一種配氣機構搖臂座動態載荷的預測方法
【專利摘要】本發明屬于內燃機低噪聲設計領域，具體涉及一種配氣機構搖臂座動態載荷的預測方法。本發明包括：獲取配氣機構中零部件的質量和轉動慣量參數；獲取配氣機構中零部件的材料參數；獲取配氣機構中零部件的剛度參數和阻尼參數；獲取配氣機構中相鄰零部件之間的接觸剛度參數和接觸阻尼參數；獲取配氣機構中零部件的幾何尺寸參數；獲取配氣機構中所有進氣和排氣單元的凸輪升程列表；獲取凸輪軸的運行角速度；獲取所有零部件的初始位移和初始速度。本發明提供的預測方法不僅考慮了挺桿、搖臂、氣閥桿和氣閥彈簧振動的影響，還考慮了搖臂軸和搖臂座振動的影響，預測方法具有較高的精度。
【專利說明】
一種配氣機構搖臂座動態載荷的預測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于內燃機低噪聲設計領域，具體涉及一種配氣機構搖臂座動態載荷的預 測方法。
【背景技術】
[0002] 配氣機構噪聲是內燃機主要的噪聲源之一。配氣機構噪聲直接源于配氣機構相鄰 零件之間的動態接觸載荷。其中，搖臂與推桿、搖臂與氣閥均是配氣機構重要的接觸副，兩 處的接觸載荷直接通過搖臂傳遞給搖臂軸，然后傳遞給搖臂座，再傳遞給氣缸蓋，從而引起 氣缸蓋的振動和福射噪聲。
[0003] 配氣機構的低噪聲設計是通過優化零部件的結構參數或凸輪型線的特征參數來 減小配氣機構的激勵源輸出，從而降低配氣機構噪聲。為達到此目的，必須獲取配氣機構的 激勵源特性，用于后續的振動和噪聲預測。目前常用的配氣機構動力學計算方法只考慮了 推桿、搖臂、氣閥彈簧等零件的振動，不考慮搖臂軸和搖臂座的振動，這對于凸輪型線設計 和氣閥升程計算是足夠的。但搖臂軸和搖臂座的振動對搖臂座動態載荷的影響較大，并且 動態載荷的預測結果直接影響到后續其噪聲預測的精確性，所以建立一種能夠同時考慮推 桿、搖臂、氣閥彈簧、搖臂軸和搖臂座振動的搖臂座動態載荷預測方法具有重要意義。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種避免現有配氣機構動力學計算方法不考慮搖臂軸和搖 臂座振動的缺陷，同時避免造成龐大的計算求解規模，能夠同時考慮推桿、搖臂、氣閥彈簧、 搖臂軸和搖臂座振動的配氣機構搖臂座動態載荷的預測方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：
[0006] -種配氣機構搖臂座動態載荷的預測方法，包括以下步驟：
[0007] (1)獲取配氣機構中零部件的質量和轉動慣量參數；
[0008] (2)獲取配氣機構中零部件的材料參數；
[0009] (3)獲取配氣機構中零部件的剛度參數和阻尼參數；
[0010] (4)獲取配氣機構中相鄰零部件之間的接觸剛度參數和接觸阻尼參數；
[0011] (5)獲取配氣機構中零部件的幾何尺寸參數；
[0012] (6)獲取配氣機構中所有進氣和排氣單元的凸輪升程列表；
[0013] (7)獲取凸輪軸的運行角速度；
[0014] (8)獲取所有零部件的初始位移和初始速度；
[0015] (9)離散搖臂軸的質量和轉動慣量，即將搖臂軸的質量和轉動慣量向與搖臂座接 觸區對稱中心離散，稱每個接觸區對稱中心為一個節點，節點j和節點j+Ι之間的一段搖臂 軸稱為第i段搖臂軸單元;第j節點的離散質量和離散轉動慣量為叫和込；
[0016] (10)建立搖臂軸的彎曲振動模型；
[0017] (11)離散推桿的質量、搖臂短臂的轉動慣量、搖臂長臂的轉動慣量、氣閥組的質 量；
[0018] (12)建立一組配氣單元的動力學模型；
