CN105975693A - 一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机低噪声设计领域，具体涉及一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法。本发明包括：获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数；获取配气机构中零部件的材料参数；获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数；获取配气机构中相邻零部件之间的接触刚度参数和接触阻尼参数；获取配气机构中零部件的几何尺寸参数；获取配气机构中所有进气和排气单元的凸轮升程列表；获取凸轮轴的运行角速度；获取所有零部件的初始位移和初始速度。本发明提供的预测方法不仅考虑了挺杆、摇臂、气阀杆和气阀弹簧振动的影响，还考虑了摇臂轴和摇臂座振动的影响，预测方法具有较高的精度。

Description

一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法

技术领域

本发明属于内燃机低噪声设计领域，具体涉及一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法。

背景技术

配气机构噪声是内燃机主要的噪声源之一。配气机构噪声直接源于配气机构相邻零件之间的动态接触载荷。其中，摇臂与推杆、摇臂与气阀均是配气机构重要的接触副，两处的接触载荷直接通过摇臂传递给摇臂轴，然后传递给摇臂座，再传递给气缸盖，从而引起气缸盖的振动和辐射噪声。

配气机构的低噪声设计是通过优化零部件的结构参数或凸轮型线的特征参数来减小配气机构的激励源输出，从而降低配气机构噪声。为达到此目的，必须获取配气机构的激励源特性，用于后续的振动和噪声预测。目前常用的配气机构动力学计算方法只考虑了推杆、摇臂、气阀弹簧等零件的振动，不考虑摇臂轴和摇臂座的振动，这对于凸轮型线设计和气阀升程计算是足够的。但摇臂轴和摇臂座的振动对摇臂座动态载荷的影响较大，并且动态载荷的预测结果直接影响到后续其噪声预测的精确性，所以建立一种能够同时考虑推杆、摇臂、气阀弹簧、摇臂轴和摇臂座振动的摇臂座动态载荷预测方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免现有配气机构动力学计算方法不考虑摇臂轴和摇臂座振动的缺陷，同时避免造成庞大的计算求解规模，能够同时考虑推杆、摇臂、气阀弹簧、摇臂轴和摇臂座振动的配气机构摇臂座动态载荷的预测方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法，包括以下步骤：

(1)获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数；

(2)获取配气机构中零部件的材料参数；

(3)获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数；

(4)获取配气机构中相邻零部件之间的接触刚度参数和接触阻尼参数；

(5)获取配气机构中零部件的几何尺寸参数；

(6)获取配气机构中所有进气和排气单元的凸轮升程列表；

(7)获取凸轮轴的运行角速度；

(8)获取所有零部件的初始位移和初始速度；

(9)离散摇臂轴的质量和转动惯量，即将摇臂轴的质量和转动惯量向与摇臂座接触区对称中心离散，称每个接触区对称中心为一个节点，节点j和节点j+1之间的一段摇臂轴称为第i段摇臂轴单元；第j节点的离散质量和离散转动惯量为m_j和I_j；

(10)建立摇臂轴的弯曲振动模型；

(11)离散推杆的质量、摇臂短臂的转动惯量、摇臂长臂的转动惯量、气阀组的质量；

(12)建立一组配气单元的动力学模型；

(13)输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程；

(14)根据一组配气单元动力学模型中集中质量的动力学控制方程获取当前时刻挺柱位移、推杆位移、摇臂简化质量的位移、气阀组简化质量的位移；

(15)获取当前时刻第j节点进气单元推杆与摇臂的接触力F_PA，以及摇臂与气阀的接触力F_AV，即

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{PA}=K_{PA}(x_{P2}-{\mathrm{\δ}}_{PA}-x_{A1}-v_j)+C_{PA}({\stackrel{\·}{x}}_{P2}-{\stackrel{\·}{x}}_{A1}-{\stackrel{\·}{v}}_j)\\ F_{AV}=K_{AV}(x_{A2}-v_j-{\mathrm{\δ}}_{AV}-x_R)+C_{AV}({\stackrel{\·}{x}}_{A2}-{\stackrel{\·}{v}}_j-{\stackrel{\·}{x}}_R)\end{array}\right.$

其中，K_PA、C_PA和δ_PA为推杆与摇臂之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；K_AV、C_AV和δ_AV为摇臂与气阀之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；x_P1和x_P2为推杆集中质量的位移；x_A1和x_A2为摇臂集中质量的位移；x_R为气阀杆顶端的位移，v_j为摇臂轴第j节点处的弯曲挠度；

