
equiv. cam angle(deg)
图6 柱塞升程
柱柱柱柱
(N )
equiv. cam angle(deg)
图7 柱塞受力
柱柱柱柱
0.60.40.2
(m /s )
0-0.2-0.4
-0.6
1440
[**************]0
equiv. cam angle(deg)
图8 柱塞速度
高高高高高柱
(P a )
equiv. cam angle(deg)
(m )
0-5e-005-0.0001-0.00015-0.0002-0.00025-0.0003
图9 高压腔内压力
球球柱柱
V e l o c i t y (B a l l V a l v e ) (m /s )
equiv. cam angle(deg)
图10 球阀速度
equiv. cam angle(deg)
图11 球阀升程
由于运行的转速范围较广，图11中的球阀升程中的最后一个转速出现了多次开启的情况，主要是由于该转速已经超出了发动机的运行转速，该液压挺柱不适用于该转速。在其他转速下都是一次开启，但是有轻微的冲击，不影响柱塞的动力特性。
4. 结语
由以上结果可以得出：
（1） 柱塞在许用升程范围之内运动，不失效。
（2） 由柱塞间隙、行程、和受力得出柱塞具有良好的泵油效果， （3） 球阀正常开启关闭，以便补油，无异常的压力下降或上升趋势
通过挺柱的动力学特性，得出柱塞和球阀的动态运动和动态受力，评价所选用的挺柱的大小和能力。 参考文献
[1] EXCITE Timing Drive Training Course. AVL