[0019] (13)輸入當前時刻第j節點進氣單元凸輪的升程；
[0020] (14)根據一組配氣單元動力學模型中集中質量的動力學控制方程獲取當前時刻 挺柱位移、推桿位移、搖臂簡化質量的位移、氣閥組簡化質量的位移；
[0021] (15)獲取當前時刻第j節點進氣單元推桿與搖臂的接觸力Fpa，以及搖臂與氣閥的 接觸力Fav，即
[0022]
[0023] 其中，KPA、CPA和δΡΑ為推桿與
搖臂之間的接觸剛度、接觸阻尼和初始間隙；KAV、C AV和 Sav為搖臂與氣閥之間的接觸剛度、接觸阻尼和初始間隙；χΡ1和XP2為推桿集中質量的位移； XM和XA2為搖臂集中質量的位移;XR為氣閥桿頂端的位移，^為搖臂軸第j節點處的彎曲撓 度；
[0024] (16)獲取當前時刻第j節點進氣單元的搖臂作用力，即g
[0025] F) =Fpa+Fav
[0026] (17)重復步驟（13)至步驟(16)，完成當前時刻第j節點排氣單元的動力學計算，得 到當前時刻第j節點排氣單元的搖臂作用力，即
[0027] (18)重復步驟（13)至步驟（17)，得到當前時刻第j + Ι氣缸進氣單元的搖臂作用力 和排氣單元的搖臂作用力^^ ;
[0028] (19):根據搖臂軸的彎曲振動控制方程獲取當前時刻各節點的彎曲燒度Vj和彎曲 轉角朽，即
[0029]
L〇〇31j 具中Λη,」為弟j-Ι段搖臂雅早兀的杌芎剛度，大小為ΕΑ1Α;1η,」為弟j-Ι段搖臂雅 單元的長度;為第j段搖臂軸單元的抗彎剛度，大小為EAIA;lj+1d為第j段搖臂軸單元的 長度;α和β為比例阻尼系數；
[0032] (20)預測當前時刻各搖臂座的動態載荷，包括搖臂座的支撐約束力Fj和轉動約束 力矩L，即
[0033]
[0034] (21)返回步驟(13)，進行下一個時刻的預測直至所有時刻的預測結束。
[0035]本發明具有以下有益效果：
[0036] (1)本發明提供的預測方法不僅考慮了挺桿、搖臂、氣閥桿和氣閥彈簧振動的影 響，還考慮了搖臂軸和搖臂座振動的影響，預測方法具有較高的精度。
[0037] (2)本發明提供的預測方法不需要復雜的數學理論，并且可以采用常用的數值方 法求解，例如有限差分法和四階龍格庫塔法，具有計算規模小、計算速度快的優點。
[0038] (3)本發明提供的預測方法給出了詳細的搖臂座動態載荷的預測過程，預測結果 不僅可以用于配氣機構的低噪聲設計，還可以用于搖臂軸和搖臂座的強度校核、氣缸蓋的 動態應力分析等。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發明提供的預測方法的流程圖。
[0040] 圖2為本發明提供的搖臂座動態載荷的預測模型。
[0041] 圖3為本發明提供的一組配氣單元的動力學模型。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0043] 本發明提供一種能夠同時考慮推桿、搖臂、氣閥彈簧、搖臂軸和搖臂座振動的搖臂 座動態載荷預測方法。所述預測方法采用集中參數法建立一組配氣單元的動力學模型，從 而獲取一組配氣單元中挺桿與搖臂的動態接觸力、搖臂與氣閥的動態接觸力，再根據進氣 單元搖臂作用力和排氣單元搖臂作用力的和獲取一個搖臂軸節點的作用力。所述預測方法 采用有限元法建立搖臂軸的彎曲振動模型，將每個搖臂座的約束作用簡化為支撐約束剛度 和阻尼、轉動約束剛度和阻尼，從而獲取每個搖臂座的支撐約束力和轉動約束力矩。所述預 測方法不需要復雜的數學理論，并且可以采用常用的數值方法求解，具有計算規模小、計算 速度快的優點，預測結果不僅可以用于配氣機構的低噪聲設計，還可以用于搖臂軸和搖臂 座的強度校核、氣缸蓋的動態應力分析等。
