一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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 气缸盖的振动和福射噪声。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] -种配气机构摇臂座动态载荷的预测方法，包括以下步骤：
[0007] (1)获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数；
[0008] (2)获取配气机构中零部件的材料参数；
[0009] (3)获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数；
[0010] (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；
[0011] (5)获取配气机构中零部件的几何尺寸参数；
[0012] (6)获取配气机构中所有进气和排气单元的凸轮升程列表；
[0013] (7)获取凸轮轴的运行角速度；
[0014] (8)获取所有零部件的初始位移和初始速度；
[0015] (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+Ι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叫和込；
[0016] (10)建立摇臂轴的弯曲振动模型；
[0017] (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；
[0018] (12)建立一组配气单元的动力学模型；
[0019] (13)输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程；
[0020] (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；
[0021] (15)获取当前时刻第j节点进气单元推杆与摇臂的接触力Fpa，以及摇臂与气阀的 接触力Fav，即
[0022]
[0023] 其中，KPA、CPA和δΡΑ为推杆与
摇臂之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；KAV、C AV和 Sav为摇臂与气阀之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；χΡ1和XP2为推杆集中质量的位移； XM和XA2为摇臂集中质量的位移;XR为气阀杆顶端的位移，^为摇臂轴第j节点处的弯曲挠 度；
[0024] (16)获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即g
[0025] F) =Fpa+Fav
[0026] (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
[0027] (18)重复步骤（13)至步骤（17)，得到当前时刻第j + Ι气缸进气单元的摇臂作用力 和排气单元的摇臂作用力^^ ;
[0028] (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烧度Vj和弯曲 转角朽，即
[0029]
L〇〇31j 具中Λη,」为弟j-Ι段摇臂雅早兀的杌芎刚度，大小为ΕΑ1Α;1η,」为弟j-Ι段摇臂雅 单元的长度;为第j段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为EAIA;lj+1d为第j段摇臂轴单元的 长度;α和β为比例阻尼系数；
[0032] (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Fj和转动约束 力矩L，即
[0033]
[0034] (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。
[0035]本发明具有以下有益效果：
[0036] (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。
[0037] (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。
[0038] (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】
[0039] 图1为本发明提供的预测方法的流程图。
[0040] 图2为本发明提供的摇臂座动态载荷的预测模型。
[0041] 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】
[0042]下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0043] 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。
[0044] 该法有利于提高摇臂座动态载荷的预测精度。
[0045] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是采用如下步骤：
[0046] 步骤1:获取配气机构中零部件的质量和转动惯量参数。
[0047] 步骤2:获取配气机构中零部件的材料参数。
[0048] 步骤3:获取配气机构中零部件的刚度参数和阻尼参数。
[0049] 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。
[0050] 步骤5:获取配气机构中零部件的几何尺寸参数。
[0051] 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。
[0052]步骤7:获取凸轮轴的运行角速度coc。
[0053]步骤8:获取所有零部件的初始位移和初始速度。
[0054]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mj和Ij。
[0055] 步骤10:建立摇臂轴的弯曲振动模型。
[0056] 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。
[0057]步骤12:建立一组配气单元的动力学模型。
[0058]步骤13:输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程。
[0059]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Ns。
[0060] 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Fpa，以及摇臂与气阀 的接触力Fav。
[0061] 步骤16:获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即巧Γ
[0062] 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
[0063] 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+Ι气缸进 气单元的摇臂作用力^+|和排气单元的摇臂作用力5°+1。
[0064] 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Vj和弯 曲转角％。
[0065] 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Fj和转动 约束力矩L，BP
[0066]
( 5 )
[0067] 步骤21:返回步骤(13)，进行下一个时刻的预测过程。
[0068] 如图1所示，本发明按如下步骤实现：
[0069] 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Μτ、推杆质 量Μρ、摇臂长臂转动惯量Ial、摇臂短臂转动惯量Ias、气阀杆质量Me、气阀头质量Mvh、弹簧上座 和锁片的质量Mrl、气阀弹簧的质量Ms。
