低噪声重型柴油机配气机构凸轮型线优化设计_孟丽.pdf
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1、 年第 期檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶殞殞殞殞产品分析低噪声重型柴油机配气机构凸轮型线优化设计孟丽,姚敏,张志鹏(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 ;潍坊市特种设备检验研究院,山东 潍坊 )摘要:凸轮型线设计对发动机性能及可靠性至关重要。针对某重型柴油机整机噪声大,测试表明其配气机构产生的机械噪声贡献量比较大,为降低配气机构噪声对其凸轮型线进行优化设计和动力学计算分析,仿真结果显示优化型线后凸轮与从动件最大接触力降低约,凸轮扭矩峰值降低约。通过噪声试验验证,优化凸轮型线后发动机外特性噪声降低 ,整机降噪效果明显。关键词:配气机构;动力学;凸轮型线;中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,
2、:;作者简介:孟丽(),女,硕士,主要研究方向为发动机结构及动力学仿真。引言配气机构作为内燃机核心系统之一,其作用是实现发动机的换气过程,通过开启和关闭进排气门,保证发动机工作循环中进气充分,排气彻底,因而配气机构设计的优劣直接影响发动机的动力性、经济性及可靠性。随着发动机强化指标越来越高,性能要求气门升程曲线尽可能快的开启和关闭,同时在气门升程工作段有较大的丰满系数,这就使得凸轮型线设计有较大的加速度,但是加速度增加会导致配气机构零部件载荷增加,冲击加大,从而产生剧烈的振动和噪声,这样对于 非常不利。本文的研究对象为一款六缸增压中冷柴油机,配气机构形式为顶置式摇臂滚子结构。在噪声测试中发现整
3、机噪声较大,且配气机构机械噪声为主要噪声源。由配气机构噪声机理可知,噪声来源于两大方面:配气机构激励力和气门落座冲击。配气机构的激励力主要是指各部件之间的接触力,接触力包括凸轮摇臂间的接触力,摇臂与气门间的接触力以及气门与气门座间的接触力,各激励力不仅可以直接激起传动件的振动,还会通过凸轮轴承、摇臂座等结构件传递到机体、缸盖上引起结构的振动并且向外辐射振动噪声。为了减小传动件之间的冲击和磨损,降低系统的振动噪声水平,要保证各传动件之间的接触力控制在一定水平内,且无剧烈波动。另一方面,在气门落座时刻,落座速度产生的冲击不仅会导致较大落座振动和噪声,还会加剧接触面的磨损,设计时要保证落座冲击小。本
4、文针对配气机构噪声问题进行凸轮型线优化设计。配气机构模型搭建摇臂式顶置凸轮轴配气机构主要包括凸轮轴、滚子摇臂、气门桥、气门弹簧及气门等,该发动机为单缸四气门,配气机构布置如图所示。图配气机构布置本文采用 软件进行配气机构运动学及动力学计算。动力学模型采用多质量模型,根据零部件结构特点将其简化为多个串联的质量点,通过弹簧连接,考虑结构阻尼,可以更准确的计算零部件运动规律及受力情况,同时能够预测阀系飞脱、反跳等特性。配DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.008内燃机与配件 气机构动力学仿真计算模型如图所示。原机动力学计算结果如图所示。图计算模型图()气门升程
5、图()气门速度图()接触力图()凸轮轴扭矩由图 图 可知,气门落座平稳,没有出现反跳及二次开启的现象,气门落座速度小于 ,气门落座冲击小,落座特性良好,满足落座评价指标;由图 可知阀系各零部件之间接触良好,没有出现飞脱的现象;由此分析,排除因为阀系飞脱及异常落座造成的噪声大的问题。进一步分析图 和图,发现排气阀系凸轮从动件接触力波动较大,且升程开启段受力及扭矩均大于升程下降段,针对该问题进行凸轮型线优化设计:一方面降低阀系载荷波动,另一方面降低气门开启时刻的凸轮摇臂受力及凸轮扭矩,以降低阀系激励。凸轮型线优化要使配气机构工作平稳,振动与噪声较小,通常在设计凸轮型线时应该保证凸轮升程曲线光滑,尽
6、可能使曲线的三阶甚至更高阶的导数连续,挺柱的最大正加速度和最大负加速度之间过渡平滑等。降噪凸轮型线优化考虑如下几个方面:气门跃度:气门加速度的导数,表征气门加速度曲线的变化率,与从动件振动响应有直接的关系,凸轮与从动件间的接触力应尽可能避免突跳,跃度的最大值不宜过大,以免引起振动,一般最大跃度值不超过 。气门弹簧裕度:气门弹簧力与负加速段惯性力的比值,气门弹簧裕度的最小值应合适,不宜过大也不宜过小,过大容易导致零部件接触面早期磨损且增加驱动功率,过小会出现弹簧弹力不足导致从动件与凸轮出现脱离现象。一般情况下,最小气门弹簧裕度应大于 。凸轮轴扭矩是作用在齿轮或者带轮上的载荷,是影响凸轮轴扭振和皮
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