考虑零件非线性冲击和凸轮轴弹性振动的内燃机多组配气单元激励源特性研究

Valve train is one of the main mechanical noise sources of internal combastion engine. Its contribution to noise is due to the contact or impact between any two adjacent components.The study of valve train excitations is significant to its control of vibration and noise. Two key problems must be solved to study the exciting behaviors of multi-cylinder engine, one is modeling the contact or impact between any two adjacent components, and the other is modeling the bending and tortional vibration of camshaft. This project is to study the exciting behaviors of multiple valve train units, and it is based on the previous work in which the dynamic model of a valve train unit and the friction model of cam-tappet have been completed.The main contents of this project are as follows:(1)Develop the nonlinear contact or impact models of components based on the Hertz-Hyteresi model,take the initial impact velosity, elastic deformation and energy loss and so on into consideration;(2) Develop the bending and tortional vibration model of camshaft using the finite element method, keep the continuity of camshaft deformation along its axis direction through the harmonization and completeness of shape functions;(3)Develop the exciting behavior model of multiple valve train units, and analyze its characteristics.The models are verified by the existing test rig, so a method of analyzing the valve train exciting behaviors of multi-cylinder engine will be developed.

配气机构是内燃机的主要机械噪声源之一，其产生噪声的根源是零件之间的接触或冲击激励，开展激励源特性的研究对控制其振动和辐射噪声具有重要意义。研究多缸机配气机构的激励源特性需要解决两个关键问题，一个是构建零件之间的接触或冲击模型，另一个是建立凸轮轴的弯曲振动和扭转振动模型。本项目在前期工作中已完成的一组配气单元动力学模型、凸轮-挺柱摩擦模型的基础上，开展多组配气单元激励源的特性研究。主要研究内容：（1）基于赫兹-滞变阻尼模型来构建零件之间的非线性接触或冲击模型，考虑初始冲击速度、弹性体变形以及能量损耗等因素的影响；（2）采用有限元法建立凸轮轴的弯曲振动和扭转振动模型，利用形函数的协调性和完备性保持凸轮轴沿轴线方向动态变形的连续性；（3）建立多组配气单元的激励源分析模型，分析多组配气单元激励源的特性规律。本项目通过已有的实验台架对计算模型进行验证，从而形成多缸内燃机配气机构激励源特性的分析方法。

配气机构是内燃机的主要机械噪声源之一，其产生噪声的根源是零件之间的接触或冲击激励。研究多缸机配气机构的激励源特性需要解决两个关键问题，一个是构建零件之间的接触或冲击模型，另一个是建立凸轮轴的弯曲振动和扭转振动模型。本项目在前期工作中已完成的一组配气单元动力学模型、凸轮-挺柱摩擦模型的基础上，开展多组配气单元激励源的特性研究。主要研究内容：（1）基于赫兹-滞变阻尼模型来构建零件之间的非线性接触或冲击模型，考虑初始冲击速度、弹性体变形以及能量损耗等因素的影响；（2）采用有限元法建立凸轮轴的弯曲振动和扭转振动模型，利用形函数的协调性和完备性保持凸轮轴沿轴线方向变形的连续性；（3）建立多组配气单元的激励源分析模型，分析多组配气单元激励源的特性规律。本项目通过已有的实验台架对计算模型进行验证，从而形成多缸内燃机配气机构激励源特性的分析方法。研究发现，多缸机凸轮轴的弯曲振动主要发生凸轮与挺柱接触面的法线方向，并且弯曲振动的最大位移主要与各个气缸进气凸轮和排气凸轮的升程函数重叠量有关。多缸机凸轮轴的扭转振动分量的频率主要是由额定转速确定的基频和与气缸数量对应的斜频。对于每个气缸而言，气阀开启和关闭前后各接触力波动最为剧烈，主要源于零件之间的碰撞，并且具有时变特征，对应于本项目采用的赫兹迟滞接触模型中非线性阻尼项代数值的变化。对于相邻气缸而言，相邻配气单元的激励力数值因凸轮轴的弯曲振动而发生变化，相邻配气单元的工作相位因凸轮轴的扭转振动而发生变化，进而影响整个多缸机配气机构的充量更换和振动噪声特性。本项目根据配气机构零件的实时接触特征建立了相应的非线性接触或冲击模型，揭示了配气机构激励源的非线性特征，实现了多组配气单元的动力学耦合，从而能够为多缸内燃机配气机构的动力学设计和低噪声设计提供更准确的计算数据，并且能够满足多缸内燃机优化凸轮型线和充量更换设计的需要。