基于虚拟样机技术的摩托车发动机配气机构仿真分析㊣精品文档值得下载

力与气门弹簧力的合力在整个运动过程中均大于，因此可以保证气门在运动过程中气门与气门调整螺钉之间不发生飞脱。

表气门摇臂与凸轮的接触情况序号项目进气门排气门备注作用力开始为零飞脱的时刻仿真得到飞脱后又开始接触的时刻又开始接触瞬间的冲击力飞脱持续时间由仿真数据计算得到飞脱持续时间占整周运动时间的比例仿真分析表明改型发动机在时开始出现气门摇臂与凸轮飞脱情况，但持续的时间非常短。

仅仅从计算机屏幕上显示的仿真动画上无法看到飞脱。

当发动机到达时从计算机屏幕就可以看到非常明显的飞脱现象。

有限元分析各种有限元分析软件的使用流程基本相同，简单来说可分成三个阶段，前处理处理和后处理。

前处理是建立有限元分析模型，完成单元网格划分后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

顶置凸轮配气机构中气门摇臂的工作条件运动情况和受力状况都较为复杂。

运动过程中的角速度和角加速度都很高。

它是个双臂杠杆，两臂都承受较大弯曲应力，摇臂的结构设计要求在最轻的重量下有最好的强度刚度和固有频率大于，因此气门摇臂是安全的，但设计余量已经不大。

发动机转速的，安全系数为即小于，因此气门摇臂是不安全的。

但从动力学分析的结果看，最大受力极限持续的时间极短，发动机仍可以工作实机试验也证明了这点，但不应在此转速下持续工作。

结论从多体动力学分析和有限元分析的结果来看，该型发动机最大功率转速定在是非常合适的，但设计安全余量不大，这充分体现了日本产品先进的设计水平。

三后记因为发动机为单顶置凸轮轴单进气门单排气门型配气机构，总体刚度和零部件刚度都很大，因此本文分析中将其配气机构及其零部件全部按刚体处理，但是如果要将该方法运用于分析其它发动机时，则应考虑具体机型的实际情况，将刚度较小的零部件如多气门发动机中的叉型摇臂多缸发动机的细长凸轮轴等或结构多缸发动机的气门摇臂支座部位按柔体处理，先用有限元分析获得柔体参数也就是中性文件，将其加入到刚体系统中，再进行多体动力学仿真分析，不然仿真分析得到的结果将与实际情况偏差很大。

基本流程见下图由软件完成建模由有限元软件完成应力应变分析和模态分析输出有限元分析结果文件文件质量参数机械动力学仿真分析输出动力学仿真分析结果零部件的运动关系和相互作用，因此大多数采用字形或工字形的断面。

固有频率分析节点数为单元数为自由度为表气门摇臂模态分析结果模态号频率赫兹周期秒由频率分析数据可以看出气门摇臂的固有频率为，远远高于凸轮轴的转速范围。

静力分析结果静力分析的工况取为发动机转速和两种情况。

由动力学分析可以确定和两种情况下气门摇臂受力的极限情况，数据汇总如表表气门摇臂受力发动机转速气门摇臂在气门侧受力最大值气门摇臂在凸轮侧受力最大值将上述载荷加载在气门摇臂相应受力面上，并在气门摇臂上与摇臂轴配合表面上添加不可移动的约束条件，同时确认材料认为合金钢完成网格划分，就可以进行静力分析，分析后可以得到应力应变等结果表气门摇臂静力分析结果发动机转速气门摇臂上的最大应力气门摇臂上的最小应力最大应力位置在下图部位材料的屈服极限为，对照上面的结果发动机转速时，安全系数为即续仿真分析结果准确可靠的基础和前提。

部分零部件的模型质量和实际质量统计表见表表零部件质量参数对照表序号零部件名称模型质量实际质量备注排气门均含气门锁夹和气门弹簧座进气门气门调整螺钉气门调整螺母气门摇臂图发动机配气机构的实体装配气门弹簧未建模零部件实体建模完成并确认无误后，就可进行实体装配建模。

