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由配气机构引起的结构振动
2020-02-03 18:28:10· 来源：内燃机学报
配气机构是内燃机主要的振动和噪声源之一，其功能是按照内燃机缸内工作过程要求适时进气和排气，使气缸内的充量及时更换。对于四冲程内燃机，广泛采用气阀式配气
配气机构是内燃机主要的振动和噪声源之一，其功能是按照内燃机缸内工作过程要求适时进气和排气，使气缸内的充量及时更换。对于四冲程内燃机，广泛采用气阀式配气机构，在结构上主要包括凸轮、挺柱、推杆、摇臂、气阀和气阀弹簧等。一个工作周期内，配气机构的动力学特性可以划分为气阀升程、气阀降程和气阀落座3个阶段进行描述．气阀落座将产生高频、大幅值振动，是因为在一个极短时间内，系统的动能都转化为整个结构的振动能量。本次推文通过仿真模型，寻求建立一个配气机构结构振动的预测方法，从而为配气机构关键零部件的振动受力计算、疲劳寿命的提高等提供技术服务。
01、预测模型及试验验证系统
1.预测模型
由于推杆式配气机构的结构型式及工作原理具有一般性，所以将推杆式配气机构作为研究对象，研究由其产生结构振动的预测方法。图1为推杆式配气机构示意。对于推杆式配气机构，激励力主要包括凸轮与挺柱的接触力、推杆与摇臂的接触力、摇臂与气阀的接触力、气阀弹簧与气缸盖的接触力以及气阀与气阀座的接触力。
图1 推杆式配气机构示意
将配气机构每个零件视作一个子系统，根据每个子系统的结构特点建立相应的动力学模型，通过接触力建立各子系统之间的相互关系。图2为配气机构的激励源特性预测模型。具体建模方法及相应的简化和求解设置可参考原文。为了预测由配气机构引起的结构振动特性，除配气机构的激励力以外，还需要建立内燃机结构的有限元模型，将其作为激励施加的载体。为了减小计算规模又不至于使计算模型过于粗糙，采用一个波长内包含6个单元的网格细化标准。从简化计算规模考虑，只考虑机体、气缸盖、气阀罩和油底壳的振动响应。以一个4 缸内燃机组合结构为例，采用Ansys 软件建立其结构振动模型，如图3所示。
图2 配气机构的激励源特性预测模型
图3 结构振动组合模型
2.试验验证系统
图4a为试验装置示意，试验验证系统采用电动机倒拖发动机的方法建立，即将组合结构和电动机安装在一个整体机架上，组合结构通过4个减振器与机架相连，电动机与凸轮通过弹性联轴器连接，从而可以将组合结构作为一个独立的分析对象。为了使振动信号简单，试验时仅装载一组配气单元，保持计算条件与试验条件一致。试验装置现场如图4b所示。测量对象包括气阀加速度和组合结构表面振动。气阀加速度和组合结构表面振动信号采用压电式加速度传感器测量。为了更有效地测量由配气机构激励力产生的结构表面振动信号，振动测点的布置要具有针对性，如选择气缸盖底部靠近工作气阀附件位置作为测点，以捕捉由气阀-气阀座冲击引起的振动信号。
图4 试验系统
02、预测值与实测值对比
图5给出转速为700,r/min时气阀加速度预测值和实测值。在整个气阀工作周期中，预测值与实测值的波动频率一致，只是幅值稍有不同。在气阀开启和落座时，预测值模拟出由冲击产生的振动信号，表明建立的配气机构动力学模型与其真实的物理特征很接近，包括系统的质量、弹性变形和能量损耗。
图5 时域内气阀加速度
配气机构各零件之间的动态接触力是引起结构振动的直接原因。图6给出了转速为900,r/min时配气机构的各接触力级分析。在较低频率范围内，每个接触力都具有较高的能量分布。其中凸轮与挺柱的接触力级最高，其次是推杆与摇臂的接触力，然后是摇臂与气阀的接触力。在中心频率为40Hz和50Hz的1/3倍频程内，气阀弹簧和气缸盖之间的接触力级最高。在中心频率为500～800Hz的1/3 倍频程内，凸轮与挺柱、推杆与摇臂以及摇臂与气阀的接触力都具有较高的量级。结合图5可知，频带内的较高接触力级是由该转速下第63次谐频与配气机构固有振动频率接近导致的。在1600～4000Hz的1/3倍频程内，气阀与阀座的接触力级最高。
图6 接触力级分析
图7为缸盖底部靠近工作气阀位置振动测点示意。用图3所示结构振动模型预测了该测点的结构振动加速度响应，预测值与实测值如图8所示。预测值与实测值吻合。冲击振动主要发生在气阀开启和关闭过程中，特别是气阀关闭时。气阀关闭时尽管有凸轮缓冲段的控制作用，但仍然会产生较大冲击力并通过气阀座作用于气缸盖。
图7 缸盖底部测点示意
图8 缸盖底部测点振动加速度
图9为频域内机体表面的振动特性．在125～4000Hz频率范围内，预测值与实测值具有一致的变化趋势，仅幅值稍有不同。在较低的频率范围内，振动速度级较大。由关于接触力级的分析可知，较低频率范围内的振动主要是由凸轮型线激励导致的。图9b的中心频率为500～800Hz的1/3倍频程内，预测值和实测值均出现了较高的速度级。．由图6可知，这是由该转速下第63次谐频与配气机构固有振动频率接近导致的，并且主要是通过凸轮与挺柱、推杆与摇臂以及摇臂与气阀的接触力作用于结构的。在1000～4000Hz的频率范围内随着频率升高，振动逐渐变大，这是由气阀与阀座的接触力导致的。
图9 测点振动速度
利用分别加载各激励力和同时加载各激励力的方法能够比较各激励力的贡献量。图10为由配气机构各接触力引起的组合结构表面振动的贡献量分析。合力代表所有接触力同时作用的结果。由气阀与阀座接触力引起的振动最大，与合力作用结果接近，其次是凸轮与挺柱接触力，推杆与摇臂和摇臂与气阀接触力的贡献分别处于第3 位和第4 位，气阀弹簧与气缸盖接触力的贡献最小。随着凸轮转速的变化，各接触力的贡献量相对大小不变。
图10 接触力贡献量比较
03、小结
（1）在低频范围内，由配气机构引起的内燃机结构振动主要与凸轮型线有关，即与凸轮型线的函数形式有关，并且主要是通过凸轮与挺柱接触力作用于机体结构。
（2）在500～1000Hz频率范围内，结构表面振动是由配气机构共振导致的，并且主要是通过凸轮与挺柱、推杆与摇臂以及摇臂与气阀的接触力作用于机体结构的。在1000～4000Hz的频率范围内，结构表面的振动主要是由气阀与阀座的接触力导致的。
文献来源及推荐阅读
[1]国杰,张文平.内燃机中由配气机构引起的结构振动机理[J].内燃机学报,2017,35(04):376-383.
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目”能源与动力工程类前列。
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