1、文章編號:1000-0925(200303-023-*內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)研究廖琪梅,張馳云(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院,上海200336R esearch on Virtual Prototype T echnic of V alve T rain Systemin Internal Combustion EnginesLiao Q imei,Zhang Chiyun(Automotive Engineering College,Shanghai University of Engineering and Science,Shanghai200336AbstractThe

2、development of engine with virtual prototype technic is a kind of modern design methods. The key link of this method is building the virtual prototype model for investigating system.ADAMS(Automat2 ic Dynamic Analysis of Mechanical Systemsis the most outstanding software for dynamic analysis,which ha

3、s been used widely in the world.As an example,a high2speed diesel engines valve train system used to describe the modeling and testing process with ADAMS.The methods goal is simulation and analysis motion character2 istics for the valve train on computer during the initial developing stage for this

4、mechanism,as there is not any physical prototype.摘要利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)開發(fā)是發(fā)動機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法之一,其重點(diǎn)是建立開發(fā)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)模型。作者使用世界上應(yīng)用最廣泛和最具權(quán)威的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,并以某高速柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)為例,建立和測試了該機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)開發(fā)初期無物理樣機(jī)條件下在計(jì)算機(jī)上仿真分析該機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動性能。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī);配氣機(jī)構(gòu);ADAMS;虛擬樣機(jī)仿真K ey Words:I.C.Engine;V

5、alve Train System;ADAMS;Virtual Prototype Simulation中圖分類號:T K413.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1概述利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行發(fā)動機(jī)開發(fā)是現(xiàn)代發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)方法之一,其重點(diǎn)是建立開發(fā)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)模型。內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)開發(fā)的傳統(tǒng)方法往往是多方案的比較和試湊過程,因此在無物理樣機(jī)的初始開發(fā)階段,及時獲得所選方案的機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性對縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)試制及試驗(yàn)費(fèi)用具有相當(dāng)積極的作用。作者使用機(jī)械系統(tǒng)動力收稿日期:2003201207基金項(xiàng)目:上海市教委重點(diǎn)學(xué)科(第四期資助項(xiàng)目作者簡介:廖琪梅(1972-,女,工學(xué)碩士,主要從事汽車CAD、CAE設(shè)計(jì)學(xué)仿

6、真軟件ADAMS,建立和測試了某高速柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī),探討了該配氣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模方法和過程,最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)開發(fā)初期無物理樣機(jī)條件下在計(jì)算機(jī)上仿真分析該機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動性能。2配氣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模2.1實(shí)例配氣機(jī)構(gòu)概述本文以某高速柴油機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)為實(shí)例進(jìn)行第24卷(2003第3期內(nèi)燃機(jī)工程N(yùn)eiranji G ongcheng了虛擬樣機(jī)建模和仿真。該機(jī)構(gòu)為傳統(tǒng)的長推桿、平底挺柱、頂置氣門式配氣機(jī)構(gòu)1。因?yàn)槠渫馆嗇S為全支承結(jié)構(gòu),所以本文建立的虛擬樣機(jī)模型為其第一缸的進(jìn)排氣門機(jī)構(gòu)。該配氣機(jī)構(gòu)的型式如圖1所示 。圖1實(shí)例配氣機(jī)構(gòu)型式該機(jī)構(gòu)的進(jìn)、排氣凸輪均為對稱的帶等加速-等速緩沖段的多項(xiàng)動力

7、凸輪2,其平面挺柱升程函數(shù)為 :式中a 1緩沖段等加速與等速段分界點(diǎn)角度,1=G 100緩沖段包角s 緩沖段包角與基本段半包角的總和X 0緩沖段氣門全升程,X 0=h 0k h 0緩沖段挺柱全升程X X =1-(-0/s Y m ax 氣門最大升程T 1T 1=(C +C /C C 配氣機(jī)構(gòu)總剛度C 氣門彈簧剛度T 2T 2=M 2/(C 2B M 配氣機(jī)構(gòu)當(dāng)量質(zhì)量凸輪軸角速度B 基本段半包角k 搖臂力臂比p ,q ,r ,s 大于4的整數(shù)C B ,E 0,E 1緩沖段待定系數(shù)C 4自由項(xiàng)系數(shù),C 4=J 4Y m ax ,J 4取0.1C 2,C p ,C q ,C r ,C s 基本段待定

8、系數(shù)2.2配氣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)建模3,4該配氣機(jī)構(gòu)建模的關(guān)鍵為:凸輪模型的建立和定義各零件間的連接(定義各種運(yùn)動副,包括接觸問題。2.2.1配氣機(jī)構(gòu)零件實(shí)體模型的建立本文選擇在ADAMS 環(huán)境下建立配氣機(jī)構(gòu)的各個零件。也可從其他CAD 軟件以各種文件格式向ADAMS 界面?zhèn)魅肽Ｐ汀Ｔ诹慵?shí)體模型建立并賦予相關(guān)材料屬性(如密度等后,ADAMS 會自動計(jì)算所建零件的質(zhì)量和對指定位置的慣性矩,作為動力仿真慣性特性參數(shù)(也可以自定義的輸入。鑒于該配氣機(jī)構(gòu)中絕大部分零件在ADAMS 中的建模方式與其他CAD 軟件相似,所以本文主要介紹其中最為關(guān)鍵的凸輪建模,如下。首先,根據(jù)平面挺柱升程函數(shù)或離散的升程表換算

