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【摘 要】某增压发动机在开发过程中出现高转速性能下降、排气门座圈磨损的问题。为分析其原因，基于valdyn软件对发动机单阀系进行一维建模并进行运动学与动力学仿真计算。计算结果显示，弹簧力小造成气门反跳从而加大气门与气门座之间的应力是造成该问题的主要原因。在进行设计优化之后，发动机性能得到相应改善。由此可知，气门弹簧是阀系系统中的重中之重，单阀系运动学和动力学仿真可以对阀系能否正常工作进行评估，预知设计缺陷并及时进行优化，缩短开发周期。
【关键词】增压发动机；valdyn；运动学；动力学；气门弹簧
【中图分类号】U464.13 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）04-0052-04
0 前言
配气机构是发动机的重要组成部分，也是发动机振动与噪声来源之一。阀系动力学的好坏直接影响配气机构的振动、噪声乃至机构本身的强度[1]。由于配气机构的整个传动链具有一系列的几何形状、刚度和质量，工作时就会产生弹性变形，使位于传动链末端气门处的运动产生很大畸变，从而改变配气机构内部零件之间的相互作用力，造成飞脱、反跳、应力过大等一系列问题。因此，有必要对内燃机配气机构进行动力学计算，以便对其动力性能进行评价，并为配气机构的优化设计提供理论依据[2]。本文针对某增压发动机出现性能下降、气门烧蚀等问题，基于valdyn软件，建立单阀系一维模型，对其运动学和动力学进行仿真计算并评估，找出失效原因并进行优化设计。
1 失效描述及原因分析
某增压汽油发动机在开发过程中发现高转速性能下降，后经拆机发现排气侧气门座磨损严重（如图1所示），查找原因发现气门弹簧沿用同排量自然吸气发动机弹簧（之前经过经典公式计算，满足要求），推测为弹簧力不足造成配气机构无法正常工作。后经一维建模，进行单阀系动力学模拟仿真。结果显示：气门有反跳迹象，表明气门弹簧力不足，造成气门反跳和气门关闭不严，从而造成漏气现象，同时加大气门落座力和气门座圈磨损。
2 一维模型建立
2.1 搭建运动学和动力学模型
运动学主要分析计算在凸轮型线和弹簧作用下气门的运动规律，以及在运动过程中各连接件之间的润滑效果。按图2搭建单阀系运动学模型。动力学是将各相对运动件的质量、刚度，相互之间的阻尼和力对系统运动过程中的影响反映到仿真计算中，这样能更加准确地描述系统运动的真实性。按图3所示搭建发动机单阀系模型。
2.2 参数输入
运动学输入参数主要是输入零件的几何尺寸和相对位置关系，而动力学输入参数主要是气门、凸轮轴、挺柱等的当量质量、刚度，以及各运动件之间的阻尼。此外，在运动学和动力学计算中，润滑油的特性也是考虑范围。在本文中，各零件质量及几何尺寸在UG中测量，零件的刚度和阻尼采用了经典公式计算，润滑油黏度为机油黏度，即0.008 pa.s，气门最大升程为7.58 mm，弹簧预紧力为156 N，弹簧工作刚度为17.02 N/mm。
3 计算结果及分析
3.1 运动学计算结果及分析
3.1.1 缓冲段速度
缓冲段末端速度大小是影响阀系NVH性能和耐久的重要因素。缓冲段末端速度过大，气门在上升阶段所受撞击大，NVH差，凸桃磨损大；如果速度太小，则造成气门打开慢，不利于进排气。经仿真计算，缓冲段末端开启侧和关闭侧速度均为0.234 m/s@5 400 rpm。满足要求。
3.1.2 凸桃与挺柱之间最大接触应力
这是评价阀系在相對运动过程中的受力影响，最大接触应力大小直接影响凸桃的磨损，一般情况下将其控制在700 MPa最为理想。经计算得知：最大接触应力为623 MPa。
3.1.3 凸桃润滑
