气门杆油封动态密封性能仿真研究.pdf
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1、 第27卷( 2009)第4期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSI CE Vol . 27 ( 2009) No. 4 ?: 100020909(2009) 0420379205272060 ? 3 高群钦 1 ,陈安宇 1 ,景国玺 2 (1. 解放军汽车管理学院 装备技术系,安徽 蚌埠233011; 2.浙江大学 能源系,浙江 杭州310027) ?:建立了某柴油机气门杆油封结构有限元二维轴对称模型,研究了在气门工作条件下油封的动态密封性 能,同时分析了油封不同结构参数对油封密封性能的影响。仿真分析表明,油封密封性能随着凸轮转角而发 生明显变化,气门运动速度波动对油
2、封密封性能有很大影响,在气门运动换向时刻油封嘴唇口发生剧烈运动。 通过仿真得到了油封结构参数与油封动态密封性能之间的关系,为油封设计工作提供了重要依据。 ?:气门杆油封;动态密封性;有限元;油封设计 ?:TK411 ?: A Study on Dynam ic Sealing Performance of Valve Stem Seals GAO Qun2qi n 1, CHEN An2yu1, JING Guo2xi2 (1. Depart ment of Equipment Technology, AutomobileManagement Institute, PLA, Bengbu 23
3、3011, China; 2. Depart ment of energy engineering, ZhejiangUniversity, Hangzhou 310027, China) Abstract:Two2dimension axisymmetric finite element models of valve stem seals (VSS) structure were built . The dynamic sealing performance ofVSS under valve working condition was investigated. The influ2 e
4、nce of different sealing structure parameters on dynamic sealing performance was analyzed. Simulated re2 sult shows that the sealing performance varies greatly to crank angle position, and is largely affected by the valve velocity fluctuations . Fiercemovement at sealing lip ispresented at themoment
5、of valve changing di2 rections .The relationship between the dynamic sealing performance and geometric design parameters is simulated, which provide the guidance to oil seal design. Keywords: Valve stem seals; Dynamic sealing performance; Finite element; Oil seal design ? 现代发动机设计对低机油消耗和低排放的指标日 益严格,国
6、内外开始更加重视气门杆油封的密封性 能 1 。 通过现有可能实现的技术提高油封的密封性 能,同时控制成本最小化,这是企业产品设计的主要理 念。目前,气门密封件主要采用唇结构油封,其具有结 构简单、 价格低和密封性好的特点,从而得到广泛应 用。目前业界所期望的是在不增加生产成本的基础上 对现有油封进行优化设计,但是传统油封设计过分依 赖于设计经验和实验,设计周期长,无法满足精确设计 的要求。因此,通过有限元的方法对唇口油封动态密 封性能研究和结构优化设计,有着重要的意义。 本文通过有限元方法研究了气门油封动态密封性 能,详细分析了在气门整个运动过程中唇口接触宽度 上压力的分布情况。同时,分析了油
7、封主要结构设计 参数对油封动态密封性能的影响,为油封设计工作提 供了重要依据。 1? 本文所仿真油封结构如图1所示,主要由橡胶油 封、 自紧弹簧圈和骨架三部分组成。气门油封为典型 的轴对称结构,工作时主要承受气门运动方向载荷,因 而忽略径向载荷,仿真分析时选用二维轴对称平面模 型。油封设计需考虑的主要参数有储油侧唇前角 、 气体侧唇后角 、 唇口半径r、 弹簧圈到唇口的偏距h 等,如图1所示。 油封是典型的动态密封元件,其材料采用氟橡胶, 3?: 2009202204;?: 2009206211。 ?:总后530重点学科建设资助项目(2007)。 ?:高群钦,副教授, E2mail: gaoq
8、unqin163. com。 目前基于应变能密度用于超弹性变形的几种本构理论 已经用于超弹性材料的有限元分析中 2。对于橡胶 类非线性材料,常用Mooney2Rivlin模型来描述,则 W ( I1, I2)= n i, j=0 Cij ( I 1-3) i ( I 2-3) j (1) 式中:W为应变能密度; Cij为Rivlin系数,I1、I2为第1、 第2 Green应变不变量, I1= 2 1+ 2 2+ 2 3 (2) I2 = ( 12) 2 + ( 23) 2 + ( 31) 2 (3) 本文采用2阶Mooney2Rivlin模型,材料非线性特 性通过材料单向拉伸和压缩试验确定。
9、 假定弹簧径向 约束力在与油封接触的面上呈正弦分布 3 ,若总的径 向力为Ft则沿接触长度上分布载荷Fd为 Fd= (F tsin ) /d (4) 式中: d为弹簧圈的周长。 ?1? Fig. 1Rip sealing structure and FEM model 气门刚度远远大于橡胶,因而定义气门为刚性体, 分析时仅考虑气门轴向的运动。同时在气门与唇口之 间建立面面接触关系来模拟唇口实际接触情况,考虑 油封与气门杆之间为完全液体润滑,摩擦系数取文献 3 文献4所推荐的值0.1。 2? 通常,在自由状态下的骨架油封,其内径比轴径 小,即具有一定的“ 过盈量 ” 。油封安装好后即发生了 弹性
10、变形,在气门导杆与唇口的接触面上产生一定的 接触压力,运行一段时间后,该压力值会迅速减小,可 通过加上弹簧随时补偿油封自紧力。通常认为气门油 封是一种准静态密封,在气门运动的每个时刻都可以 认为是静态密封状态。目前,气门密封设计主要依靠 传统经验设计,无法预测油封气门在动态作用下的密 封性能。研究 3采用有限元的方法分析了油封在气 门杆静止、 向上和向下三个时刻下的密封性能,而实际 工作中气门杆运动规律随时间改变且波动较大,油封 接触压力和接触长度以及唇口形状发生了剧烈变化。 本文通过单阀系动力学计算得到转速为3 600 r/ min下的气门运动速度曲线,如图2所示,在开启和落 座时刻以及换向
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- 气门 杆油封 动态 密封 性能 仿真 研究
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