摘要：针对6CTA8.3-G2型柴油发电机组发动机挺柱与凸轮轴之间出现异常磨损的现象，康明斯公司提出了将平底挺柱改为滚轮挺柱的改进方案，并进行了系统的理论研究和科学分析。为验证该方案的实际可操作性，利用AVL-EXCITE Timing Drive软件对改进后的配气机构进行了仿真计算，通过对比改进前后的各项运动学与动力学参数，以及接触应力、推杆力、气门反跳、弹簧并圈等关键指标，全面评估了改进方案的可行性。本文系统阐述改进背景、方案设计、建模方法、仿真分析过程及结果对比，为配气机构耐久性优化设计提供技术参考。
一、背景介绍
随着现代柴油机强化程度的不断提高、排放法规的持续升级以及最高燃烧压力的提升，对柴油机各机构及系统的性能要求日益严苛。配气机构作为发动机的两大核心机构之一，其精确性和可靠性直接影响发动机的工作性能和使用寿命，并随着柴油机强化趋势的推进而受到越来越广泛的重视。配气机构的主要功能是实现发动机的换气过程——根据气缸的工作次序，定时开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入足量新鲜空气并彻底排出燃烧后的废气。在现代柴油机设计中，配气机构设计占有重要地位，其设计质量直接影响柴油机的技术性能、工作可靠性、耐久性和运行平稳性。随着柴油机平均有效压力和转速的提高，配气机构零件所承受的机械负荷、热负荷、摩擦磨损以及振动噪声急剧增加。为保证柴油机具有良好的性能和寿命，对配气机构提出了更高的要求。
正是在这一背景下，针对6CTA8.3-G2型号柴油机配气机构在性能持续提升过程中遇到的挺柱与凸轮轴之间的磨损问题，对原配气机构进行了改进设计。6CTA8.3-G2型柴油机排量8.9 L，凸轮轴置于机体侧面中部，通过挺柱-推杆-摇臂的传动路径驱动气门。近年来随着排放法规的不断升级和对发动机经济性等各方面要求的逐步提高，该型号发动机经过多次改进，各项性能指标均作了较大幅度的提升。伴随着这些改进和提升，柴油机本体各系统均进行了不同程度的变更，配气机构的磨损问题日益突出，特别是凸轮轴和挺柱之间的磨损和点蚀故障越来越多。
基于上述现状，须解决凸轮轴与挺柱间的磨损和点蚀问题。通过AVL-EXCITE Timing Drive软件对原设计方案的分析计算发现，进排气凸轮与挺柱底面接触面的接触应力分别达到688.3 MPa和836 MPa，超过了钢制平底挺柱的一般许用值680 MPa。因此，改用在重型柴油机领域中应用越来越广泛且已经趋于成熟的滚轮挺柱，以替代原来的平底挺柱。使用AVL-EXCITE Timing Drive软件模拟原方案与改进方案，评价凸轮与挺柱之间的接触应力是否得到改善，并进一步对比两种方案，从配气机构的运动学、动力学方面进行仿真计算，以评估改进方案的效果和可行性。
二、方案说明——平底挺柱与滚轮挺柱的结构差异及改进策略
1. 原机配气机构基本结构
原柴油机配气机构采用平底挺柱、凸轮轴下置型布置方式，其优点在于传动机构简单、便于布置，如图1所示。在该结构中，凸轮轴位于机体侧面中部，凸轮直接驱动平底挺柱，通过推杆将运动传递至摇臂，再由摇臂驱动气门。该布置形式结构紧凑，维修方便，且具有较高的传动效率，是传统中重型柴油机配气机构的典型形式。
平底挺柱的结构特点是：挺柱底部为一平面（经过精密研磨，粗糙度要求≤Ra0.1 μm），在工作过程中与凸轮桃尖表面形成滑动接触。由于平底挺柱无法自行旋转，为减轻偏磨，通常将挺柱底面设计为略带球形（凸度）或使挺柱中心与凸轮轴中心略有偏移，以促使挺柱在运行中绕自身轴线缓慢旋转，改善接触面间的润滑条件。
2. 原方案存在的问题与根本原因
考虑到售后反馈的配气机构耐久性问题主要集中于凸轮与挺柱间的过度磨损，经拆检发现典型失效模式包括：凸轮桃尖表面出现剥落、点蚀甚至片状剥落；挺柱底面出现磨成凹坑状、表面烧蚀、材料转移等严重磨损现象。通过分析认为，导致该问题的根本原因包括：
