16PA6STCV280柴油机配气机构虚拟样机技术研究 .pdfVIP

16PA6STCV280柴油机配气机构虚拟样机技术研究

姚寿广，许江涛，段巧玉

【摘要】为研究16PA6STCV280柴油机配气机构系统动态特性，采用Pro/E

软件建立了柴油机配气机构的三维实体模型，通过ADAMS软件与Pro/E软件

的接口Mechanism/Pro模块，将三维实体模型导入到ADAMS软件中，建立

了16PA6STCV280柴油机配气机构虚拟样机，在此基础上对该机配气机构进

行了运动仿真分析，得到了进、排气阀等关键部件的位移、速度、加速度以及

受力等运动学和力学参数，为进一步有限元结构分析以及系统优化提供了基础.

【期刊名称】江苏科技大学学报（自然科学版）

【年(卷),期】2009(023)002

【总页数】4

【关键词】柴油机；配气机构；虚拟样机技术；ADAMS

柴油机因具有功率覆盖范围宽、效率高、能耗低等优点，在各型民用船舶和中

小型舰船动力装置中占据愈来愈重要的位置[1].然而，柴油机本身是一个复杂的

系统，外界载荷的作用复杂、多变，致使柴油机力学模型的建立、分析、求解

始终是一个难题.以往的解决方法中，复杂系统的设计需经过多轮样件试制，反

复模拟试验、整机性能试验和疲劳试验，不仅花费大量的人力、物力，延长设

计周期[2]，而且有些测试难以进行[3]，因此在产品的开发过程中应用虚拟样机

技术[4-5]，可以优化产品设计方案，缩短产品开发周期，节约产品开发成本，

从而使企业在竞争中获得极大的优势.虚拟样机技术在柴油机开发与设计中应用

的一个主要方面是对其各个运动机构进行动力学优化仿真，而柴油机配气机构

直接影响到发动机的换气过程，不仅关系到柴油机的性能，还影响到其自身的

可靠性，尤其对军用柴油机而言.为了设计出更好性能的柴油机[6],对配气机构

进行了动态仿真研究，奠定了整机的动力学仿真研究基础,为柴油机曲柄连杆机

构的优化设计提供了依据[7].

1下置式配气机构简化的运动分析

16PA6STCV280柴油机配气机构属于下置凸轮式，对滚柱挺柱下置凸轮轴式配

气机构，其中挺柱和气门作往复移动，推杆作平面复合运动，摇臂作往复摆动

(图1)[8].

由图1可得

式中，lT为摇臂转动中心到推杆上支承面中心O1的距离;α为摇臂lT对挺柱中

心线的偏转角;l为推杆上下支承面中心间的距离；γ为推杆对挺柱中心线的偏转

角；hT为凸轮的升程.

再对t求导，可得到摇臂与推杆的角加速度εα与ερ

根据图1，可得到气门运动的关系式

[cos2γsin(α-γ-β)-γcos2αsinβ]

式中，lV为气门侧的摇臂臂长(摇臂中心O到圆柱面中心O2的距离)；β为lV

臂对气门中心线的偏转角；为气门的升程、速度和加速度.

2配气机构实体模型的建立

16PA6STCV280柴油机配气机构按其运动特点可分为凸轮轴组、挺柱组、摇臂

组、推杆组等，若该子装配组，每个组又包含若干零部件.选用Pro/E软件作为

建模工具.在建模时根据分析的需要把一些零部件合成一个零件建模,使得整个模

型层次分明,装配方便.对于尺寸不大的倒角、圆角以及螺纹孔和油孔等都不予考

虑.然后,按照图纸的装配要求在Pro/E中先完成子装配组件的装配.总体装配采

用了Pro/E中骨架装配的思想,即在装配界面中草绘出各个零件相对位置的示

意图,确定装配的基准线、面,导入子装配组件与基准线面贴合,完成基于Pro/E

的虚拟装配,如图2所示.

3动力学模型建立

把Pro/E下建立的16PA6STCV280柴油机配气机构三维实体装配模型，通过

ADAMS软件与Pro/E软件的接口Mechanism/Pro模块，将三维实体模型导

入到ADAMS软件中，进行运动仿真分析.Mechanism/Pro模块是连接Pro/E

和ADAMS的桥梁.通过该模块，Pro/E与ADAMS可以采用无缝连接方式.具

体步骤如下[9]：①定义刚体.②定义连接约束条件.可省略，直接到ADAMS中

定义，提高数据传输的效率.③定义运动驱动