[0044] 該法有利于提高搖臂座動態載荷的預測精度。
[0045] 為了實現上述目的，本發明的技術方案是采用如下步驟：
[0046] 步驟1:獲取配氣機構中零部件的質量和轉動慣量參數。
[0047] 步驟2:獲取配氣機構中零部件的材料參數。
[0048] 步驟3:獲取配氣機構中零部件的剛度參數和阻尼參數。
[0049] 步驟4:獲取配氣機構中相鄰零部件之間的接觸剛度參數和接觸阻尼參數。
[0050] 步驟5:獲取配氣機構中零部件的幾何尺寸參數。
[0051] 步驟6:獲取配氣機構中所有進氣和排氣單元的凸輪升程列表。
[0052]步驟7:獲取凸輪軸的運行角速度coc。
[0053]步驟8:獲取所有零部件的初始位移和初始速度。
[0054]步驟9:離散搖臂軸的質量和轉動慣量，即將搖臂軸的質量和轉動慣量向與搖臂座 接觸區對稱中心離散，稱每個接觸區對稱中心為一個節點，稱第j節點的離散質量和離散轉 動慣量為mj和Ij。
[0055] 步驟10:建立搖臂軸的彎曲振動模型。
[0056] 步驟11:離散推桿的質量、搖臂短臂的轉動慣量、搖臂長臂的轉動慣量、氣閥組的 質量。
[0057]步驟12:建立一組配氣單元的動力學模型。
[0058]步驟13:輸入當前時刻第j節點進氣單元凸輪的升程。
[0059]步驟14:根據一組配氣單元動力學模型中集中質量的動力學控制方程獲取當前時 刻挺柱位移、推桿位移、搖臂簡化質量的位移、氣閥組簡化質量的位移;根據氣閥彈簧的動 力學模型獲取氣閥彈簧的恢復力Ns。
[0060] 步驟15:獲取當前時刻第j節點進氣單元推桿與搖臂的接觸力Fpa，以及搖臂與氣閥 的接觸力Fav。
[0061] 步驟16:獲取當前時刻第j節點進氣單元的搖臂作用力，即巧Γ
[0062] 步驟17:重復步驟13、步驟14、步驟15、步驟16,完成當前時刻第j節點排氣單元的 動力學計算，得到當前時刻第j節點排氣單元的搖臂作用力，即
[0063] 步驟18:重復步驟13、步驟14、步驟15、步驟16、步驟17,得到當前時刻第j+Ι氣缸進 氣單元的搖臂作用力^+|和排氣單元的搖臂作用力5°+1。
[0064] 步驟19:根據搖臂軸的彎曲振動控制方程獲取當前時刻各節點的彎曲撓度Vj和彎 曲轉角％。
[0065] 步驟20:預測當前時刻各搖臂座的動態載荷，包括搖臂座的支撐約束力Fj和轉動 約束力矩L，BP
[0066]
( 5 )
[0067] 步驟21:返回步驟(13)，進行下一個時刻的預測過程。
[0068] 如圖1所示，本發明按如下步驟實現：
[0069] 步驟1:獲取配氣機構中零部件的質量和轉動慣量參數，包括挺柱質量Μτ、推桿質 量Μρ、搖臂長臂轉動慣量Ial、搖臂短臂轉動慣量Ias、氣閥桿質量Me、氣閥頭質量Mvh、彈簧上座 和鎖片的質量Mrl、氣閥彈簧的質量Ms。
[0070] 步驟2:獲取配氣機構中零部件的材料參數，包括楊氏模量、泊松比和密度。
[0071] 步驟3:獲取配氣機構中零部件的剛度參數和阻尼參數，包括推桿的縱向剛度系數 Kp、搖臂的彎曲剛度系數KA和氣閥桿的縱向剛度系數KE、搖臂座的支撐約束剛度系數I和轉 動約束剛度系數4。取臨界阻尼系數的2%作為相應的阻尼系數。
[0072] 步驟4:獲取配氣機構中相鄰零部件之間的接觸剛度參數和接觸阻尼參數，包括凸 輪與推桿之間的接觸剛度系數KCT、挺柱與推桿之間的接觸剛度系數K TP、推桿與搖臂之間的 接觸剛度系數Κρα、搖臂與氣閥之間的接觸剛度系數KAV、氣閥與氣閥座之間的接觸剛度系數 Kvs，并分別取臨界阻尼系數的4%作為相應的接觸阻尼系數。