（1）随着柴油机性能多次提升，气门升程、开启速率及气门弹簧力等参数均有所提高，导致凸轮与挺柱间的接触载荷持续增大，使接触应力突破原设计许用值。
（2）平底挺柱与凸轮之间的接触属于滑动接触，接触面积小、油膜难以建立，尤其在凸轮桃尖的最高升程区域附近，线速度趋于零，润滑条件恶劣，极易发生边界润滑甚至混合润滑状态下的严重磨损。
（3）原设计接触应力在进气门处为688.3 MPa，在排气门处高达836 MPa，已超出钢制平底挺柱的一般许用值（680 MPa），表明原设计的接触强度安全裕度已严重不足。
3. 改进方案的设计原则
基于上述分析，改进方案遵循以下设计原则：
（1）维持原布置框架不变：不改变凸轮轴位置、摇臂机构及气门布置形式，以确保改进方案对现有柴油机缸盖、缸体等本体结构的改动降至最低，减少模具变更和生产线调整投入。
（2）将滑动接触改为滚动接触：将平底挺柱改为滚轮挺柱，使挺柱与凸轮之间的接触方式由滑动接触变为滚动接触。滚轮挺柱通过滚针轴承支撑的滚轮与凸轮表面接触，滚动摩擦系数远低于滑动摩擦，可有效降低摩擦功耗和接触区温升，同时改善油膜形成条件。
（3）根据跟随性差异微调凸轮型线：滚轮挺柱的滚轮半径使凸轮与挺柱的接触点位置随凸轮转角变化而发生偏移（与平底挺柱接触点的运动规律不同），因此须对凸轮型线进行适当的微调，以确保气门的开启关闭时刻、升程及落座速度等关键特征不发生大的变化，从而避免对柴油机性能产生负面影响。
（4）在保证耐久性的同时兼顾性能：改进后的配气机构应在磨损寿命上获得显著提升，同时保持或适度改善原机的进排气效率、最高功率和燃油经济性。
4. 改进后滚轮挺柱的结构特点
改进后滚轮挺柱外观结构见图2。滚轮挺柱与平底挺柱在结构上的本质差异包括：
（1）滚轮挺柱质量增大：根据零件实测，滚轮挺柱质量为242 g（含滚针轴承及滚轮），原平底挺柱质量为160 g，质量增加约82 g。质量增加会增大配气机构的惯性力，对气门落座特性和弹簧设计产生一定影响，需要在校核中加以考虑。
（2）推杆长度缩短：由于挺柱结构变化，推杆比原来缩短24 mm。推杆缩短有助于提高传动链的刚性和稳定性，同时改变了传动链的固有频率特性。
（3）摇臂组件的接触参数变化：滚轮挺柱的顶面高度及接触面位置与原平底挺柱不同，导致摇臂组件的接触角度和接触位置发生变化，须重新校核摇臂比和摇臂与气门杆端部的接触印痕位置。
（4）接触性质变化：挺柱与凸轮之间的接触由滑动加轻微转动状态变为纯滚动状态，接触副的摩擦系数显著降低，接触区域的剪切应力减少，热负荷减轻。
（5）气门运动加速度特性变化：平底挺柱改为滚轮挺柱后，驱动方式的改变影响气门开启和落座的加速度特性，须通过重新设计凸轮型线来保证气门运动加速度曲线平滑，并满足飞脱和反跳的动力学限制。
5. 改进方案对周边系统的影响评估
改进方案还应对以下周边系统进行相应的评估和调整：
（1）气门间隙调整：由于推杆长度变化和摇臂接触点的变化，原气门间隙设定值可能需要微调，应在台架试验中予以确定。
（2）配气正时：若凸轮型线的基圆相位发生偏移，应确保配气正时与原机基本一致，避免对充气效率产生不良影响。
（3）润滑系统：滚轮挺柱的滚针轴承需要足够的润滑油流量以冷却和润滑，须校核原机的润滑系统能否满足新增的润滑油需求。
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图1 柴油机下置式配气机构示意图 |
图2 配气机构之滚轮挺柱平面结构图 |
三、建模与仿真