(16)获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即

$F_j^i=F_{PA}+F_{AV}$

(17)重复步骤(13)至步骤(16)，完成当前时刻第j节点排气单元的动力学计算，得到当前时刻第j节点排气单元的摇臂作用力，即

(18)重复步骤(13)至步骤(17)，得到当前时刻第j+1气缸进气单元的摇臂作用力和排气单元的摇臂作用力

(19)：根据摇臂轴的弯曲振动控制方程获取当前时刻各节点的弯曲挠度v_j和弯曲转角即

其中，ξ_j-1,j为第j-1段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为E_AI_A；l_j-1,j为第j-1段摇臂轴单元的长度；ξ_j+1,j为第j段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为E_AI_A；l_j+1,j为第j段摇臂轴单元的长度；α和β为比例阻尼系数；

(20)预测当前时刻各摇臂座的动态载荷，包括摇臂座的支撑约束力F_j和转动约束力矩T_j，即

(21)返回步骤(13)，进行下一个时刻的预测直至所有时刻的预测结束。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的预测方法不仅考虑了挺杆、摇臂、气阀杆和气阀弹簧振动的影响，还考虑了摇臂轴和摇臂座振动的影响，预测方法具有较高的精度。

(2)本发明提供的预测方法不需要复杂的数学理论，并且可以采用常用的数值方法求解，例如有限差分法和四阶龙格库塔法，具有计算规模小、计算速度快的优点。

(3)本发明提供的预测方法给出了详细的摇臂座动态载荷的预测过程，预测结果不仅可以用于配气机构的低噪声设计，还可以用于摇臂轴和摇臂座的强度校核、气缸盖的动态应力分析等。

附图说明

图1为本发明提供的预测方法的流程图。

图2为本发明提供的摇臂座动态载荷的预测模型。

图3为本发明提供的一组配气单元的动力学模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供一种能够同时考虑推杆、摇臂、气阀弹簧、摇臂轴和摇臂座振动的摇臂座动态载荷预测方法。所述预测方法采用集中参数法建立一组配气单元的动力学模型，从而获取一组配气单元中挺杆与摇臂的动态接触力、摇臂与气阀的动态接触力，再根据进气单元摇臂作用力和排气单元摇臂作用力的和获取一个摇臂轴节点的作用力。所述预测方法采用有限元法建立摇臂轴的弯曲振动模型，将每个摇臂座的约束作用简化为支撑约束刚度和阻尼、转动约束刚度和阻尼，从而获取每个摇臂座的支撑约束力和转动约束力矩。所述预测方法不需要复杂的数学理论，并且可以采用常用的数值方法求解，具有计算规模小、计算速度快的优点，预测结果不仅可以用于配气机构的低噪声设计，还可以用于摇臂轴和摇臂座的强度校核、气缸盖的动态应力分析等。

该法有利于提高摇臂座动态载荷的预测精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是采用如下步骤：

步骤1：获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数。

步骤2：获取配气机构中零部件的材料参数。

步骤3：获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数。

步骤4：获取配气机构中相邻零部件之间的接触刚度参数和接触阻尼参数。

步骤5：获取配气机构中零部件的几何尺寸参数。

步骤6：获取配气机构中所有进气和排气单元的凸轮升程列表。

步骤7：获取凸轮轴的运行角速度ω_C。

步骤8：获取所有零部件的初始位移和初始速度。

步骤9：离散摇臂轴的质量和转动惯量，即将摇臂轴的质量和转动惯量向与摇臂座接触区对称中心离散，称每个接触区对称中心为一个节点，称第j节点的离散质量和离散转动惯量为m_j和I_j。

步骤10：建立摇臂轴的弯曲振动模型。

步骤11：离散推杆的质量、摇臂短臂的转动惯量、摇臂长臂的转动惯量、气阀组的质量。

步骤12：建立一组配气单元的动力学模型。

步骤13：输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程。

步骤14：根据一组配气单元动力学模型中集中质量的动力学控制方程获取当前时刻挺柱位移、推杆位移、摇臂简化质量的位移、气阀组简化质量的位移；根据气阀弹簧的动力学模型获取气阀弹簧的恢复力N_S。

步骤15：获取当前时刻第j节点进气单元推杆与摇臂的接触力F_PA，以及摇臂与气阀的接触力F_AV。

步骤16：获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即

步骤17：重复步骤13、步骤14、步骤15、步骤16，完成当前时刻第j节点排气单元的动力学计算，得到当前时刻第j节点排气单元的摇臂作用力，即

步骤18：重复步骤13、步骤14、步骤15、步骤16、步骤17，得到当前时刻第j+1气缸进气单元的摇臂作用力和排气单元的摇臂作用力

步骤19：根据摇臂轴的弯曲振动控制方程获取当前时刻各节点的弯曲挠度v_j和弯曲转角

步骤20：预测当前时刻各摇臂座的动态载荷，包括摇臂座的支撑约束力F_j和转动约束力矩T_j，即

步骤21：返回步骤(13)，进行下一个时刻的预测过程。

如图1所示，本发明按如下步骤实现：

步骤1：获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数，包括挺柱质量M_T、推杆质量M_P、摇臂长臂转动惯量I_AL、摇臂短臂转动惯量I_AS、气阀杆质量M_E、气阀头质量M_VH、弹簧上座和锁片的质量M_RL、气阀弹簧的质量M_S。