[0073] 步驟5:獲取配氣機構中零部件的幾何尺寸參數，包括搖臂長臂的長度1ι、搖臂短 臂的長度Ias、搖臂的傳動比q、相鄰搖臂座之間的距離In,>搖臂軸橫截面積Aa、搖臂軸橫截 慣性矩Ια。
[0074] 步驟6:獲取配氣機構中所有進氣和排氣單元的凸輪升程列表。
[0075] 步驟7:獲取凸輪軸的運行角速度coc。
[0076] 步驟8:獲取所有零部件的初始位移和初始速度。
[0077]步驟9:離散搖臂軸的質量和轉動慣量，即將搖臂軸的質量和轉動慣量向與搖臂座 接觸區對稱中心離散，稱每個接觸區對稱中心為一個節點，節點j和節點j+Ι之間的一段搖 臂軸稱為第(i)段搖臂軸單元。第j節點的離散質量和離散轉動慣量為1?和込。
[0078] 步驟10:利用有限元法建立如圖2所示的搖臂軸的彎曲振動模型。其中，作用力6 和分別為第j節點進氣單元的搖臂作用力和排氣單元的搖臂作用力，分別由圖3所示一 組配氣單元的動力學模型計算得到。力和％分別為第j節點的撓度和轉角，K#PCj分別為第j 節點處搖臂座的支撐約束剛度和阻尼，kdPCj分別為第j節點處搖臂座的轉動約束剛度和阻 尼。在第j節點處與Kj和Cj對應的搖臂座的支撐約束力為Fj，與kj和 Cj對應的搖臂座的轉動約 束力矩為Tj。
[0079] 步驟11:離散推桿的質量，即將推桿質量MP向推桿兩端離散，得到MP1 = MP2 = MP/2; 離散搖臂短臂的轉動慣量，即將搖臂短臂的轉動慣量MAS向短臂端離散，得到Μ,「=/,、.//%;
[0080] 離散搖臂長臂的轉動慣量，即將搖臂長臂的轉動慣量Μκ向長臂端離散，得到 7 α /廠一離散氣閥組的質量，得到兩個集中質量婉和1^。其中，撕包括彈簧上座質量、鎖 片質量以及氣閥桿的質量，Mv為氣閥頭的質量。
[0081 ]步驟12:建立如圖3所示的一組配氣單元的動力學模型。其中，氣閥彈簧可以單獨 建立動力學模型，并為對應的一組配氣單元提供恢復力Ns。巧為搖臂軸第j節點處的彎曲撓 度，代表搖臂的整體平動位移，由圖2所示的搖臂軸的彎曲振動模型計算得到。
[0082]步驟13:輸入當前時刻第j節點進氣單元凸輪的升程。
[0083]步驟14:根據挺柱集中質量Μτ的動力學控制方程獲取當前時刻挺柱的位移Χτ;根據 推桿集中質量Μρ#ΡΜΡ2的動力學控制方程獲取當前時刻推桿的位移χΡ1和XP2;根據搖臂集中 質量Mm和M A2的動力學控制方程獲取當前時刻搖臂的位移XA1和χΑ2;根據氣閥組集中質量Mr 和Mv的動力學控制方程獲取當前時刻氣閥桿頂端的位移XR和氣閥頭的位移Xv;根據氣閥彈 簧的動力學模型獲取氣閥彈簧的恢復力Ns。
[0084] 步驟15:獲取當前時刻第j節點進氣單元推桿與搖臂的接觸力Fpa，以及搖臂與氣閥 的接觸力Fav，SP
[0085]
[0086] 其中，KPA、CPA和δΡΑ為推桿與搖臂之間的接觸剛度、接觸阻尼和初始間隙;K AV、CAV和 Sav為搖臂與氣閥之間的接觸剛度、接觸阻尼和初始間隙。
[0087] 步驟16:獲取當前時刻第j節點進氣單元的搖臂作用力，即g
[0088] Fj=Fpa + Fm. (2)
[0089] 步驟17:重復步驟13、步驟14、步驟15、步驟16,完成當前時刻第j節點排氣單元的 動力學計算，得到當前時刻第j節點排氣單元的搖臂作用力，即
[0090] 步驟18:重復步驟13、步驟14、步驟15、步驟16、步驟17，得到當前時刻第j+1氣缸進 氣單元的搖臂作用力G+1和排氣單元的搖臂作用力F/+1。
