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基于Isight的汽油机气门弹簧优化设计

张伟,曾庆强,康黎云,杨武,高兴华

重庆长安汽车股份有限公司，动力研究院，重庆，401120

摘要:面对汽车国六法规的实施，油耗和排放成为各大主机厂商重点攻关的难题。气门弹簧

作为汽油机配气机构的一个重要组成部件，其对整机FMEP的贡献具有十分重要的作用。

本文通过Isight优化软件与Simpack动力学软件联合仿真获得气门弹簧的最低需求目标，并

通过Isight软件DOE功能实现气门弹簧的详细参数设计，最后使用Abaqus有限元软件验

证了气门弹簧的需求目标和可靠性目标达成。

关键词:气门弹簧,联合仿真,参数设计

1.引言

气门弹簧是配气机构的一个重要组成部件，气门弹簧的设计优劣不仅影响到摇臂、气

门等运动部件的动力学可靠性（如飞脱、冲击、磨损等），还会影响到整个配气机构的摩擦损耗。传统的阀系动力学仿真使用简单的预紧力、刚度作为气门弹簧的模型输入参数，

但随着非线性弹簧的大量工程运用该方法暴露出一些不足，如模型刚度描述不准确、并圈

判断困难等。若使用详细的弹簧建模参数进行建模，在产品开发前期又很难从弹簧供应商获取准确的数据。此外，弹簧设计以供应商为主导，主机厂仅向供应商提供简单的工作载荷要求，很难保证设计结果的最优化。

图1.气门弹簧动力学参数

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气门弹簧的详细建模，不仅可以准确的模拟弹簧的力学性能曲线，同时能够对弹簧的

运动质量分布进行精确的建模，这对于弹簧的颤振表现和机构仿真结果精度提升具有积极的意义。

2.设计流程

气门弹簧设计是依据动力学性能需求目标设计弹簧线径和型线的过程，同时设计结果

需要满足可靠性的要求。设计过程中涉及多个仿真领域，需要多软件的联合应用，流程主

要基于Isight的DOE设计功能和软件兼容接口实现参数的快速优化和结果校核，具体设计

流程见图2。

图2.气门弹簧设计流程

流程中各步骤应用到的软件见表1。

表1.气门弹簧设计相关应用软件

设计步骤序号设计步骤应用软件

1确定主参数Isight、Simpack

2选择线径Isight、excel

3设计螺旋线Isight、excel

4仿真校核Creoparametric、Abaqus

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3.仿真设计

3.1确定主参数

确定主参数主要是为获取弹簧的安装边界和性能需求目标，一般来说，弹簧设计的基

本参数为安装孔直径、安装高度H1、最大工作高度H2以及对应的载荷F1、F2，由于安装

边界与缸盖尺寸设计有关，所以暂时不考虑主尺寸的设计，而以力与刚度的设计为重心。主参数是阀系动力学模型输入的主要参数，也是满足动力学性能目标输出作为弹簧设计的

基本参数。

建立Isight模型如下图3，该模型中需要修改动力学模型中的弹簧输入参数并调用

Simpack动力学求解器进行计算，在计算完成后查询动力学关注的结果进行计分统计，经

过Isight模型DOE多循环计算后便得到计分排名。

图3.主参数Isight模型

DOE设置采用了LatinHypercube算法，根据计算时间尽可能设置较多的计算数量，

参数变量应设置在合理的区间范围。

图4.主参数Isight模型DOE设置

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动力学模型计算结果考虑了多个评价项，每个评价项合格计1分，不合格计0分，故

统计的SUM数值越高，代表合格项越多，根据SUM值排序筛选出满足动力学要求的变量组，最后根据弹簧力目标最小的方式确定最优的主参数值（变量组）。

图5.主参数Isight模型统计结果

3.2选择线径

一般情况，供应商弹簧线径可选择规格有限，所以可以根据实际情况设置计算方案。

如果无合适的方案，需重新选取主参数值进行设计。模型中调用的Excel表格包含弹簧理

论公式，通过该表格对线径方案进行校核。表格输入边界是弹簧主参数项和发动机最高转

速，参数变量是线径尺寸（默认其为椭圆，可输入长短轴尺寸），输出为有效圈数、应

力、安全系数、频率比、可压缩高度等。

图6.线径Isight模型

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弹簧计算结果判定所有项合格计数1，任意项不通过计数0。筛选所有合格项后，根据

重量最小目标选择合适的线径。

图7.线径Isight模型分析统计结果

3.3设计螺旋线

选择线径步骤的部分输出项作为设计螺旋线的计算边界，Excel中设计了多条节距函

数来设计螺旋线，每条函数由不同的控制因子作为变量。在每组变量输入后根据对