摩托车发动机气门设计改进

A scooter manufacturer desires to reduce engine failure by reducing carbon deposits around the inlet ports. The inlet valves are designed to be rotated by the camshaft movement when they are opened to prevent the buildup of carbon. At high rpm, the valves rotate well. However, at low rpm, the valves do not rotate adequately to prevent carbon build-up. As a result, under low rpm use, there can be significant carbon deposits around the inlet ports, which can lead to engine failure. RecurDyn was used to identify that valve contact surface shape is the key to trigger valve rotation. Then RecurDyn was used to design and validate a different, improved valve contact surface shape that can enable sufficient valve rotation even at low rpm to prevent carbon deposits from forming.

摩托车制造商希望通过减少进气口周围的积碳来减少发动机故障。通过凸轮轴旋转运动打开进气门以防止积碳，在高转速下，气门旋转良好；然而，在低转速下，气门的不充分旋转会造成积碳问题。因此，在低转速下使用时，进气口周围可能有大量积碳，进而可能导致发动机故障。通过RecurDyn仿真确定了触发气门旋转的关键因素是气门的接触面形状，然后，进一步通过RecurDyn验证改进的气门接触面形状，确保气门在低转速下也能充分旋转，从而避免形成积碳。

Customer Challenges 面临的挑战

• 采用物理样机进行试错设计改进需要半年以上的时间
• 通过试验测量和监测气门的旋转非常困难
• 传统CAD软件很难完成复杂接触行为的仿真
• 必须以合理的时间和成本完成气门接触面形状的改善

Solutions 解决方案

• 采用专业的多体动力学仿真软件进行快速建模、仿真
• 利用强大的接触算法进行快速、精准仿真
• 相较于繁琐的物理测量和监控，采用便利的结果可视化手段
• 定量评价接触面形状的影响，通过轨迹线显示可视化验证气门的旋转行为

Process 流程

1. 创建用于复现、验证气门旋转的MBD模型，模型包含接触、弹簧、凸轮等元素
2. 设置各感兴趣的rpms工况，并运行仿真
3. 分析在不同速度下的气门转动情况
4. 分析不同接触面形状下的气门转动情况

Key Technologies for Analysis 关键技术

• 多体动力学仿真快速模拟不同形状、不同rpms工况的多个模型
• 非线性接触算法快速、准确地计算复杂几何形状的接触
• 显示轨迹，直观验证气门的旋转运动

Outcomes 效果

• RecurDyn正确地复现了凸轮轴不同rpms情况下的气门转动
• 仿真验证了新接触面形状的气门性能
• 仿真结果为新型发动机进一步的设计改进提供了指导