本次改进设计主要关注配气机构的耐久性和机械强度，暂不考虑各气缸之间的相互影响。且通常柴油机凸轮轴的扭转刚度足够大，因此从主要关注的耐久性、系统机械强度来看，单独阀系的系统动力学与整个阀系的系统动力学结果差异不大，可采用单阀系来模拟计算。本次模拟分析主要采用AVL-EXCITE Timing Drive软件建立配气机构运动学和动力学模型，应用proE软件测量零件质量、位置尺寸等参数，应用Abaqus计算零件刚度等参数，其余参数如润滑油参数、材料参数来源于零部件供应商提供的技术数据和经验数值。
1. 建模准备
原柴油机为成熟机型，质量数据采用实物测量及模型校对相结合的方法获得；位置参数通过proE建立配气机构布置图，进而获得距离、角度等机构关键尺寸；缸内压力由样机台架测试获得；气门间隙直接测量样机获得；所有零部件的材料皆为配气机构零部件实际使用的材料。采用经过校验的有限元模型计算主要结构件的刚度。图3至图6为刚度计算模型。
气门桥、摇臂、推杆均为配气机构传动系统的主要构件，其刚度对整个配气机构的动态响应至关重要。有限元计算得到的刚度值见表1。
表1 柴油机配气机构主要零件刚度值
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零件名称 |
刚度/（N/mm） |
|---|---|
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排气门桥 |
237.37 |
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进气门桥 |
131.49 |
|
排气摇臂 |
64.22 |
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进气摇臂 |
161.23 |
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推杆下半段+挺柱 |
40.29 |
|
推杆上半段 |
96.85 |
2. 仿真模型的建立
AVL-EXCITE Timing Drive是奥地利AVL公司开发的配气机构运动学和动力学分析专用软件，其运动学与动力学计算基于多质量动力学模型理论，采用多个集中质量块对系统进行简化。软件提供了集成化模块，具有友好的用户界面，建模及参数输入较为便捷。其中运动学及动力学分析模块能够通过仿真计算，明确气门运动特性及配气机构动力学相关性能，帮助设计人员优化配气机构性能并确保可靠性。配气机构的每一部分均用模块元件单独描述，这些模块可连接形成完整的配气机构模型。每个建模元件均经过精心设计，使用最少的自由度，同时保留足够的细节以确保仿真准确度。
（1）运动学仿真模型：在运动学计算中，阀系被等效为双质量模型——阀系当量总质量被分配到凸轮侧和气门侧，其中凸轮侧当量质量包括挺柱质量和推杆质量，气门侧当量质量包括气门方向运动的零件质量以及转动零件转动惯量转换的等效质量。阀系的当量总刚度通过对各零件刚度串联求和得到（运动学阀系总当量刚度不包含气门刚度）。
（2）动力学模型的建立：动力学计算将各部件视为弹性质点，根据作用在弹性系统中各构件的力的平衡关系，并考虑系统中的阻尼、间隙、脱离、落座等多种非线性因素，建立气门运动的微分方程，求解各转速下气门的真实运动响应。对动力学结果的评价主要考察从动件飞脱、气门反跳、凸轮接触应力、气门弹簧裕度以及弹簧并圈等现象。应用AVL EXCITE Timing Drive软件，根据配气机构实体结构及零部件布置，建立了进、排气系统单阀系动力学仿真模型。
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图3 柴油机排气门桥刚度计算模型 |
图4 柴油机进气门桥刚度计算模型 |
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图5 柴油机排气摇臂刚度计算模型 |