图所示为严格按照产品图纸完成的实体装配。

考虑到摩托车发动机的气门间隙只有，因此建立虚拟装配体时忽略不计按无间隙处理了，即气门调整螺钉的球面与气门杆的端面直接采用了相切约束。

装配体完成后，可以利用软件提供的对测量工具对些关键部位进行测量，用以验证模型的正确性，同时也可以获得些综合信息。

例如现代内燃机气门弹簧都采用内外双弹簧，每根弹簧都采用变节距结构，以充分利用空间，在有效保证弹力的同时减少共振。

般的设计准则是弹簧力值压缩量曲线图上的拐点就在配气机构自由状态时气门弹簧的长度处，点设计在气门最大升程处取进排气门最大升程中哪个大按哪个的数据。

发动机配气机构气门弹簧参数见表。

实体建模后，从模型上测量得到的点处装配体上相关数据值和图纸要求值对比见表。

表气门弹簧参数序号项目气门外弹簧气门内弹簧弹簧自由长度点长度点长度和点的长度差表点气门弹簧长度点要求气门外弹簧气门续时间按保证凸轮轴正好转动周确定。

为保证有足够的仿真精度，同时方便后续分析计算，圆周按帧处理，即不到半度就计算次。

再将其它的参数全部定义完成之后就可以进行仿真分析，仿真分析过程由软件智能完成，软件第步首先计算整个系统的自由度，如果自由度为零，进行运动学分析。

如果自由度不为零，则软件通过分析初始条件，自动判定是进行动力学分析还是进行静力学分析。

然后进行仿真分析，分析完成后按要求输出参数的数据曲线表格或生成实时动画。

进行发动机各种不同转速下的仿真，可得到各种转速下的气门升程速度加速度摇臂和气门间碰撞力摇臂与凸轮的接触力气门落座碰撞力等。

以及些不常用的参数凸轮压力角，凸轮相对轮心滑动位移，凸轮和摇臂相对滑动速度加速度，摇臂相对接触曲线圆心滑动位移，摇臂气门相对滑动位移速度加速度等。

发动机转速凸轮轴运转周时间为时的分析结果气门升程和配气相位图发动机个工作循环内进排气门升程曲线粗线为排气门升程细线为进气门升程表气门升程分析计算表序号项目进气门排气门仿真结果设计值仿真结果设计值最大气门升程气门升程时刻配气相位丰满系数接触力和冲击力图进气门惯性力图中粗线和气门弹簧力图中细线内弹簧装配体实测图纸要求装配体实测图纸要求进气门排气门动力学分析在实体模型的基础上定义后续仿真分析过程所需要的各种参数部件如固定件运动件约束如平动副转动副凸轮副等运动副移动转动的相对运动力如弹簧力阻尼力冲击力等以及必要的参考坐标系等就建立了分析模型。

分析模型创建完成后就可以利用分析软件中的仿真分析命令进行各种仿真分析，从而获得各种结果。

而且可以很方便改变各种初始条件，进行多参数或多方案比较，这也是虚拟样机技术的主要优点。

配气机构的凸轮轴与摇臂间约束为标准凸轮副中的曲线曲线碰撞约束，并且依据凸轮轴与摇臂在发动机运转中实际可能的配合情况还选取了允许间歇碰撞的选项可以仿真凸轮和摇臂间的飞脱情况。

由于气门调整螺钉与进气门或排气门间的实物接触状态为球面对平面接触，因此定义为碰撞接触约束。

同时将上面的曲线曲线碰撞约束和碰撞接触约束间两实体的工作状态由软件默认的干磨擦状态，调整为润滑状态。

气门调整螺钉以及气门调整螺母实物状态为固定在摇臂上，随摇臂起运动，因此两件都用附着在约束将他们固定在摇臂上。

气门内弹簧和外弹簧可以通过力库中的线性弹簧模板生成，定义了作用位置之后，再输入相应的刚度长度预紧力等参数就可以在配气机构的分析模型中得到具有特定物理参数的虚拟弹簧。

凸轮轴作为原动件，在其上还定义了个恒定转速的运动。

该转速为曲轴转速的半。

改变凸轮轴转速就可以仿真不同发动机转速下配气机构的运转情况。

分析持使产品开发真正产生了质的飞跃。

运用虚拟样机技术，产品设计人员可以在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方莱，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。