DOHC汽門機構之進汽門耦合應力分析

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1、第七屆全國機構與機器設計學術研討會崑山科技大學2004年11月20日DOHC汽門機構之進汽門耦合應力分析12王栢村陳志成1國立屏東科技大學機械工程學系教授2國立屏東科技大學機械工程學系研究生Email:wangbt@mail.npust.edu.tw摘要門機構設計的重要依據。Iritanietal.[7]對一柴油引擎OHV汽門機構建立一分析模型來預測其動態特本文目的為應用有限元素法以預測引擎於動力性，並且進行實驗量測以驗證分析模型預測結果的行程時，DOHC型汽門機構之進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下所產生之結助來發展新型引擎或汽門機構的動態行為的最佳化構熱傳及應力應變行為。首先個別進行結構應力、設計。溫度場及熱應力場三種獨立負荷狀況之分析；最後目前在汽車動力系統的開發，有限元素分析已則進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用，它除提供產品在設計階段消極地驗數據。結果顯示，(1)進汽門之應力應變皆由熱應力證設計產品的強度外，更能事先指出產品設計不良場所主導，亦即燃燒高溫之影響遠大於燃燒壓力；處，並予以改善。黃[8]說明汽車動力系統發展的初(2)主要應力集中出現在熱膨脹時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果滑動接觸面末端部位，也代表著此處為可能發生疲來預測其強度、變形、溫度分佈等行為，以用來支勞破壞之位置；(3)在線性結構假設下，利用線性疊援汽車動力系統設計。全等人[9]對一具頂上雙凸輪加與耦合場分析所得之結果驗證一致。期望本文研軸十六汽閥(DOHC,16V)汽缸頭結構，利用分析軟體究分析之結果能提供業者針對汽門機構進行研發設MSC/NASTRAN建立有限元素模型並進行各種應力計時之參考。應變暨熱分析工作，同時針對引擎不同之工作環境與負荷條件，提出有效之分析模擬模式，以為國內關鍵字：DOHC汽門機構，進汽門，有限元素

4、分析各汽車業界實際之參考。由於新式汽油引擎為增加進汽效率以提高引擎前言性能，許多引擎皆採用DOHC多汽門化之汽門機構。因此，本文亦選擇DOHC型汽門機構內之單一汽門為引擎中重要機件之一，它在工作情況中進汽門，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。每個汽模型，經由分析結果來預測此進氣門在承受耦合應門雖只重150克，但必須控制大約30~40匹馬力和力作用下，其位移變形、應力分佈及可能發生破壞500kg的氣體壓力而不致發生漏氣。且汽門在接近的位置。800°C的高溫下，都已變成赤紅狀態，但仍要求能與氣門座保持良

5、好接觸，且需維持原有強度以承受問題定義與分析目標撞擊[1]。1.1問題定義現今引擎之設計相當重視引擎汽門機構及進、排氣的設計，重點在於增加進氣效率進而達到引擎如圖一(a)、(b)所示，雙頂上凸輪直壓式性能的提升。工研院機研所於民國八十年執行之(DOHC)汽門機構之進汽門在引擎進行動力行程時，52「汽車共用引擎計畫」發表了幾篇論文[2-4]介紹引承受一燃燒壓力P約為49×10(N/m)，汽門頭在燃擎設計的流程、引擎性能模擬分析、基本引擎分析燒高溫下約為780°C，舉桿裝於舉桿導管內，將凸等，其中也提到了汽門機構之分析方法、工作條件輪之旋轉運動變

6、為直線運動，由於DOHC型汽門機特性、計算流程及設計準則。此外論文中也闡明以構，乃直接由凸輪接觸舉桿傳動，所以沒有汽門腳工程計算分析手段，透過電腦模擬方式預測最佳系間隙。汽門彈簧座扣用以固定汽門桿與彈簧，汽門統設計的概念。其他方面，對於汽門機構的動態行彈簧座置於舉桿內，汽門導管內徑稍大於汽門桿直為，蔡等人[5]以階次追蹤分析技術探討PGO四行程徑，間隙約0.06~0.08(mm)，並容納足夠之機油作為機車引擎之OHC汽門動態行為，藉以提供設計工程潤滑及冷卻。進汽門形狀及尺寸，如圖一(c)，與排師判斷複雜系統下之振動與噪音發生時機與機制。汽門相

7、比較，進汽門有較低的運轉溫度，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）充填至燃燒室的進氣過程中連帶(DOHC)汽門機構的動態行為，以作為評估或改善汽的冷卻了進氣門。表一進汽門材料性質及分析條件設定楊氏係數E200e9(N/m2)蒲松比ν0.3熱傳導係數k12(W/m-°k)熱膨脹係數α3.1e-6(1/°k)平均有效壓力P49e5(N/m2)汽門頭熱源溫度Ti780(℃)汽門導管內機油熱對流係數h2f11000(W/m-°k)混合氣熱對流係數h500(W/m2f2-°k)汽門導管內機油流體溫度T∞150(℃)混合

8、氣流體溫度T∞240(℃)(a)結構應力場(a)DOHC直壓式汽門機構[1](b)進汽系統圖[10](c)進汽門零件圖圖一汽門、汽門機構(b)溫度場進汽門材料為鎳鉻