步骤2：获取配气机构中零部件的材料参数，包括杨氏模量、泊松比和密度。

步骤3：获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数，包括推杆的纵向刚度系数K_P、摇臂的弯曲刚度系数K_A和气阀杆的纵向刚度系数K_E、摇臂座的支撑约束刚度系数K_j和转动约束刚度系数k_j。取临界阻尼系数的2％作为相应的阻尼系数。

步骤4：获取配气机构中相邻零部件之间的接触刚度参数和接触阻尼参数，包括凸轮与推杆之间的接触刚度系数K_CT、挺柱与推杆之间的接触刚度系数K_TP、推杆与摇臂之间的接触刚度系数K_PA、摇臂与气阀之间的接触刚度系数K_AV、气阀与气阀座之间的接触刚度系数K_VS，并分别取临界阻尼系数的4％作为相应的接触阻尼系数。

步骤5：获取配气机构中零部件的几何尺寸参数，包括摇臂长臂的长度l_AL、摇臂短臂的长度l_AS、摇臂的传动比q、相邻摇臂座之间的距离l_j-1,j、摇臂轴横截面积A_A、摇臂轴横截惯性矩I_A。

步骤6：获取配气机构中所有进气和排气单元的凸轮升程列表。

步骤7：获取凸轮轴的运行角速度ω_C。

步骤8：获取所有零部件的初始位移和初始速度。

步骤9：离散摇臂轴的质量和转动惯量，即将摇臂轴的质量和转动惯量向与摇臂座接触区对称中心离散，称每个接触区对称中心为一个节点，节点j和节点j+1之间的一段摇臂轴称为第(i)段摇臂轴单元。第j节点的离散质量和离散转动惯量为m_j和I_j。

步骤10：利用有限元法建立如图2所示的摇臂轴的弯曲振动模型。其中，作用力和分别为第j节点进气单元的摇臂作用力和排气单元的摇臂作用力，分别由图3所示一组配气单元的动力学模型计算得到。v_j和分别为第j节点的挠度和转角，K_j和C_j分别为第j节点处摇臂座的支撑约束刚度和阻尼，k_j和c_j分别为第j节点处摇臂座的转动约束刚度和阻尼。在第j节点处与K_j和C_j对应的摇臂座的支撑约束力为F_j，与k_j和c_j对应的摇臂座的转动约束力矩为T_j。

步骤11：离散推杆的质量，即将推杆质量M_P向推杆两端离散，得到M_P1＝M_P2＝M_P/2；离散摇臂短臂的转动惯量，即将摇臂短臂的转动惯量M_AS向短臂端离散，得到

离散摇臂长臂的转动惯量，即将摇臂长臂的转动惯量M_AL向长臂端离散，得到离散气阀组的质量，得到两个集中质量M_R和M_V。其中，M_R包括弹簧上座质量、锁片质量以及气阀杆的质量，M_V为气阀头的质量。

步骤12：建立如图3所示的一组配气单元的动力学模型。其中，气阀弹簧可以单独建立动力学模型，并为对应的一组配气单元提供恢复力N_S。v_j为摇臂轴第j节点处的弯曲挠度，代表摇臂的整体平动位移，由图2所示的摇臂轴的弯曲振动模型计算得到。

步骤13：输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程。

步骤14：根据挺柱集中质量M_T的动力学控制方程获取当前时刻挺柱的位移x_T；根据推杆集中质量M_P1和M_P2的动力学控制方程获取当前时刻推杆的位移x_P1和x_P2；根据摇臂集中质量M_A1和M_A2的动力学控制方程获取当前时刻摇臂的位移x_A1和x_A2；根据气阀组集中质量M_R和M_V的动力学控制方程获取当前时刻气阀杆顶端的位移x_R和气阀头的位移x_V；根据气阀弹簧的动力学模型获取气阀弹簧的恢复力N_S。

步骤15：获取当前时刻第j节点进气单元推杆与摇臂的接触力F_PA，以及摇臂与气阀的接触力F_AV，即

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{PA}=K_{PA}(x_{P2}-{\mathrm{\δ}}_{PA}-x_{A1}-v_j)+C_{PA}({\stackrel{\·}{x}}_{P2}-{\stackrel{\·}{x}}_{A1}-{\stackrel{\·}{v}}_j)\\ F_{AV}=K_{AV}(x_{A2}-v_j-{\mathrm{\δ}}_{AV}-x_R)+C_{AV}({\stackrel{\·}{x}}_{A2}-{\stackrel{\·}{v}}_j-{\stackrel{\·}{x}}_R)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，K_PA、C_PA和δ_PA为推杆与摇臂之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；K_AV、C_AV和δ_AV为摇臂与气阀之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙。