[0091] 步驟19:根據搖臂軸的彎曲振動控制方程獲取當前時刻各節點的彎曲撓度Vj和彎 曲轉角朽，BP
[0092]
[0094]其中，ξ」-偽第(j_l)段搖臂軸單元的抗彎剛度，大小為EaIa山-^為第(j-Ι)段搖 臂軸單元的長度;為第(j)段搖臂軸單元的抗彎剛度，大小為EAIA;lj+1d為第(j)段搖臂 軸單元的長度;α和β為比例阻尼系數。
[0095] 步驟20:預測當前時刻各搖臂座的動態載荷，包括搖臂座的支撐約束力Fj和轉動 約束力矩L，BP
[0096]
(5)
[0097] 步驟21:返回步驟(13)，進行下一個時刻的預測過程。
【主權項】
1. 一種配氣機構搖臂座動態載荷的預測方法，其特征在于，包括W下步驟： (1) 獲取配氣機構中零部件的質量和轉動慣量參數； (2) 獲取配氣機構中零部件的材料參數； (3) 獲取配氣機構中零部件的剛度參數和阻尼參數； (4) 獲取配氣機構中相鄰零部件之間的接觸剛度參數和接觸阻尼參數； (5) 獲取配氣機構中零部件的幾何尺寸參數； (6) 獲取配氣機構中所有進氣和排氣單元的凸輪升程列表； (7) 獲取凸輪軸的運行角速度； (8) 獲取所有零部件的初始位移和初始速度； (9) 離散搖臂軸的質量和轉動慣量，即將搖臂軸的質量和轉動慣量向與搖臂座接觸區 對稱中屯、離散，稱每個接觸區對稱中屯、為一個節點，節點j和節點j+1之間的一段搖臂軸稱 為第i段搖臂軸單元;第j節點的離散質量和離散轉動慣量為πυ和I" (10) 建立搖臂軸的彎曲振動模型； (11) 離散推桿的質量、搖臂短臂的轉動慣量、搖臂長臂的轉動慣量、氣閥組的質量； (12) 建立一組配氣單元的動力學模型； (13) 輸入當前時刻第j節點進氣單元凸輪的升程； (14) 根據一組配氣單元動力學模型中集中質量的動力學控制方程獲取當前時刻挺柱 位移、推桿位移、搖臂簡化質量的位移、氣閥組簡化質量的位移； (15) 獲取當前時刻第j節點進氣單元推桿與搖臂的接觸力Fpa，W及搖臂與氣閥的接觸 力Fav，即其中，Κρα、Cpa和δρΑ為推桿與搖臂之間的接觸剛度、接觸阻尼和初始間隙;Kav、Cav和Sav為 搖臂與氣閥之間的接觸剛度、接觸阻尼和初始間隙；肌和XP2為推桿集中質量的位移;XA1和 XA2為搖臂集中質量的位移;XR為氣閥桿頂端的位移，V功搖臂軸第j節點處的彎曲曉度； (16) 獲取當前時刻第j節點進氣單元的搖臂作用力，即巧 巧=巧巧+皆* (17) 重復步驟（13)至步驟（16)，完成當前時刻第j節點排氣單元的動力學計算，得到當 前時刻第巧點排氣單元的搖臂作用力，即巧； (18) 重復步驟（13)至步驟（17)，得到當前時刻第j+1氣缸進氣單元的搖臂作用力和 排氣單元的搖臂作用力巧;1; (19) :根據搖臂軸的彎曲振動控制方程獲取當前時刻各節點的彎曲曉度V神P彎曲轉角 巧，即其中，為第j-1段搖臂軸單元的抗彎剛度，大小為EaIa;1w,j為第j-1段搖臂軸單元 的長度;為第j段搖臂軸單元的抗彎剛度，大小為EaIa;1w,j為第j段搖臂軸單元的長 度;α和β為比例阻尼系數； (20) 預測當前時刻各搖臂座的動態載荷，包括搖臂座的支撐約束力門和轉動約束力矩 Tj，即(21) 返回步驟(13)，進行下一個時刻的預測直至所有時刻的預測結束。
【文檔編號】G06F17/50GK105975693SQ201610293270
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】國杰, 張文平, 張新玉, 明平劍, 柳貢民, 曹貽鵬
【申請人】哈爾濱工程大學