（1）“0.4 （2）桃尖“D&W”值、油膜厚度。桃尖一般是整个凸桃受力最大的地方，桃尖润滑极为重要。计算结果显示：桃尖“D&W”值为0.152；油膜厚度为0.031 9 um @1 000 rpm。满足设计要求。
综上所述，阀系运动学仿真结果满足要求。
3.2 动力学计算结果及分析
3.2.1 动力学分析
（1）弹簧安全系数。弹簧安全系数是评价弹簧在阀系运动过程中是否会因强度不够而产生失效的方法之一。
（2）气门关闭后弹簧中点位移。发动机运转过程中气门关闭后弹簧中点位移不宜太大。位移太大会导致弹簧预紧力的波动，使得气门有重新开启的风险，同时也将影响弹簧和弹簧座的耐久性。
（3）气门落座速度。气门落座速度增大到一定程度就会出现气门反跳及对气门座产生冲击，气门反跳会加快气门与气门座之间的磨损，影响气门的密封性能。
（4）气门反跳高度。阀系系统具有一定的刚度和质量，气门落座之后都会发生不同程度的反跳，为了减小磨损和改善NVH性能，必须将反跳高度控制在一定的范围内。
（5）挺柱分离高度。挺柱分离高度是评价挺柱与凸桃之间是否发生“飞脱”现象的重要依据。
（6）气门落座力。气门落座力的大小直接影响气门与气门之间的磨损，一般情况下，要将其控制在6倍弹簧预紧力之下。
3.2.2 动力学计算结果
计算结果如图4～图10所示。
结果显示：气门落座之后，气门升程发生轻微跳动，这就使得气门座受力大幅度波动，主要出现在高转速范围内，其他结果在可接受范围内。分析认为，这是由于弹簧预紧力不足，以至于在气道压力作用下气门发生反跳。这种情况可以通过增大弹簧预紧力的措施进行改善。 4 设计优化
增压发动机缸压和气道压力一般比自然吸气发动机高，因此在气门弹簧设计上需要增大弹簧预紧力和刚度来实现气门正常开启和关闭。经过一番计算之后，决定采用改变弹簧阻尼圈数来改变刚度得到以下2种方案的弹簧进行仿真计算，确认方案可行性（见表1）。
5 优化结果与验证
将优化后的两组弹簧带入模型进行计算，发现运动学和动力学结果良好。气门落座力结果和气门关闭后的升程都得到了很好的改善，这样就可以避免气门在关闭之后由于反跳而造成的密封不严和磨损，結果如图11～图16所示。
方案对比分析：方案二挺柱的接触应力过大，容易造成凸桃磨损，方案一接触应力较小，故选择第一种方案。
弹簧经过优化设计后，装配到发动机中进行实验验证，发现高转速性能有所改善，拆机后气门和气门座之间磨损有所减小，这也证明了我们之前的推测是正确的。
6 结语
配气机构的作用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和点火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量（汽油机为可燃混合气、柴油机为空气）得以及时进入气缸，而废气得以及时从气缸排出；在压缩和膨胀行程中，保证燃烧室的密封。气门弹簧是克服在气门关闭过程中气门及转动件的惯性力；防止各转动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座并紧紧贴合；防止气门在发动机振动时产生跳动，破坏其密封性。因此，气门弹簧在当今发动机设计开发中有着举足轻重的作用。弹簧力的大小直接影响发动机运动学和动力学结果。弹簧力太大，造成应力大，容易造成磨损，弹簧力太小，造成飞脱和反跳，从而影响发动机和NVH性能。因此，在发动机开发过程中，选用合适的弹簧是非常必要的。与此同时，为了能够提前预知配气机构的设计的可行性，必须进行阀系动力学模拟仿真计算，这样就可以大大缩短发动机的设计开发周期。
参 考 文 献
[1]尚汉冀.内燃机配气凸轮机构——设计和计算[M].上海：复旦大学出版社，1988.
