机车柴油机配气机构仿真设计研究

工作原理后，对配气机构零件的尺寸进行了设计。通过Solidworks Motion对配气机构添加驱动和约束后进行了运动仿真分析，验证了仿真模型的合理性。最后进行了凸轮轴与气门弹簧的强度校核，为柴油机配气机构运动学特性进一步分析提供了基础，还可以为整个机构的优化设计提供参考，从而提高柴油机配气机构工作的可靠性和经济性。

【关键词】列车;配气机构;Solidworks;仿真

前言

柴油机是一种非常重要的为各种机器提供动力的装置，而配气机构是柴油机最重要的呼吸系统。配气机构作为柴油机换气机构的控制部分，它的好坏很大程度上影响了一个柴油机的优劣。所以要拯救一台柴油机，对配气机构的优化是一种重要的途径。下面我将简单介绍几种典型的优化形式。

2008年曹晓轶、彭健教授建立了多气门的配气系统，并且利用C++进行参数化及二次开发，研究了配气机构的气门仿真，得到了气门工作时的性能参数。2009年张学文，申立中教授，采用DOE软件建立了柴油机配气机构模型，通过控制变量法，分别研究了在速度相同，转矩相同和功率相同时由于配气相位不同而柴油机表现出来的特性，分析了发火顺序对柴油机的影响，主要分析了配气相位对燃油消耗的关系，得到了配气相位的优化可以大大改善柴油机的工况。2011年郭建，苏铁熊教授研究了可变配气机构的有凸轮和无凸轮情况，比较了它们各自的特点，得到了无凸轮机构能够更加有效的控制配气机构的运行。2012年赵冬青、苏铁熊教授采用matlab建立了柴油机配气机构模型，采用数值模拟的方法，研究了顶置凸轮轴技术对配气机构的影响。2016年刘雪洪教授建立了柴油机配气机构的三维模型，研究了可变配气技术对配气机构的影响，实现了根据配气机构的需要来确定凸轮轴的轮廓曲线。本论文以机车柴油机配气机构为研究对象，对此进行运动学和动力学分析及零部件强度可靠分析。

1.配气机构的零部件建模

1.1配气机构的构成及工作原理

配气机构它的主要部件包括凸轮、气门推杆、气门摇臂、气门弹簧、气门。配气机构是柴油机换气机构的控制部分，它的作用是根据柴油机气缸的做功顺序和配气相位，定时的开启进、排气门，并且与排气系统配合，保证柴油机各气缸尽可能多的排出废气和吸进更多新鲜空气。

1.2配气机构各零件的建模

1.气门。气门的建模过程：建草图→旋转凸台→拉伸凸台→拉伸切除→完成。

2.弹簧挡圈。弹簧挡圈建模过程：建草图→两次凸台拉伸→倒角→切除拉伸。

3.凸轮轴。先在草图上绘制轴的二维图形，通过拉伸命令得到轴。再在草图上绘制凸轮的二维图形，通过拉伸命令得到凸轮。然后将轴和凸轮零件进行装配。

4.气门弹簧。气门弹簧的建模过程：新建草图→三条直线段→簧条圆→三次扫描→切除→完成。

5.推杆。通过凸台拉伸命令得到推杆。

6.导块。建模过程：新建草图→拉伸凸台→拉伸切除→圆角→镜像→完成。

7.摇臂。建模过程：新建草图→凸台拉伸→凸台拉伸→拉伸切除→凸台拉伸→拉伸切除→圆角→完成。

8.气门横臂。建模过程：新建草图→拉伸凸台→拉伸切除1→拉伸切除2→镜像→拉伸凸台→完成。

2.配气机构CAE分析

2.1配气机构动力学仿真模型建立

2.2仿真结果分析

1.凸轮轴的强度分析

在SolidWorks Simulation中对凸轮轴进行有限元强度分析。本文中凸轮轴选用的质为合金钢，将凸轮轴内孔壁固定，将约束设置为弹性支撑，在凸轮面上画一个应力斑，在应力斑处加一个数值为2000N且方向垂直向下的力，进行有限元分析。如图2所示。

配气机构凸轮轴材料是合金钢，采用高频淬火热处理和滚压工艺，它的屈服极限是620.4MPa由分析结果得出，凸轮轴最大应力为20.95MPa<<620.4MPa。可见，该凸轮轴满足设计要求，凸轮轴结构强度满足设计要求。

2.排气门的位移

通过Solidworks Motion运动仿真分析得到的排气门的位移随凸轮转动的变化曲线如图3，排气门的位移曲线光滑，说明排气门运行平稳，没有发生脱离。

3.排气门的加速度

可以看出，在凸轮轴开始转动后，气门在开启的一刹那有突然的振动，而且振动较大，这是不可避免的，不过在气门开启后，振动就会减小。

4.凸轮轴与挺柱间的接触力

通过Solidworks Motion运动仿真得到的凸轮轴与挺柱之间接触力随凸轮转动的变化可以看出凸轮轴与挺柱之间的接触力是跟着时间不断变化的，而且分析配气机构如果运行平稳的话，接触力应始终为压力，即数值不发生变号。反作用力始终为正值，说明接触力一直是压力。仿真结果表明该配气机构运行稳定。

3.结论

1、利用Solidworks软件为工具，完成柴油机配气机构零部件三维实体建模和装配模型，对配气机构部分零部件进行了强度可靠性分析，所得结果可以用于柴油机配气机构运动学特性分析，还可以为整个机构的优化设计提供基础，从而提高柴油机配气机构工作的可靠性，经济性。

2、确定了柴油机配气机构的运动规律及运动中的受力情况，对柴油机配气机构进行了仿真分析。仿真机构的仿真结果在总体变化趋势和实际工作情况比较一致，对工作时的假设基本合理，满足设计任务，可以為工业提供参考。

3、通过Solidworks Motion运动仿真，采用额定的凸轮轴转速而对各个零件的一些参数分别进行测量，得到了不同的变化曲线，在进行比较后，得到的气门运动规律和零部件之间的接触力中可以看出该配气机构的动力学性能良好。

参考文献：

[1] 成晓北，倪宏俊，王宇业，黄立，胡云，黄承福.柴油机配气机构动力学特性的仿真与试验[J].车用发动机，2011，01：70-74.

[2] 张晓蓉，朱才朝，吴佳芸.内燃机配气机构系统动力学分析 [J].重庆大学学报，2008（03）.

[3] 姚寿广，包国治，许江涛.基于虚拟样机的柴油机配气机构运动学动力学仿真分析[J].船舶工程，2009，06：20-23.

（作者单位：兰州交通大学机电工程学院）

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