汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

史玉泉

（天津鑫現(xiàn)汽車貿(mào)易有限公司西青分公司，天津 300380）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

史玉泉

（天津鑫現(xiàn)汽車貿(mào)易有限公司西青分公司，天津 300380）

對(duì)于內(nèi)燃機(jī)來(lái)說(shuō)配氣機(jī)構(gòu)是十分重要的，它能影響到內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等性能，它是內(nèi)燃機(jī)的重要組成部分。對(duì)于汽車的配氣機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，凸輪型線和配氣相位占有很大的比重，配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性都要同凸輪型線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，只有通過(guò)對(duì)凸輪型線的系數(shù)、凸輪、挺柱接觸應(yīng)力、氣門躍度、凸輪曲率半徑等情況進(jìn)行分析，配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)其合理性。

汽車；發(fā)動(dòng)機(jī)；配氣機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1 汽車配氣機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展

目前汽車配氣機(jī)構(gòu)技術(shù)又得到進(jìn)一步的發(fā)展，其新技術(shù)主要包括：頂置凸輪軸技術(shù)、多氣門技術(shù)、可變氣門系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)。以下是對(duì)各技術(shù)的詳解：1.1 頂置凸輪軸技術(shù)

頂置式凸輪軸技術(shù)中凸輪軸的運(yùn)動(dòng)主要有凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門式、擺臂式、搖臂式，這三種主要結(jié)構(gòu)形式。凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門式結(jié)構(gòu)形式比較直觀，相對(duì)于其他形式來(lái)說(shuō)復(fù)雜程度比較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。它的運(yùn)動(dòng)方式與凸輪驅(qū)動(dòng)平底挺柱配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式在本質(zhì)上是接近的。擺、搖臂式結(jié)構(gòu)可以較靈活地選擇擺、搖臂比，使凸輪型線升程工作的包角處于比較合適的狀態(tài)。它們通過(guò)擺臂和搖臂將凸輪的作用傳給氣門，所以它們同時(shí)運(yùn)作并不能使凸輪升程方法得以實(shí)現(xiàn)，它們這種結(jié)構(gòu)形式使得凸輪升程比氣門升程低。

單頂置，雙頂置凸輪軸的劃分主要按凸輪軸的數(shù)目劃分。顧名思義，單頂置凸輪軸就是在氣缸蓋上設(shè)置一條凸輪軸，而雙頂置凸輪軸就是在氣缸蓋上安置兩條凸輪軸，在氣缸兩側(cè)各安置一個(gè)。

1.2 多氣門技術(shù)

何謂多氣門技術(shù)？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是指多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)每一氣缸的氣門數(shù)目都超過(guò)兩個(gè)，目前的汽車上多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)多是四氣門式的，而多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)大多分為兩個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門的三氣門式，兩個(gè)進(jìn)氣門和兩個(gè)排氣門和兩個(gè)排氣門的四氣門式以及三個(gè)進(jìn)氣門和兩個(gè)排氣門的五氣門式。所謂三、五、六氣門式就是進(jìn)、排氣門相疊加，四缸發(fā)動(dòng)機(jī)就有十六個(gè)氣門，六缸發(fā)動(dòng)機(jī)有二十四個(gè)氣門，八缸發(fā)動(dòng)機(jī)則有三十二個(gè)氣門。氣門數(shù)目越多增加相應(yīng)的配氣機(jī)構(gòu)裝置越多，構(gòu)造就越復(fù)雜。如果想擴(kuò)大氣門頭的直徑，使氣流通過(guò)的面積得以擴(kuò)大，換氣性能得到合理改善，就要在氣缸燃燒室中心兩側(cè)的傾斜位置上布置氣門，這樣有利于混合氣的迅速燃燒。

1.3 可變氣門系統(tǒng)技術(shù)

所謂可變氣門系統(tǒng)技術(shù)，即當(dāng)今汽車的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)都普遍配備的系統(tǒng)，該系統(tǒng)也叫連續(xù)可變氣門正時(shí)系統(tǒng)。它對(duì)優(yōu)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣過(guò)程的作用可以通過(guò)對(duì)配置的控制與執(zhí)行以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪的氣門升程工作的完善達(dá)到。目前的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大都有利用進(jìn)氣慣性去提高進(jìn)氣量和掃氣效率的功能，在高轉(zhuǎn)速下使發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門早開(kāi)晚閉，低轉(zhuǎn)訴下則是晚開(kāi)早閉。

