一種連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

張宗瀾， 熊銳， 吳堅(jiān)， 周鑫， 曾恩山

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 2. 廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 510640)

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一種連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

張宗瀾， 熊銳， 吳堅(jiān)， 周鑫， 曾恩山

(1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 2. 廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 510640)

設(shè)計(jì)了一種連續(xù)可變氣門升程(CVVL)機(jī)構(gòu)，氣門升程可在0～9.5 mm連續(xù)可變，為該CVVL機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算了凸輪型線和中間搖臂型線。利用GT-Power對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，結(jié)果表明：在所有氣門升程下，氣門具有相同的開啟、落座緩沖段，氣門動(dòng)力學(xué)性能良好；凸輪與滾輪接觸應(yīng)力偏大，分析了應(yīng)力偏大的原因，并指出優(yōu)化方向。

可變氣門升程； 凸輪型線； 動(dòng)力學(xué)； 仿真

連續(xù)可變氣門升程(CVVL)是一種車用汽油機(jī)的節(jié)油技術(shù)，它能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷，匹配最佳的氣門升程，甚至可以取代節(jié)氣門的作用[1]，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷的控制。研究表明，低速低負(fù)荷工況下，一方面，CVVL機(jī)構(gòu)能夠降低泵氣損失[2-6]，另一方面，在較小的氣門升程下，配氣機(jī)構(gòu)需要的驅(qū)動(dòng)扭矩更小[7-8]，因此能夠有效降低汽油機(jī)的燃油消耗。目前汽車市場(chǎng)也有相關(guān)的應(yīng)用，例如寶馬的Valvetronic[9-10]、日產(chǎn)的VVEL[11]和現(xiàn)代的CVVL[12]。

雖然CVVL技術(shù)具有一定的節(jié)油潛力，但是其技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，凸輪型線和搖臂型線的確定是難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。本研究在某2.0T汽油機(jī)進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)，解決了凸輪型線設(shè)計(jì)和中間搖臂型線計(jì)算的難點(diǎn)，并對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

1 CVVL機(jī)構(gòu)及型線

1.1 機(jī)構(gòu)原理

本研究設(shè)計(jì)的CVVL機(jī)構(gòu)在原2.0T汽油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一中間搖臂(見圖1)，兩個(gè)機(jī)構(gòu)的氣門相關(guān)參數(shù)完全相同。

圖2示出了CVVL機(jī)構(gòu)的原理。中間搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)由控制機(jī)構(gòu)改變，轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)以氣門搖臂滾輪中心為圓心，以半徑R可向左轉(zhuǎn)動(dòng)。用中間搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)與氣門搖臂滾輪中心的連線與豎直方向的夾角β來(lái)定位轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的位置，不同的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)定位角β對(duì)應(yīng)不同的氣門升程。圖2中實(shí)線的中間搖臂為最大升程位置，虛線為最小升程位置。中間搖臂在回位彈簧的作用下，始終保持與凸輪接觸，凸輪使中間搖臂來(lái)回?cái)[動(dòng)，中間搖臂型線驅(qū)動(dòng)氣門搖臂，進(jìn)而產(chǎn)生氣門升程。

圖1 CVVL機(jī)構(gòu)與2.0T配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖2 CVVL機(jī)構(gòu)原理

氣門升程曲線由凸輪型線、中間搖臂型線共同決定，因此型線設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。根據(jù)該CVVL結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本研究采用設(shè)計(jì)自由度大的分段多形式的方法設(shè)計(jì)了凸輪型線：

L=a0+a1x+ a2x2+ a3x3+ a4x4+ a5x5。

(1)

式中：L為凸輪升程；ai為多項(xiàng)式系數(shù)。

凸輪型線見圖3。凸輪型線的設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證在不同升程下，氣門都具有相同的開啟、落座緩沖段，使氣門開啟、落座速度穩(wěn)定，減小氣門的落座沖擊，保證氣門的使用壽命。

圖3 凸輪型線

為了使氣門達(dá)到目標(biāo)升程曲線的要求，結(jié)合CVVL結(jié)構(gòu)和凸輪型線，用遞推方法計(jì)算了中間搖臂型線，結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯途€具有很好的連續(xù)性。在凸輪的驅(qū)動(dòng)下，中間搖臂型線的升程特性直接決定了氣門升程曲線的特性。

圖4 中間搖臂型線

凸輪型線與搖臂型線確定以后，氣門運(yùn)動(dòng)學(xué)升程特性(見表1)基本與2.0T配氣機(jī)構(gòu)一致，說(shuō)明型線設(shè)計(jì)合理。

表1 CVVL氣門升程特性對(duì)比

2 動(dòng)力學(xué)模型

在GT-Power中建立了該CVVL機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，模型見圖5。輸入凸輪型線及中間搖臂型線，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在回位彈簧作用下，凸輪與滾輪保持接觸(見圖2)，定位夾角依次設(shè)定為5°，6°，7°，8°，9°和10°，6個(gè)不同轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的位置，對(duì)應(yīng)6種不同的氣門升程，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為6 000 r/min。

凸輪的磨損情況一般用接觸應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)，相同材料的線接觸應(yīng)力計(jì)算公式為

(2)

