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气门磨损仿真流程与方法
2019-12-14 09:14:26· 来源：AVL先进模拟技术
一、前言磨损是滑动摩擦副中最常见的问题之一，它描述了摩擦副表面材料持续缺失的现象。通常细分为两类：磨合磨损与持续性磨损。众所周知，大家在购买了新车之后
一、前言
磨损是滑动摩擦副中最常见的问题之一，它描述了摩擦副表面材料持续缺失的现象。通常细分为两类：磨 合磨损与持续性磨损。众所周知，大家在购买了新车之后，都会有一个磨合期，在这期间摩擦副表面会经历由全新型面（摩擦副接触表面轮廓）进入到稳定型面的过程。磨合后的型面保证了摩擦副在承压时能以较大的接触面积、较低的接触压力以及较小的摩擦损失处在理想的工作状态。磨合之后，随工作时间逐步缓慢增加的磨损称之为持续性磨损，往往伴随于产品的整个生命周期。当磨损深度累计到一定程度时，磨损速率会急剧上升，摩擦副失效。
多数情况下，经过设计的摩擦副都能在其寿命之内满足工作需求。但一些磨损故障的产生通常都是非正常工作状态导致，如结构体异常变形、润滑油中混入颗粒物以及摩擦副中润滑油供给不足等等。这些因素都会造成摩擦副生命周期的提前结束，同时还会伴有摩擦损失增大、油耗增加的问题。得益于仿真工具和计算机的飞速发展，在分析此类问题时，AVL EXCITE中的EHD (Elastic-Hydrodynamic)能够提供完备且成熟的解决方案，其在兼顾计算精度的同时，计算效率也在不断提高。在仿真过程中纳入了机油特性、轴瓦型面特征、供油边界如油槽油孔、表面粗糙度特征以及机油填充率等等详尽因素的考虑，同时自适应差分网格的多节点求解方法进一步降低了时间成本。目前针对发动机中的摩擦副中如主轴承、连杆大小头、活塞销、活塞与缸套以及凸轮轴承等等，亦或是涡轮增压器中的浮动轴承的分析都已配备了标准的分析流程，见图1。本期技术贴就聊聊大家可能不太熟的气门磨损分析。
图1 EXCITE EHD相关应用
二、气门磨损分析
气门磨损分析可分为三块，分别是气门头部磨损、气门导管磨损以及气门阀面磨损。 其中，气门头部主要借助于EXCITE Timing Drive（ETD）软件，通过在ETD中搭建相应的阀系模型进而对气门头部的接触应力进行评估即可，分析方法较为成熟，故不做详细展开。 以下针对大家较为‘陌生’的气门导管与阀面分析进行详细介绍。
1.气门导管接触模拟
气门导管除了需要保证气门上下往复运动以外，还起到导热的作用，将气门杆的热量传递给气缸盖或气缸体。其中温度在导管与气门的分布上存在梯度变化，其引起的热变形也是同样的特性，最终体现为一个非均等的工作间隙，这是气门与导管实际的工作状态。这就意味着若想要完全真实的还原气门的工作状态，在多体仿真之前需要通过测试或仿真手段获取相关阀系部件的温度场，进一步计算出结构的热变形，之后就可采用EPIL（Elastic Piston-Liner Contact）连接副进行模拟，将这部分因素准确的考虑到模型当中。见图2。该连接副采用的是S-S的连接属性，即面对面的接触，尤其对于中空的气门杆，该连接属性可更加真实地反应出结构体在工作时的局部刚度特性。同时无论是气门杆身还是气门导管均可分别定义各自接触区域的热变形型面特征，以及接触表面的微观形貌包括粗糙度和粗糙度方向等。
图2 气门与导管接触模拟及变形型面
2.气门阀面接触模拟
气门阀面的接触状态与气门杆的运动，气门以及气门座的结构刚度等息息相关。其在工作过程中所起到的作用可等效为止推轴承，采用AXHD（Axial Thrust Elasto-Hydrodynamic Bearing）进行模拟。见图3。对于该连接副其连接属性同样为S-S，并且能定义不同锥度的接触面，进而能够完整的保留阀面的局部结构刚度特性。同时高温导致的气门阀面气门座的热变形也可一并在其中设置。
图3 气门阀面与气门座圈接触模拟及型面
3.分析思路与方法
阀系动力学模型目前我们有EPU和ETD两类建模方式。如果采用ETD建模，则要考虑气门与导管以及阀面与气门座圈的EHD接触，还是需要和EPU进行联合仿真。所以当前我们更推荐大家使用EPU中功能丰富且完善的三维阀系进行建模与仿真。此功能经过几个版本的更新已完全支持常见阀系结构的建模。阀系零部件的详细分析流程如气门摇臂强度、气门磨损等得到大幅简化，全柔性体的建模方案也保证了更高的计算精度。同时，包含整阀系激励的整机NVH计算也可以单独在EPU中完成。而对于阀系中的大部分结构件如凸轮、挺柱、气门弹簧等都支持Modeler参数化建模或基于有限元缩减建模两种方式，针对不同的分析目的可选用不同的建模方式。例如当仿真重点放在NVH上时，就可以采用Modeler的方式建模，既保证了建模效率也不会引起仿真精度的降低；而当分析重点是在阀系部件时，采用缩减的方法可以完整的保留下零部件的结构细节信息，且可以根据需求自由定义主节点位置。
图4 三维阀系模块
在三维阀系中搭建需要分析的目标阀系结构，其中气门和摇臂采用缩减的方式创建。需要注意的是，三维阀系中阀系的结构件默认采用Modeler的方式创建，若想通过缩减的方法导入exb文件，须在模型中激活高级模式。激活过程为：首先在计算机中创建系统环境变量，变量名为ENABLE_EXCITE_ADVANCED_MODE，变量值为：TRUE；之后再回到三维阀系界面，Preference下的Advanced中勾选Allow ADVANCED mode；最后把阀系的模型等级切换为ADVANCED即可。具体设置方法见图5。
图5 高级模式激活
在缩减的过程中，缸盖中的气门导管与气门座圈按EHD分析要求保留表面主节点。气门保留杆身、气门阀面、气门头部、气门弹簧连接点以及施加缸压载荷的气门阀面节点。具体网格处理见图6。之后通过在EPU主界面创建前文所述的AXHD以及EPIL连接副将气门与导管及座圈之间连接，完成建模。
图6 网格处理及三维阀系模型
三、结果与总结
采用以上方案，即可计算得到我们评估气门磨损所必须的粗糙接触压力、液动接触压力、最小油膜厚度以及磨损量等结果，见图7。
图7 气门计算结果展示
除此之外，对于三维阀系的分析方法而言，由于各零部件均是采用缩减的方法详细考虑结构件的质量和刚度，所以我们除了可以通过上述计算结果评估气门磨损以外，还可以进一步将这些结果映射到结构表面或者是采用模态应力恢复的方法即可对气门或是摇臂等结构件的可靠性进行准确评估。
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