图6 柴油机进气摇臂刚度计算模型 |
四、分析结果及对比
配气机构改进结果的分析主要从系统机械强度要求的角度出发，重点关注凸轮与挺柱之间的接触应力、气门落座速度和弹簧动态力等关键指标。以原型机凸轮型线为参考，重新设计凸轮型线。
1. 排气型线设计变更前后主要差异
（1）凸轮挺柱间接触应力——由于接触形式的改变，接触应力由688.3 MPa增至904.7 MPa；
（2）缓冲段末端气门速度由2.228 mm/°增大至3.308 mm/°；
（3）开启、关闭段包角由64°、64°分别减为60°、58°；
（4）开启、关闭段丰满度由0.5223、0.5223增大至0.539、0.5386。
2. 进气凸轮型线设计变更前后主要差异
（1）凸轮与挺柱间接触应力——由于接触形式的改变，接触应力由836 MPa增至842.8 MPa；
（2）缓冲段末端气门速度由1.91 mm/°增大至2.3 mm/°左右；
（3）开启、关闭段包角由58°、58°分别调整为58.5°和57.5°；
（4）开启、关闭段丰满度由0.5283、0.5283增大至0.542、0.5422。
3. 改进后的动力学分析结果
针对改进后的配气机构，需要验算滚轮挺柱与凸轮间的动态接触应力、弹簧动态力、气门落座速度等指标，以评估改进后配气机构的系统设计是否满足动力学要求。
图7至图12对改进后配气机构的动力学结果进行了整理：改进后的气门动力学升程和速度曲线均满足一般设计标准；凸轮与挺柱的接触应力虽高于原平底挺柱方案，但均低于滚轮挺柱的许用值；在整个气门开启段未出现飞脱现象；缓冲段气门速度有所升高，但气门落座力平稳，无反跳现象；推杆力满足屈曲强度要求；气门弹簧颤振情况良好，未发现并圈现象。
气门开启和关闭段的丰满度提高，有利于进排气效率的改善。综合以上结果并结合配气机构系统动力学分析标准，改进后的配气机构系统动力学结果均满足使用要求。
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图7 柴油机动力学型线（排气门） |
图8 柴油机动力学型线（进气门） |
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图9 柴油机推杆力曲线图（排气门） |
图10 柴油机推杆力曲线图（进气门） |
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图11 柴油机气门弹簧动态力曲线图（排气门） |
图12 柴油机气门弹簧动态力曲线图（进气门） |
总结
为解决某成熟机型出现的挺柱底面与凸轮轴磨损问题，将配气机构中的平底挺柱改为滚轮挺柱，并基于滚轮挺柱的结构特点，以原凸轮型线为参考重新设计凸轮型线，应用AVL-EXCITE Timing Drive软件进行型线设计，并对整个机构的运动学与动力学进行了全面分析。分析结果表明，挺柱改进后的型线设计、运动学及动力学响应均满足设计要求。接触应力虽有所增加，但仍在滚轮挺柱许用范围之内；气门落座平稳、无反跳；弹簧动态力正常，无并圈风险。后续工作应从试验验证和性能优化两个方向同步推进：一方面，通过台架耐久试验验证改进后机构的可靠性和耐久性，并根据试验结果对分析模型进行校验与修正；另一方面，在性能试验的基础上进一步优化凸轮型线——可考虑在包角不变的前提下优化凸轮型线形状，使改进后的新型线在不调整配气正时的条件下即可直接应用于批量生产，从而缩短开发周期、降低工程实施难度。本次改进方案为同类柴油机配气机构耐久性问题的解决提供了可借鉴的工程范例。
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