基于CAD/CAE集成的发动机配气机构数值研究

朱文波，蒋轶谦,程 艳

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

在提升汽车研发能力的众多因素中，以CAD/CAE为核心的数字化产品开发，可以说是其中最为重要的一个环节，被认为是继福特流水线、丰田精益生产方式之后，汽车工业具有革命意义的重大技术进步。

以CAD/CAE集成技术为核心的仿真驱动设计技术的应用，使得汽车制造中新产品开发周期大为缩短，同时也使得以往时间中的一些经验知识，可以以量化的形式出现，使得产品的开发效率更高[1]。

发动机是整车研究技术中含量最高、最核心的技术，而配气机构作为发动机的重要组成部分，其性能的好坏，直接影响到发动机的动力性、经济性、可靠性，并对发动机噪声与振动产生直接影响[2]。因此，对配气机构的CAD/CAE集成的研究和应用非常重要。本文将通过一种四缸发动机配气机构的设计和分析，来说明CAD/CAE集成的数值研究。

1 发动机配气机构设计分析流程

发动机配气机构的设计和分析，包括配气机构的三维参数化设计、配气机构运动学和动力学分析、发动机换气过程的优化、凸轮轴强度校核、发动机噪声和振动的分析、配气机构优化。具体流程如图1所示。

先在根据相关参数在Pro/E中进行配气机构的总成设计和零部件设计，然后对设计的配气机构进行运动学分析和动力学分析，得到配气机构的动力学特性，并根据分析结果，决定是否进行相应的优化，同时对发动机的换气性能、凸轮轴强度校核、疲劳分析、噪声振动分析，并根据分析结果进行相应的优化，最好将优化的结果反馈到设计中，完成配气机构的最终设计。

图1 配气机构设计分析流程

2 发动机配气机构设计

配气机构设计，包括总成设计和零部件设计。总成设计根据总体输入参数确定配气机构基本布置结构，如气门驱动形式（直接驱动和摇臂驱动式等）、气门间隙的调整方式等。并根据相关理论和计算公式，得到气门直径、气门升程、气门锥角、马赫指数、气门弹簧特性及基本尺寸、凸轮轴直径、凸轮轴承直径等参数。在基本参数确定后，就在Pro/E中进行参数化建模，参数化骨架和模型如图2和图3所示。

图2 配气机构参数化Pro/E骨架模型

图3 配气机构参数化Pro/E模型

图4 配气机构具体设计流程

3 配气机构设计运动学动力学分析

要保证发动机具有良好工作性能，配气机构就要满足相应的要求。通常从以下几个方面来评价配气机构的性能[3]。

（1）准确的配气正时；

（2）良好的换气性能；

（3）工作平稳，振动和噪声较小；

（4）最大接触应力不应过大；

（5）凸轮应有良好的润滑特性；

（6）气门与活塞不能发生干涉。

要满足以上要求，应该对配气机构进行运动学和动力学分析。应用AVL-Timing Drive软件可以对配气机构进行运动学、动力学分析及配气机构优化。

鉴于中外人文社会背景存在差异，为避免研究结果交叉融合，本研究只纳入国内实习护生在临床实习期间的认知、体验、期望或需求相关研究文献，国外实习护生真实体验未予以研究。且本次纳入的质性研究均未考虑研究者对研究的潜在影响，有待日后进一步改进。

该四缸发动机配气机构运动学分析模型如图5所示。

图5 配气机构运动学分析模型

配气机构运动学动力学分析流程如图6所示。

图6 配气机构运动学动力学分析流程

根据运动学动力学分析的结果，我们可以决定是否优化，并且如何优化配气机构。

4 凸轮轴强度校核及疲劳分析

作为配气机构中质量最大、功能最重要的零件，凸轮轴应具有足够高的刚度和强度，同时在轻量化设计的要求下，也应该使其质量保持在一个较低的水平。为了同时满足这两个相互矛盾的设计要求，需要对凸轮轴进行有限元分析[4]。

此外，对承受周期性动态载荷的凸轮轴来说，疲劳破坏是最为重要的破坏形式之一，需引起足够的重视[5]。

在有限元分析软件ABAQUS中进行凸轮轴网格划分，赋予相应的材料属性，并将配气机构运动学和动力学分析得到的凸轮轴的载荷边界条件，如轴承对凸轮轴的力及摇臂（或挺柱）对凸轮的反力等施加在凸轮轴中，就可以计算得到凸轮轴的应力分布情况，如图7所示。