1.4 無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)

近幾年出現(xiàn)了可以使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和有害物降低的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)就是無(wú)凸輪電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)的配氣機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)。之所以說(shuō)這種發(fā)動(dòng)機(jī)具有創(chuàng)新技術(shù)，主要原因來(lái)源于它所具備的特點(diǎn)。該技術(shù)的特點(diǎn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)中，氣門開(kāi)啟的氣門升程、開(kāi)啟持續(xù)時(shí)間都可以相互獨(dú)立。它取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式凸輪軸對(duì)于氣門的控制，改用電液驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)替代。

2 凸輪型線設(shè)計(jì)技術(shù)

在凸輪型線的設(shè)計(jì)方面，大致經(jīng)歷了靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)階段。

2.1 靜態(tài)設(shè)計(jì)

圓弧凸輪以其簡(jiǎn)單的型線、挺柱位移、速度曲線連續(xù)，在前幾年得到廣泛使用。當(dāng)汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，它的振動(dòng)和噪聲都較小，但是它的加速度曲線不連續(xù)，

配氣機(jī)構(gòu)慣性力的突變以及在內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)的振動(dòng)、噪聲增大使人們逐漸減少了對(duì)圓弧凸輪的使用，轉(zhuǎn)而又設(shè)計(jì)了函數(shù)凸輪，函數(shù)凸輪的位移、速度和加速度都是連續(xù)的。函數(shù)凸輪還叫低次方凸輪、高次方凸輪、復(fù)合正弦凸輪和復(fù)合擺線凸輪等。雖然它能夠在一定范圍內(nèi)使配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)和噪聲降低，但是其氣門運(yùn)動(dòng)規(guī)律并不能與凸輪所需要的控制的挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律所匹配。

2.2 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

但凡對(duì)汽車知識(shí)有一定基礎(chǔ)的人都知道，發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)具有彈性的振動(dòng)體。從發(fā)動(dòng)機(jī)的彈性振動(dòng)和凸輪型線控制運(yùn)動(dòng)的角度考慮，可以將汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)理解為較為簡(jiǎn)單的單質(zhì)量振動(dòng)模型，也可以將其看為復(fù)雜的多質(zhì)量振動(dòng)模型。只要物理模型參數(shù)的選擇合適適當(dāng)，其計(jì)算的結(jié)果一定會(huì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不差上下，但是這種計(jì)算在凸輪型線設(shè)計(jì)完成以后才能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀況進(jìn)行校對(duì)。如果振動(dòng)超過(guò)允許值就要需要重新設(shè)計(jì)凸輪，直到能對(duì)設(shè)計(jì)要求滿足為止。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

最優(yōu)化的匹配關(guān)系就存在于發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線、凸輪轉(zhuǎn)速與配氣機(jī)構(gòu)的參數(shù)之間。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是將配氣凸輪型線與配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)都考慮在其范圍內(nèi)，從而使凸輪型線的設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行。為了使配氣機(jī)構(gòu)更加平穩(wěn)的運(yùn)行，就需要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)各參數(shù)之間進(jìn)行最優(yōu)化的匹配設(shè)計(jì)，只有這樣才能使凸輪設(shè)計(jì)滿足凸輪設(shè)計(jì)的指標(biāo)，這是一種創(chuàng)新的凸輪型線設(shè)計(jì)方法。

3 建立配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

單質(zhì)量模型、二質(zhì)量模型、多質(zhì)量模型、有限元模型共同構(gòu)成配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。其單質(zhì)量模型的特點(diǎn)在于它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不復(fù)雜，待定參數(shù)較小，便于計(jì)算。單質(zhì)量模型描述了氣門運(yùn)動(dòng)中的氣門質(zhì)量以及其他換算到氣門處的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)。此外，該氣門運(yùn)動(dòng)的氣門桿到凸輪軸的剛度稱為系統(tǒng)剛度，零部件的各阻尼稱為系統(tǒng)阻尼。二質(zhì)量模型對(duì)氣門質(zhì)量與集中質(zhì)量進(jìn)行分離，這一分離是在單質(zhì)量模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。二質(zhì)量模型參數(shù)和單質(zhì)量模型都可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，是因?yàn)槎|(zhì)量模型中的某些質(zhì)量的剛度與單質(zhì)量模型系統(tǒng)的剛度接近，而單質(zhì)量模型的氣門桿形狀說(shuō)明單質(zhì)量模型的剛度可以通過(guò)計(jì)算得到。所以說(shuō)二質(zhì)量模型參數(shù)也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到。

