哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Fb2——外阻尼力(N) Fb2?C2 K1——配气机构的刚度(N/mm) K2——气门弹簧刚度(N/mm) C1——内阻尼系数 C2——外阻尼系数
x——气门的理论升程(mm) y—气门的动态升程(mm) ?——气门间隙(mm)
M——配气机构的集中质量(g) F0——气门弹簧预紧力(N)
dy dt因为排气门的工作情况更为恶劣,因而在动力学计算中只考虑排气门的运动状况。由于缸内燃气对排气门的作用仅在排气门初始开启阶段有一定影响，而我们的研究重点在于气门落座过程中的受力情况，因而在计算中对其不予考虑对排气门动力学分析并无全局性影响。在一般的单质量、多质量模型计算中，均不考虑燃气作用项。这样，尽管计算结果与实际情况略有差别，但其影响并不明显。
单质量模型是一种简化的计算模型，它只着重计算气门的运动，从总体上能够反映气门的动态响应。但是若要细致地了解配气机构各个零部件的运动规律，则单质量模型就显得无能为力了。因此，为了完整地了解配气机构的运动规律，必须进行多质量模型的计算。
2.2 多质量模型建立
2.2.1 动力学模型
配气机构的多质量动力学模拟研究，国内外有不少学者、专家做过许多工作，并提出了不少简化模型[31]，如“4+N1+N2”个集中质量模型，即：把挺柱、推杆、摇臂、气门用四块集中质量代替，把外弹簧、内弹簧分别用N1、N2个集中质量代替，各质量间用当量刚度和当量阻力代替。又如“3+N1+N2”个集中质量模型，其原理大同小异。
本文针对长春一汽生产的CA488汽油发动机的结构特点，在参考他人文
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献的基础上[32～42]，提出了一种分析装有液压调节器的顶置凸轮轴——顶置气门配气机构动力学特性的多质量模型。即“4+N”个集中质量模型。其模型简图如图2—2。本模型主要特点是：为求气门落座冲击力随发动机转速和气门间隙变化的规律，把气门集中质量进行了特殊分割，即从气门杆上端弹簧卡环处和气门杆与气门头接触颈部把气门分为三段，即三个集中质量。
在计算加速度时，由于要考虑气门组运动件与弹簧之间的相对运动，因此在多质量模型中要考虑各弹簧质量元的运动，这样需建立八质量的方程组。在研究落座冲击力时，由于试验台的研究重点在于气门等运动件的运动状态，而基本上不涉及弹簧各个部分的运动状态，也就是说，把弹簧作为一个整体来考虑是可以接受的，这样可以大大简化计算工作量，提高计算效率。
简化模型如下图所示：
图2-2 配气机构动态分析模型简图
Fig. 2-2 Structure of dynamic analysis model for valve train
模型各参数说明如下：
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Ｋ０：凸轮轴与轴承座当量刚度，可受拉、压力作用 Ｋh：液压挺柱模拟刚度，只受压力作用 Ｋ１：摇臂与气门间当量刚度，只受压力作用
Ｋ２：气门杆上端弹簧卡环处刚度，可受拉、压力作用 Ｋ３：气门杆下端与气门头接触颈部刚度，可受拉、压力作用 ＫS：气门弹簧刚度，只受压力作用
ＫＥ：气门与气门座接触刚度，只受压力作用 Ｍ１：摇臂、滚轮在气门端的当量质量
Ｍ２：1/10气门杆质量、弹簧盘质量和卡块质量 Ｍ３：4/5气门杆质量
Ｍ４：1/10气门杆质量和气门头质量 M5~M9：有效弹簧圈质量
Ｃh、CE、Cf、C0～C9：相应位置的阻尼系数
ｅ：配气间隙。本次模型计算中应用于6102发动机，ｅ在原机的配气间隙范围内选取。
当模型用于装有液压调节器的配气机构时，e=0，Ch、Kh取液压调节器的当量阻尼和当量刚度；
当模型用于没装液压调节器的配气机构时，Ch=0，Kh=0，e在配气间隙范围内选取。
2.3 微分方程组与初始条件确定
2.3.1 微分方程组
对配气机构进行多质量动力学分析，首先需要从动力学模型中抽取出其数学模型，即动力学方程。根据作用在质量M上的力的平衡关系，可建立气门的运动微分方程式，其基本形式如下[ 7]：
[M]{y}?[C]{y}?[K]{y}?{F} （2-2）
...式中 [M]——集中质量矩阵 [C]——当量阻尼矩阵
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[K]——当量刚度矩阵 {y}——集中质量加速度矩阵 {y}——集中质量速度矩阵 {y}——集中质量位移矩阵 {F}——合外力向量矩阵
在实际计算中，常用凸轮转角?（deg）为自变量，则
dydy?6n （2-3） dtd?2d2y2dy?36n2dtd?2... （2-4）
对各集中质量分别应用以上方程式，建立整个配气机构的动力学方程如下：
d2y11M1???K0(y0?y1)?K1(y1?y2?E)? d?236n2dydydydy?6n?C0(0?1)?C1(1?2)d?d?d?d???
（2-5）
d2y21? M2??K1?y1?y2?E??K2?y2?y3??K3y2? d?236n2dy?dydy?dydy?6n?C1?1?2??C2?2?3??C42d??d?d??d?d?d2y31 M3???K2(y2?y3)?K3(y3?y4)d?236n2??（2-6）
?
?6n?C2(dydydy2dy3?)?C3(3?4)d?d?d?d???
（2-7）
d2y41? M4??K3(y3?y4)?Ks(y4?SS)? d?236n2dy?dydy?6n?C3(3?4)?Cs4?? （2-8）
d??d?d?2.3.2 方程组初始条件确定
分析整个多质量模型，为了保证各个质量在整个计算过程中保持结果的一致性，对广义坐标中各质量元零点的选取必须一致。
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