图7 凸轮轴在某工况下的应力分布图

疲劳分析通常分为两类：

一类是疲劳安全因子计算，用来评估结构是否会发生疲劳破坏，疲劳安全因子为1则表示应力振幅大约是疲劳极限；

在获得凸轮轴瞬态应力数据后，便可采用基于有限元方法的疲劳分析软件FEMFAT，对结果进行疲劳预测。图8为凸轮轴的疲劳安全因子分布。

图8 凸轮轴的疲劳安全因子分布

5 发动机换气过程优化

设计合理的配气机构，应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当[6]。换气性能的好坏及优化，可以在发动机性能计算软件GT-POWER中进行，先建立发动机整机GT-POWER模型。

将配气机构运动学、动力学分析中得到的气门升程曲线，输入到GT-POWER模型中的气门模块，在模型中通过优化气门升程、配气相位、气门间隙等，使发动机具有良好的换气性能。

通过GT-POWER模拟计算，可以得到优化前后的发动机扭矩、功率等性能，也可以得到优化前后发动机充气效率、泵气损失、气道空气流量等，通过GT-POWER计算得到的优化气门升程曲线前后发动机充气效率对比曲线如图9所示。

图9 发动机充气效率对比曲线

6 配气机构的噪声分析

内燃机配气机构噪声，可分为气门杆与摇臂的撞击噪声、气门落座噪声、链条噪声以及摩擦振动噪声（轴承）等[7]。AVL-EXCITE、ANSYS和 SYSNOISE软件，将用于配气机构的噪声与振动分析。先在AVL-EXCITE中建立发动机多体动力学分析模型（如图10所示）。

图10 发动机EXCITE多体动力学模型

将配气机构运动学动力学分析得到的凸轮轴支承力、气门弹簧力、气门落座力等边界条件输入到EXCITE中，根据此模型进行多体动力学分析后可以得到各个体之间的相互作用力，将相互作用力作为响应分析的力边界条件，并结合ANSYS有限元分析，得到发动机的节点位移，进行强迫响应分析得到主自由度点的位移边界，然后再回到有限元程序中进行数据恢复，得到有限元模型全部节点在频域上的位移、速度、加速度分布，作为下一步辐射生场分析的输入边界。

利用NOISE的边界元计算得到发动机的辐射声场，同时提取缸盖罩的连接螺栓处主自由度的位移信息，作为缸盖罩精细模型的激励，再进行有限元和边界元的联合求解，得到缸盖罩模型的辐射噪声情况。缸盖罩的计算声强分布如图11所示。可以根据计算得到的缸盖罩声强分布情况，对发动机缸盖罩及配气机构的相关部件进行优化。

图11 缸盖罩计算声强分布

7 配气机构的优化结果的综合分析

根据以上各部分对配气机构的分析和优化结果，并综合考虑各方面的要求和侧重点，对优化结果进行综合分析，最终确定配气机构的优化方案，并将其反馈到配气机构的设计中，对配气机构的设计进行相应的优化和修改。

8 结束语

探讨了一种基于CAD/CAE集成开发的发动机配气机构数值研究的思路和流程；对配气机构设计、运动学动力学分析、发动机换气过程优化、凸轮轴有限元分析、噪声振动分析进行了比较详细的说明；可以为配气机构的设计、分析、优化提供参考和借鉴。

[1]韩同群.CAD/CAE集成技术在内燃机设计中的应用[J].湖北汽车工业学院学报，2006，20(1)：17-21.

[2]陈家瑞.汽车构造[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]尚汉冀.发动机配气凸轮机构设计与计算[M].上海：复旦大学出版社，1988.

[4]康黎云，司庆九.凸轮轴强度有限元分析[A].2007年MSC.Software中国用户论文集[C].北京：美国MSC公司，2007.

[5]王 远，张家玺，朱会田，等.凸轮轴动力学及多轴疲劳分析研究[J].内燃机工程，2010，31（1）：104—107.

[6]路琼琼，李 智，雷 晶.内燃机配气机构计算现状及发展[J].机械，2009，36（4）：1-4.

[7]李香梅.柴油机配气机构的机械噪声研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.