為了使發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)各部件的變形、阻尼得以正確的反應(yīng)，在研究各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與應(yīng)力狀態(tài)使，大多都會(huì)運(yùn)用集中質(zhì)量、剛度的形式將該配氣系統(tǒng)改成有限自由度的等效力學(xué)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)就稱為多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型，配氣機(jī)構(gòu)中的推桿、挺柱、搖臂、氣門和內(nèi)外氣門彈簧可以用多個(gè)集中質(zhì)量來(lái)代替。

最后，近期隨著有限元技術(shù)的成熟與發(fā)展，使有限元模型可以對(duì)汽車的配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)角度的專業(yè)分析，配氣機(jī)構(gòu)的零件振動(dòng)和振動(dòng)型都可以通過(guò)這一分析得到。在配氣機(jī)構(gòu)的分析計(jì)算中有限元模型的使用，可以在很大程度上幫助對(duì)氣門振動(dòng)的使用期限和可靠性的研究，這一研究是在考慮氣門振動(dòng)的情況下進(jìn)行考慮的。它的好處是能夠計(jì)算出配氣機(jī)構(gòu)的零件位移、速度、加速度和零件接觸應(yīng)力、變形。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)凸輪型線

4.1 凸輪型線設(shè)計(jì)思路

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和凸輪型線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的建立得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣分析就是利用這一模型所實(shí)現(xiàn)的，還可以利用模型進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)最終得到優(yōu)化后的凸輪型線。

4.2 緩沖段的設(shè)計(jì)方案

為了消除氣門受力時(shí)的彈性變形，研發(fā)出了凸輪型線緩沖段的設(shè)計(jì)。應(yīng)挺柱升程曲線在緩沖段分為上升段和下降段，需求不同，對(duì)這兩段的設(shè)計(jì)也可以有所不同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果想要使氣門開(kāi)啟速度加快，關(guān)閉時(shí)落座速度變小，可以采取將上升段包角變短及將下降段的包角變長(zhǎng)的方法。緩沖段主要有三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)包括緩沖段的高度、緩沖段包角和緩沖末了速度。在參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，最重要的是緩沖段的高度選取，選取時(shí)需要考慮的是：消除氣門間隙和配氣機(jī)構(gòu)彈性變形量。一旦氣門間隙剛消失，氣門就必須要保持靜止，一直到氣門受到向下的作用力超過(guò)向上的作用力，只有達(dá)到這一條件氣門才會(huì)開(kāi)啟。

4.3 工作段的設(shè)計(jì)

工作段以其對(duì)配氣機(jī)構(gòu)性能的直接性影響，成為發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線的重要組成部分也是最關(guān)鍵的部分。對(duì)此，有一個(gè)軟件提供了三種配氣凸輪工作段的設(shè)計(jì)方案，這三種方案分別是氣門多項(xiàng)動(dòng)力凸輪、氣門加速凸輪及氣門分段加速度函數(shù)，這個(gè)軟件就是AVL TYCON。為了提高配氣機(jī)構(gòu)的性能、使凸輪軸加速度連續(xù)起來(lái)、降低慣性力的突變可能性、減少配氣機(jī)構(gòu)的跳動(dòng)，凸輪型線就要采取高次方曲線的方法。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)影響著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及使用時(shí)間，因此，對(duì)于汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，配氣機(jī)構(gòu)是其中最應(yīng)該重視的機(jī)構(gòu)之一。目前汽車市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的配氣機(jī)構(gòu)，配氣形式就是氣門凸輪式的配氣機(jī)構(gòu)。汽車行業(yè)是復(fù)雜的，對(duì)于汽車各方面的研究也是復(fù)雜的在研究發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)方面，也要進(jìn)行大量的分析和計(jì)算，最終就是為了得出更適應(yīng)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作的配氣機(jī)構(gòu)，這樣的研究不是一個(gè)短暫的過(guò)程，而是十分長(zhǎng)遠(yuǎn)的過(guò)程。

［1］魏宇明. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)研究［D］.重慶大學(xué)，2012.

［2］武彬. 汽油機(jī)低摩擦系統(tǒng)優(yōu)化及其對(duì)節(jié)能影響研究［D］.吉林大學(xué)，2013.

［3］孫勝軍. 發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)探析［J］. 中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2016，03：267.

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1671-3818（2016）10-0182-02