步骤16：获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即

$F_j^i=F_{PA}+F_{AV}---\left(2\right)$

步骤17：重复步骤13、步骤14、步骤15、步骤16，完成当前时刻第j节点排气单元的动力学计算，得到当前时刻第j节点排气单元的摇臂作用力，即

步骤18：重复步骤13、步骤14、步骤15、步骤16、步骤17，得到当前时刻第j+1气缸进气单元的摇臂作用力和排气单元的摇臂作用力

步骤19：根据摇臂轴的弯曲振动控制方程获取当前时刻各节点的弯曲挠度v_j和弯曲转角即

其中，ξ_j-1,j为第(j-1)段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为E_AI_A；l_j-1,j为第(j-1)段摇臂轴单元的长度；ξ_j+1,j为第(j)段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为E_AI_A；l_j+1,j为第(j)段摇臂轴单元的长度；α和β为比例阻尼系数。

步骤20：预测当前时刻各摇臂座的动态载荷，包括摇臂座的支撑约束力F_j和转动约束力矩T_j，即

步骤21：返回步骤(13)，进行下一个时刻的预测过程。

Claims (1)

1.一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数；

(2)获取配气机构中零部件的材料参数；

(3)获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数；

(4)获取配气机构中相邻零部件之间的接触刚度参数和接触阻尼参数；

(5)获取配气机构中零部件的几何尺寸参数；

(6)获取配气机构中所有进气和排气单元的凸轮升程列表；

(7)获取凸轮轴的运行角速度；

(8)获取所有零部件的初始位移和初始速度；

(9)离散摇臂轴的质量和转动惯量，即将摇臂轴的质量和转动惯量向与摇臂座接触区对称中心离散，称每个接触区对称中心为一个节点，节点j和节点j+1之间的一段摇臂轴称为第i段摇臂轴单元；第j节点的离散质量和离散转动惯量为m_j和I_j；

(10)建立摇臂轴的弯曲振动模型；

(11)离散推杆的质量、摇臂短臂的转动惯量、摇臂长臂的转动惯量、气阀组的质量；

(12)建立一组配气单元的动力学模型；

(13)输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程；

(14)根据一组配气单元动力学模型中集中质量的动力学控制方程获取当前时刻挺柱位移、推杆位移、摇臂简化质量的位移、气阀组简化质量的位移；

(15)获取当前时刻第j节点进气单元推杆与摇臂的接触力F_PA，以及摇臂与气阀的接触力F_AV，即

$\left\{\begin{array}{c}{F}_{PA}=K_{PA}(x_{P2}-{\mathrm{\δ}}_{PA}-x_{A1}-v_j)+C_{PA}({\stackrel{\·}{x}}_{P2}-{\stackrel{\·}{x}}_{A1}-{\stackrel{\·}{v}}_j)\\ F_{AV}=K_{AV}(x_{A2}-v_j-{\mathrm{\δ}}_{AV}-x_R)+C_{AV}({\stackrel{\·}{x}}_{A2}-{\stackrel{\·}{v}}_j-{\stackrel{\·}{x}}_R)\end{array}\right.$

其中，K_PA、C_PA和δ_PA为推杆与摇臂之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；K_AV、C_AV和δ_AV为摇臂与气阀之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；x_P1和x_P2为推杆集中质量的位移；x_A1和x_A2为摇臂集中质量的位移；x_R为气阀杆顶端的位移，v_j为摇臂轴第j节点处的弯曲挠度；

(16)获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即

$F_j^i=F_{PA}+F_{AV}$

(17)重复步骤(13)至步骤(16)，完成当前时刻第j节点排气单元的动力学计算，得到当前时刻第j节点排气单元的摇臂作用力，即

(18)重复步骤(13)至步骤(17)，得到当前时刻第j+1气缸进气单元的摇臂作用力和排气单元的摇臂作用力

(19)：根据摇臂轴的弯曲振动控制方程获取当前时刻各节点的弯曲挠度v_j和弯曲转角即

其中，ξ_j-1,j为第j-1段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为E_AI_A；l_j-1,j为第j-1段摇臂轴单元的长度；ξ_j+1,j为第j段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为E_AI_A；l_j+1,j为第j段摇臂轴单元的长度；α和β为比例阻尼系数；

(20)预测当前时刻各摇臂座的动态载荷，包括摇臂座的支撑约束力F_j和转动约束力矩T_j，即

(21)返回步骤(13)，进行下一个时刻的预测直至所有时刻的预测结束。