9、出凸輪廓形上各點(diǎn)對凸輪基圓中心的笛卡爾(也可為極坐標(biāo)坐標(biāo)值(建議步長與設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定相一致,本例為0.25°凸輪轉(zhuǎn)角,換算公式如下 :式中R 0凸輪基圓半徑h (平面挺柱升程、A 含義如圖2 所示圖2平底挺柱凸輪廓線坐標(biāo)換算示意圖T 基圓與緩沖段過渡點(diǎn)P 切點(diǎn)Q 與挺柱垂直交點(diǎn)O 基圓心點(diǎn)42內(nèi)燃機(jī)工程2003年第3期然后在ADAMS 中利用求得的坐標(biāo)建立光滑過渡的凸輪廓形樣條曲線(分段盡可能密集,視具體情況而定,再根據(jù)做好的樣條曲線建立凸輪的基圓部分圓弧,并將這兩段曲線聯(lián)接為一個完整的曲線鏈。最后,在ADAMS 中通過拉伸操作完成凸輪的實(shí)體建模。另外,可在各個零件建模過程中精確定義該

10、零件在整個系統(tǒng)中的位置或方位,也可以個別建模后通過移動或旋轉(zhuǎn)操作來定位該零件在整個系統(tǒng)中的位置或方位,在建立所有零件實(shí)體模型和在系統(tǒng)中正確定位該零件后,就可定義各個零件間的連接了。2.2.2建立連接ADAMS 采用多體動力學(xué)方法處理模型和求解,因此在完成機(jī)構(gòu)實(shí)體模型后,必須定義建立機(jī)構(gòu)各個零件的連接方式。最終完成的實(shí)例配氣機(jī)構(gòu)實(shí)體模型如圖3所示 。圖3配氣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)本文將機(jī)體和缸蓋結(jié)合組定義為ADAMS 默認(rèn)的基礎(chǔ)件。下面按圖3中序號依次說明各連接方式(進(jìn)、排氣側(cè)零件的連接相同:1剛性鉸鏈連接,只允許凸輪軸繞自身軸線轉(zhuǎn)動;2實(shí)體對實(shí)體接觸;3球鉸連接,允許相對轉(zhuǎn)動(假設(shè)不允許脫離;4滑動鉸鏈

11、連接,只允許挺柱繞軸線自由旋動和沿軸向相對運(yùn)動;5剛性固定連接,不允許有任何相對運(yùn)動;6圓弧曲線對平面的接觸(其中:進(jìn)氣門側(cè)間隙為0.5mm ,排氣門測間隙為0.3mm ;7球鉸連接,允許相對轉(zhuǎn)動(假設(shè)不允許脫離;8剛性固定連接,不允許有任何相對運(yùn)動;9剛性固定連接,不允許有任何相對運(yùn)動;10剛性鉸鏈連接,只允許搖臂繞搖臂軸轉(zhuǎn)動;11剛性固定連接,不允許有任何相對運(yùn)動;12滑動鉸鏈連接,只允許氣門繞導(dǎo)管軸線自由旋動和沿軸向相對運(yùn)動;13無質(zhì)量彈簧(具有剛度、阻尼、和預(yù)載荷連接;14剛性固定連接,不允許有任何相對運(yùn)動;15實(shí)體對實(shí)體接觸。當(dāng)然,視具體情況和需要,也可采用其他的連接方式,如搖臂與氣

12、門可以采用實(shí)體對實(shí)體的連接方式,但這將會加長計(jì)算機(jī)求解時間。最后,在凸輪軸與機(jī)體的鉸鏈連接上定義運(yùn)動源(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動后,就可以進(jìn)行模擬內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況了。3配氣機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果本文所選實(shí)例柴油機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2600r/min ,因此選擇1300r/min 作為凸輪軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行虛擬配氣機(jī)構(gòu)仿真。求解后,可得到大量的各零部件和連接的運(yùn)動和力學(xué)參數(shù)。本文僅列出其中幾個結(jié)果以示說明,如圖47所示。由于測量、凸輪加工誤差等原因,圖4、圖5中ADAMS 求得的加速度曲線和實(shí)測曲線有所不同,另外,由于在ADADMS 計(jì)算中沒有完全考慮整個522003年第3期內(nèi)燃機(jī)工程 圖4進(jìn)氣門加速度對比圖-實(shí)測值A(chǔ)DAMS 仿真值圖5排氣門加速度對比圖-實(shí)測值A(chǔ)DAMS 仿真值圖6 進(jìn)氣凸輪與挺柱的接觸力圖7排氣門與氣門座的接觸力配氣機(jī)構(gòu)的剛度(ADAMS 中也可考慮,有待以后完善,因此其曲線走勢與實(shí)測相比較為平坦,但總體趨勢是一致的。另外,ADAMS 提供的各種力和載荷參數(shù)可以作為零件進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析的載荷條件。4結(jié)論(1只要模型構(gòu)建合理,ADAMS 虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真具有相當(dāng)?shù)那蠼饩取?2在無實(shí)際的物理樣機(jī)的條件下,ADAMS 虛擬樣機(jī)仿真可提供大量的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)參數(shù)結(jié)果,這些結(jié)果可用于分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動特性,也可用于下次分析的輸入。在發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)開發(fā)中,ADAMS 虛擬樣機(jī)