发动机凸轮轴
摘要：提高汽车燃油经济性的方法有很多，减轻发动机重量是其中重要的一种解决方法。本文基于动力学分析，在保证凸轮轴平稳性、耐磨性、抗扭强度以及其本身的使用性能的条件下，对发动机关键部位凸轮轴进行结构优化，最终实现了发动机的轻量化、低成本以及节能环保的目的。经试验验证，优化后的凸轮轴有效地提高了发动机的质量功率比。
一 概述
凸轮轴是发动机的重要部件。凸轮运动规律直接影响发动机的功率指标、排放指标等，起着举足轻重的作用。降低凸轮轴质量对减少发动机排量有积极的作用。随着发动机转速的不断提高，对凸轮轴运动的平稳性、耐磨性、抗扭强度、以及疲劳寿命提出了更高的要求。在满足上述要求的情况下，实现发动机的轻量化、低成本、以及节能环保的目的。
二 配气机构动力学分析
本文选取大众某款发动机为研究对象，配气机构如图一所示：
图一 配气机构简图
二.一 利用CATIA进行三维建模
首先使用CATIA软件对目标配气机构进行建模，如图二所示：
图二 配气机构三维建模图
二.二 运用ADAMS建立凸轮轴动力学分析
本文所研究的配气机构是在凸轮轴转速为三零零零r/min时的动力学分析，已知凸轮轴动力学分析模型参数如表一：
表一：凸轮轴动力学分析模型参数
转速为 三零零零 r/min 时，凸轮轴转动五圈，计算分析气门的动力学升程、速度、加速度、凸轮与滚珠摇臂接触力随凸轮轴转角变化情况，计算结果如下图所示，图中位移单位为mm ，速度单位为mm/s ，加速度单位为mm/s二 ，接触力单位为 N。将建立好的配气机构以及参数导入ADAMS软件得到动力学仿真结果如图三所示：
图三 ADAMS动力学仿真结果
从曲线可知，气门运动平稳，气门升程在八mm左右，与原发动机实际运行结果一致。气门速度曲线连续，无飞脱现象，由于曲线显示五圈的运动状况，加速度曲线变化比较明显，每圈平均最大加速度为四零零零m/s二 ，凸轮与摇臂平均最大接触力为九零零N，符合实际情况。可知建立的动力学模型符合配气机构实际运行状态，能够为下面的瞬态动力学分析提供基础。
三 凸轮轴瞬态动力学分析
瞬态分析可以确定承受任意时间变化载荷结构的动力学响应。凸轮轴转动时，凸轮在不同时间所承受的应力、扭矩等是变化的，为了得到精准的受力状况，需对其进行瞬态动力学分析。凸轮轴受力主要是凸轮在运转过程中的自身的惯性力，燃气压力以及气门弹簧力，为了方便进行瞬态动力学分析，假设受力形式为集中力，规定受力集中部位。
将建立好的凸轮轴模型导入workbench中，并划分表格，添加约束。瞬态动力学结果分析如图四所示：
图四 凸轮轴瞬态动力学分析结果
其中，每一个气缸做功时均有一组数据，这里由于篇幅所限，只取其中的最大值，其结果如表二所示：
表二凸轮轴瞬态动力学分析结果
查表可知：四五号钢屈服强度三五五Mpa，安全系数为二.五，许用应力一四二Mpa。由实际状况可知：满足使用要求，凸轮轴最大挠度不能超过零.五mm。经比较，原凸轮轴满足使用要求。
四 基于最优算法与工艺要求，完成凸轮轴结构优化
为了扩大轴中心孔，降低凸轮轴质量，通过观察凸轮轴中心孔直径变化时，凸轮轴所受的等效应力与总变形的变化情况，来保证等效应力与总变形在一定范围内，使凸轮轴满足使用功能。凸轮轴的初始参数如表三所示：
表三 原凸轮轴初始参数
系统在一五~二零之间随机生成九个数，作为内孔直径的大小，进行计算。所得数据拟合曲线如图五所示：
图五 Design Explorer运算数据拟合曲线
由图五可知，随着内孔直径的增大，凸轮轴的最大变形量与最大等效应力均增大。当内孔直径为一八.七五mm时，凸轮轴最大等效应力为一二一.九七Mpa，接近许用应力，使得工作不太安全。所以内孔直径应小于一八.七五mm。当内孔直径为一八.一二五时，凸轮轴最大等效应力为一一四.九五Mpa，满足使用功能。
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