DOHC汽門機(jī)構(gòu)之進(jìn)汽門耦合應(yīng)力分析

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1、第七屆全國機(jī)構(gòu)與機(jī)器設(shè)計(jì)學(xué)術(shù)研討會崑山科技大學(xué)2004年11月20日DOHC汽門機(jī)構(gòu)之進(jìn)汽門耦合應(yīng)力分析12王栢村陳志成1國立屏東科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系教授2國立屏東科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系研究生Email:wangbt@mail.npust.edu.tw摘要門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。Iritanietal.[7]對一柴油引擎OHV汽門機(jī)構(gòu)建立一分析模型來預(yù)測其動態(tài)特本文目的為應(yīng)用有限元素法以預(yù)測引擎於動力性，並且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)量測以驗(yàn)證分析模型預(yù)測結(jié)果的行程時(shí)，DOHC型汽門機(jī)構(gòu)之進(jìn)汽門在承受一最大正確性，目的為透過電腦輔助工程分析(CAE)的幫平均有效壓

2、力及燃燒高溫之耦合狀態(tài)下所產(chǎn)生之結(jié)助來發(fā)展新型引擎或汽門機(jī)構(gòu)的動態(tài)行為的最佳化構(gòu)熱傳及應(yīng)力應(yīng)變行為。首先個(gè)別進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、設(shè)計(jì)。溫度場及熱應(yīng)力場三種獨(dú)立負(fù)荷狀況之分析；最後目前在汽車動力系統(tǒng)的開發(fā)，有限元素分析已則進(jìn)行耦合場分析並且比較線性疊加與耦合場分析被普遍地應(yīng)用，它除提供產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段消極地驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，(1)進(jìn)汽門之應(yīng)力應(yīng)變皆由熱應(yīng)力證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的強(qiáng)度外，更能事先指出產(chǎn)品設(shè)計(jì)不良場所主導(dǎo)，亦即燃燒高溫之影響遠(yuǎn)大於燃燒壓力；處，並予以改善。黃[8]說明汽車動力系統(tǒng)發(fā)展的初(2)主要應(yīng)力集中出現(xiàn)在熱膨脹時(shí)汽門面與汽門座圈期階段，甚多核心

3、零件需要有限元素法分析的結(jié)果滑動接觸面末端部位，也代表著此處為可能發(fā)生疲來預(yù)測其強(qiáng)度、變形、溫度分佈等行為，以用來支勞破壞之位置；(3)在線性結(jié)構(gòu)假設(shè)下，利用線性疊援汽車動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。全等人[9]對一具頂上雙凸輪加與耦合場分析所得之結(jié)果驗(yàn)證一致。期望本文研軸十六汽閥(DOHC,16V)汽缸頭結(jié)構(gòu)，利用分析軟體究分析之結(jié)果能提供業(yè)者針對汽門機(jī)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)設(shè)MSC/NASTRAN建立有限元素模型並進(jìn)行各種應(yīng)力計(jì)時(shí)之參考。應(yīng)變暨熱分析工作，同時(shí)針對引擎不同之工作環(huán)境與負(fù)荷條件，提出有效之分析模擬模式，以為國內(nèi)關(guān)鍵字：DOHC汽門機(jī)構(gòu)，進(jìn)汽門，有限元素

4、分析各汽車業(yè)界實(shí)際之參考。由於新式汽油引擎為增加進(jìn)汽效率以提高引擎前言性能，許多引擎皆採用DOHC多汽門化之汽門機(jī)構(gòu)。因此，本文亦選擇DOHC型汽門機(jī)構(gòu)內(nèi)之單一汽門為引擎中重要機(jī)件之一，它在工作情況中進(jìn)汽門，使用有限元素分析軟體ANSYS建立其分析承受了高溫度、大壓力及快速的啟閉動作。每個(gè)汽模型，經(jīng)由分析結(jié)果來預(yù)測此進(jìn)氣門在承受耦合應(yīng)門雖只重150克，但必須控制大約30~40匹馬力和力作用下，其位移變形、應(yīng)力分佈及可能發(fā)生破壞500kg的氣體壓力而不致發(fā)生漏氣。且汽門在接近的位置。800°C的高溫下，都已變成赤紅狀態(tài)，但仍要求能與氣門座保持良