[2]郭自强.基于Atkinson循环混合动力车用发动机的仿真及优化设计[D].北京：中国科学技术信息研究所，2011.
[3]杨兴共，阮仁宇，刘芯娟.某发动机单阀系动力学分析[J].汽车实用技术，2016（7）.
【关键词】增压发动机；valdyn；运动学；动力学；气门弹簧
【中图分类号】U464.13 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）04-0052-04
0 前言
配气机构是发动机的重要组成部分，也是发动机振动与噪声来源之一。阀系动力学的好坏直接影响配气机构的振动、噪声乃至机构本身的强度[1]。由于配气机构的整个传动链具有一系列的几何形状、刚度和质量，工作时就会产生弹性变形，使位于传动链末端气门处的运动产生很大畸变，从而改变配气机构内部零件之间的相互作用力，造成飞脱、反跳、应力过大等一系列问题。因此，有必要对内燃机配气机构进行动力学计算，以便对其动力性能进行评价，并为配气机构的优化设计提供理论依据[2]。本文针对某增压发动机出现性能下降、气门烧蚀等问题，基于valdyn软件，建立单阀系一维模型，对其运动学和动力学进行仿真计算并评估，找出失效原因并进行优化设计。
1 失效描述及原因分析
某增压汽油发动机在开发过程中发现高转速性能下降，后经拆机发现排气侧气门座磨损严重（如图1所示），查找原因发现气门弹簧沿用同排量自然吸气发动机弹簧（之前经过经典公式计算，满足要求），推测为弹簧力不足造成配气机构无法正常工作。后经一维建模，进行单阀系动力学模拟仿真。结果显示：气门有反跳迹象，表明气门弹簧力不足，造成气门反跳和气门关闭不严，从而造成漏气现象，同时加大气门落座力和气门座圈磨损。
2 一维模型建立
2.1 搭建运动学和动力学模型
运动学主要分析计算在凸轮型线和弹簧作用下气门的运动规律，以及在运动过程中各连接件之间的润滑效果。按图2搭建单阀系运动学模型。动力学是将各相对运动件的质量、刚度，相互之间的阻尼和力对系统运动过程中的影响反映到仿真计算中，这样能更加准确地描述系统运动的真实性。按图3所示搭建发动机单阀系模型。
2.2 参数输入
运动学输入参数主要是输入零件的几何尺寸和相对位置关系，而动力学输入参数主要是气门、凸轮轴、挺柱等的当量质量、刚度，以及各运动件之间的阻尼。此外，在运动学和动力学计算中，润滑油的特性也是考虑范围。在本文中，各零件质量及几何尺寸在UG中测量，零件的刚度和阻尼采用了经典公式计算，润滑油黏度为机油黏度，即0.008 pa.s，气门最大升程为7.58 mm，弹簧预紧力为156 N，弹簧工作刚度为17.02 N/mm。
3 计算结果及分析
3.1 运动学计算结果及分析
3.1.1 缓冲段速度
缓冲段末端速度大小是影响阀系NVH性能和耐久的重要因素。缓冲段末端速度过大，气门在上升阶段所受撞击大，NVH差，凸桃磨损大；如果速度太小，则造成气门打开慢，不利于进排气。经仿真计算，缓冲段末端开启侧和关闭侧速度均为0.234 m/s@5 400 rpm。满足要求。
3.1.2 凸桃与挺柱之间最大接触应力
这是评价阀系在相對运动过程中的受力影响，最大接触应力大小直接影响凸桃的磨损，一般情况下将其控制在700 MPa最为理想。经计算得知：最大接触应力为623 MPa。
3.1.3 凸桃润滑
（1）“0.4
综上所述，阀系运动学仿真结果满足要求。
3.2 动力学计算结果及分析