[0070] 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。
[0071] 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 Kp、摇臂的弯曲刚度系数KA和气阀杆的纵向刚度系数KE、摇臂座的支撑约束刚度系数I和转 动约束刚度系数4。取临界阻尼系数的2%作为相应的阻尼系数。
[0072] 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KCT、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Κρα、摇臂与气阀之间的接触刚度系数KAV、气阀与气阀座之间的接触刚度系数 Kvs，并分别取临界阻尼系数的4%作为相应的接触阻尼系数。
[0073] 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1ι、摇臂短 臂的长度Ias、摇臂的传动比q、相邻摇臂座之间的距离In,>摇臂轴横截面积Aa、摇臂轴横截 惯性矩Ια。
[0074] 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。
[0075] 步骤7:获取凸轮轴的运行角速度coc。
[0076] 步骤8:获取所有零部件的初始位移和初始速度。
[0077]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+Ι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1?和込。
[0078] 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6 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。力和％分别为第j节点的挠度和转角，K#PCj分别为第j 节点处摇臂座的支撑约束刚度和阻尼，kdPCj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Kj和Cj对应的摇臂座的支撑约束力为Fj，与kj和 Cj对应的摇臂座的转动约 束力矩为Tj。
[0079] 步骤11:离散推杆的质量，即将推杆质量MP向推杆两端离散，得到MP1 = MP2 = MP/2; 离散摇臂短臂的转动惯量，即将摇臂短臂的转动惯量MAS向短臂端离散，得到Μ,「=/,、.//%;
[0080] 离散摇臂长臂的转动惯量，即将摇臂长臂的转动惯量Μκ向长臂端离散，得到 7 α /厂一离散气阀组的质量，得到两个集中质量婉和1^。其中，撕包括弹簧上座质量、锁 片质量以及气阀杆的质量，Mv为气阀头的质量。
[0081 ]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Ns。巧为摇臂轴第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。
[0082]步骤13:输入当前时刻第j节点进气单元凸轮的升程。
[0083]步骤14:根据挺柱集中质量Μτ的动力学控制方程获取当前时刻挺柱的位移Χτ;根据 推杆集中质量Μρ#ΡΜΡ2的动力学控制方程获取当前时刻推杆的位移χΡ1和XP2;根据摇臂集中 质量Mm和M A2的动力学控制方程获取当前时刻摇臂的位移XA1和χΑ2;根据气阀组集中质量Mr 和Mv的动力学控制方程获取当前时刻气阀杆顶端的位移XR和气阀头的位移Xv;根据气阀弹 簧的动力学模型获取气阀弹簧的恢复力Ns。
[0084] 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Fpa，以及摇臂与气阀 的接触力Fav，SP
[0085]
[0086] 其中，KPA、CPA和δΡΑ为推杆与摇臂之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙;K AV、CAV和 Sav为摇臂与气阀之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙。
[0087] 步骤16:获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即g
[0088] Fj=Fpa + Fm. (2)
[0089] 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
[0090] 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G+1和排气单元的摇臂作用力F/+1。
[0091] 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Vj和弯 曲转角朽，BP
[0092]
[0094]其中，ξ」-伪第(j_l)段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为EaIa山-^为第(j-Ι)段摇 臂轴单元的长度;为第(j)段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为EAIA;lj+1d为第(j)段摇臂 轴单元的长度;α和β为比例阻尼系数。
[0095] 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Fj和转动 约束力矩L，BP
[0096]
(5)
[0097] 步骤21:返回步骤(13)，进行下一个时刻的预测过程。
【主权项】
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W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 对称中屯、离散，称每个接触区对称中屯、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πυ和I" (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Fpa，W及摇臂与气阀的接触 力Fav，即其中，Κρα、Cpa和δρΑ为推杆与摇臂之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙;Kav、Cav和Sav为 摇臂与气阀之间的接触刚度、接触阻尼和初始间隙；肌和XP2为推杆集中质量的位移;XA1和 XA2为摇臂集中质量的位移;XR为气阀杆顶端的位移，V功摇臂轴第j节点处的弯曲晓度； (16) 获取当前时刻第j节点进气单元的摇臂作用力，即巧 巧=巧巧+皆* (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 前时刻第巧点排气单元的摇臂作用力，即巧； (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巧;1; (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晓度V神P弯曲转角 巧，即其中，为第j-1段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为EaIa;1w,j为第j-1段摇臂轴单元 的长度;为第j段摇臂轴单元的抗弯刚度，大小为EaIa;1w,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門和转动约束力矩 Tj，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。
【文档编号】G06F17/50GK105975693SQ201610293270
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】国杰, 张文平, 张新玉, 明平剑, 柳贡民, 曹贻鹏
【申请人】哈尔滨工程大学