5、好接觸，且需維持原有強(qiáng)度以承受問題定義與分析目標(biāo)撞擊[1]。1.1問題定義現(xiàn)今引擎之設(shè)計(jì)相當(dāng)重視引擎汽門機(jī)構(gòu)及進(jìn)、排氣的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在於增加進(jìn)氣效率進(jìn)而達(dá)到引擎如圖一(a)、(b)所示，雙頂上凸輪直壓式性能的提升。工研院機(jī)研所於民國八十年執(zhí)行之(DOHC)汽門機(jī)構(gòu)之進(jìn)汽門在引擎進(jìn)行動力行程時(shí)，52「汽車共用引擎計(jì)畫」發(fā)表了幾篇論文[2-4]介紹引承受一燃燒壓力P約為49×10(N/m)，汽門頭在燃擎設(shè)計(jì)的流程、引擎性能模擬分析、基本引擎分析燒高溫下約為780°C，舉桿裝於舉桿導(dǎo)管內(nèi)，將凸等，其中也提到了汽門機(jī)構(gòu)之分析方法、工作條件輪之旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變

6、為直線運(yùn)動，由於DOHC型汽門機(jī)特性、計(jì)算流程及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。此外論文中也闡明以構(gòu)，乃直接由凸輪接觸舉桿傳動，所以沒有汽門腳工程計(jì)算分析手段，透過電腦模擬方式預(yù)測最佳系間隙。汽門彈簧座扣用以固定汽門桿與彈簧，汽門統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念。其他方面，對於汽門機(jī)構(gòu)的動態(tài)行彈簧座置於舉桿內(nèi)，汽門導(dǎo)管內(nèi)徑稍大於汽門桿直為，蔡等人[5]以階次追蹤分析技術(shù)探討PGO四行程徑，間隙約0.06~0.08(mm)，並容納足夠之機(jī)油作為機(jī)車引擎之OHC汽門動態(tài)行為，藉以提供設(shè)計(jì)工程潤滑及冷卻。進(jìn)汽門形狀及尺寸，如圖一(c)，與排師判斷複雜系統(tǒng)下之振動與噪音發(fā)生時(shí)機(jī)與機(jī)制。汽門相

7、比較，進(jìn)汽門有較低的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度，乃因混合陳[6]分析一四行程汽車引擎，頂上型雙凸輪氣（溫度約40°C）充填至燃燒室的進(jìn)氣過程中連帶(DOHC)汽門機(jī)構(gòu)的動態(tài)行為，以作為評估或改善汽的冷卻了進(jìn)氣門。表一進(jìn)汽門材料性質(zhì)及分析條件設(shè)定楊氏係數(shù)E200e9(N/m2)蒲松比ν0.3熱傳導(dǎo)係數(shù)k12(W/m-°k)熱膨脹係數(shù)α3.1e-6(1/°k)平均有效壓力P49e5(N/m2)汽門頭熱源溫度Ti780(℃)汽門導(dǎo)管內(nèi)機(jī)油熱對流係數(shù)h2f11000(W/m-°k)混合氣熱對流係數(shù)h500(W/m2f2-°k)汽門導(dǎo)管內(nèi)機(jī)油流體溫度T∞150(℃)混合

8、氣流體溫度T∞240(℃)(a)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(a)DOHC直壓式汽門機(jī)構(gòu)[1](b)進(jìn)汽系統(tǒng)圖[10](c)進(jìn)汽門零件圖圖一汽門、汽門機(jī)構(gòu)(b)溫度場進(jìn)汽門材料為鎳鉻