3.2.1 动力学分析
（1）弹簧安全系数。弹簧安全系数是评价弹簧在阀系运动过程中是否会因强度不够而产生失效的方法之一。
（2）气门关闭后弹簧中点位移。发动机运转过程中气门关闭后弹簧中点位移不宜太大。位移太大会导致弹簧预紧力的波动，使得气门有重新开启的风险，同时也将影响弹簧和弹簧座的耐久性。
（3）气门落座速度。气门落座速度增大到一定程度就会出现气门反跳及对气门座产生冲击，气门反跳会加快气门与气门座之间的磨损，影响气门的密封性能。
（4）气门反跳高度。阀系系统具有一定的刚度和质量，气门落座之后都会发生不同程度的反跳，为了减小磨损和改善NVH性能，必须将反跳高度控制在一定的范围内。
（5）挺柱分离高度。挺柱分离高度是评价挺柱与凸桃之间是否发生“飞脱”现象的重要依据。
（6）气门落座力。气门落座力的大小直接影响气门与气门之间的磨损，一般情况下，要将其控制在6倍弹簧预紧力之下。
3.2.2 动力学计算结果
计算结果如图4～图10所示。
结果显示：气门落座之后，气门升程发生轻微跳动，这就使得气门座受力大幅度波动，主要出现在高转速范围内，其他结果在可接受范围内。分析认为，这是由于弹簧预紧力不足，以至于在气道压力作用下气门发生反跳。这种情况可以通过增大弹簧预紧力的措施进行改善。 4 设计优化
增压发动机缸压和气道压力一般比自然吸气发动机高，因此在气门弹簧设计上需要增大弹簧预紧力和刚度来实现气门正常开启和关闭。经过一番计算之后，决定采用改变弹簧阻尼圈数来改变刚度得到以下2种方案的弹簧进行仿真计算，确认方案可行性（见表1）。
5 优化结果与验证
将优化后的两组弹簧带入模型进行计算，发现运动学和动力学结果良好。气门落座力结果和气门关闭后的升程都得到了很好的改善，这样就可以避免气门在关闭之后由于反跳而造成的密封不严和磨损，結果如图11～图16所示。
方案对比分析：方案二挺柱的接触应力过大，容易造成凸桃磨损，方案一接触应力较小，故选择第一种方案。
弹簧经过优化设计后，装配到发动机中进行实验验证，发现高转速性能有所改善，拆机后气门和气门座之间磨损有所减小，这也证明了我们之前的推测是正确的。
6 结语
配气机构的作用是按照发动机每一气缸内所进行的工作循环和点火次序的要求，定时开启和关闭各气缸的进、排气门，使新鲜充量（汽油机为可燃混合气、柴油机为空气）得以及时进入气缸，而废气得以及时从气缸排出；在压缩和膨胀行程中，保证燃烧室的密封。气门弹簧是克服在气门关闭过程中气门及转动件的惯性力；防止各转动件之间因惯性力的作用而产生间隙，保证气门及时落座并紧紧贴合；防止气门在发动机振动时产生跳动，破坏其密封性。因此，气门弹簧在当今发动机设计开发中有着举足轻重的作用。弹簧力的大小直接影响发动机运动学和动力学结果。弹簧力太大，造成应力大，容易造成磨损，弹簧力太小，造成飞脱和反跳，从而影响发动机和NVH性能。因此，在发动机开发过程中，选用合适的弹簧是非常必要的。与此同时，为了能够提前预知配气机构的设计的可行性，必须进行阀系动力学模拟仿真计算，这样就可以大大缩短发动机的设计开发周期。
参 考 文 献
[1]尚汉冀.内燃机配气凸轮机构——设计和计算[M].上海：复旦大学出版社，1988.
[2]郭自强.基于Atkinson循环混合动力车用发动机的仿真及优化设计[D].北京：中国科学技术信息研究所，2011.
[3]杨兴共，阮仁宇，刘芯娟.某发动机单阀系动力学分析[J].汽车实用技术，2016（7）.