式中：F為凸輪與滾輪的接觸法向力；R1，R2別為凸輪與滾輪在接觸點(diǎn)的曲率半徑；E為材料的彈性模量；w為接觸寬度。

低于12.2米的普通腳手架搭設(shè)僅需專業(yè)腳手架工在腳手架主管監(jiān)督下搭設(shè)、更改及拆除即可，超過(guò)12.2米及其他的特殊腳手架搭設(shè)則需經(jīng)過(guò)阿美批準(zhǔn)的專業(yè)腳手架承包商進(jìn)行。

凸輪與滾輪的接觸寬度通常受到布局和質(zhì)量的限制，其尺寸往往較小。所有構(gòu)件材料均為鋼，常規(guī)鋼與鋼滾動(dòng)接觸時(shí)，其接觸應(yīng)力范圍一般為pmax<1 500 MPa。

圖5 CVVL機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 氣門動(dòng)力學(xué)特性

氣門動(dòng)力學(xué)升程曲線見圖6。所有氣門升程曲線具有很好的光滑性，而且氣門沒有出現(xiàn)反跳現(xiàn)象，表明配氣機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，動(dòng)力學(xué)性能良好。當(dāng)中間搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)定位角增大時(shí)，氣門升程逐步減小，開啟持續(xù)期也相應(yīng)減小。氣門最大升程為9.5 mm，表明該CVVL機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)氣門升程在9.5 mm范圍內(nèi)連續(xù)可變。

隨著氣門升程的減小，氣門開啟時(shí)刻相應(yīng)推遲，為了實(shí)現(xiàn)氣門正時(shí)可控，可加入VVT技術(shù)，實(shí)際產(chǎn)品中通常也是同時(shí)采用可變氣門升程和可變氣門正時(shí)技術(shù)，以適應(yīng)轉(zhuǎn)速變化對(duì)進(jìn)、排氣流通特性的要求[13-14]。

圖6 氣門升程

氣門動(dòng)力學(xué)速度曲線見圖7。所有升程下，氣門都存在相同的緩沖段，氣門落座速度均為0.29 m/s，落座速度相同，從而保證在所有升程下，氣門落座的平穩(wěn)性，說(shuō)明凸輪型線與中間搖臂型線設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。氣門速度曲線在氣門開啟和落座后存在一定波動(dòng)，是由于氣門開啟與落座時(shí)有一定的沖擊，使氣門加速度產(chǎn)生較大波動(dòng)。由圖8可見，氣門速度與加速度曲線有很好的一致性。

圖7 氣門速度

圖8 氣門加速度(最大升程時(shí))

3.2 凸輪與滾輪接觸法向力

氣門升程越大，氣門彈簧力越大；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，配氣機(jī)構(gòu)慣性力越大。因此，只計(jì)算氣門升程為9.5 mm、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)，凸輪與滾輪、中間搖臂與滾輪的接觸法向力與接觸應(yīng)力，用于判斷凸輪的磨損以及是否存在飛脫的情況。

接觸法向力見圖9。F1，F(xiàn)2分別為凸輪與滾輪、中間搖臂與滾輪的接觸法向力。顯然有F1>0，F(xiàn)2>0，因此兩個(gè)接觸點(diǎn)沒有出現(xiàn)飛脫的情況；法向力走向與氣門加速度基本一致，因?yàn)榕錃鈾C(jī)構(gòu)在高速狀態(tài)時(shí)，慣性力占主導(dǎo)地位。最大接觸法向力分別為1 312 N，2 276 N，F(xiàn)1整體比F2大，是由于中間搖臂存在一定的搖臂比，加上回位彈簧彈力及中間搖臂慣性力，3個(gè)因素疊加使F1增大，說(shuō)明CVVL從結(jié)構(gòu)上決定了F1比F2大，優(yōu)化空間較小。

圖9 接觸法向力

3.3 凸輪與滾輪接觸應(yīng)力

接觸應(yīng)力見圖10，p1，p2分別為凸輪與滾輪、中間搖臂與滾輪的接觸應(yīng)力。由圖可見p1>0，p2>0，進(jìn)一步說(shuō)明接觸部位沒有出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，其中p2變化比較平穩(wěn)，沒有突變，最大值為656 MPa，在材料的許用范圍內(nèi)。p1存在兩個(gè)較大的峰值，與F1趨勢(shì)一致，均出現(xiàn)在氣門加速段，其最大值為1 322 MPa，在材料的許用應(yīng)力邊沿，接觸應(yīng)力偏大。

圖10 接觸應(yīng)力

由式(2)可知，當(dāng)材料選定、接觸寬度不變時(shí)，接觸應(yīng)力p1與法向力F1成正向關(guān)系，與凸輪曲率半徑R1成反向關(guān)系。由圖11可見，最大接觸法向力與最大曲率半徑相錯(cuò)開，使氣門加速段所對(duì)應(yīng)的凸輪型線段的曲率半徑較小，從而導(dǎo)致p1出現(xiàn)兩個(gè)較大峰值。在周期性較大接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，將引起兩個(gè)工作表面出現(xiàn)較快的磨損，降低凸輪的使用壽命。動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果說(shuō)明，該機(jī)構(gòu)還需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以降低凸輪與滾輪的接觸應(yīng)力。

研究發(fā)現(xiàn)[15]，通過(guò)增加一個(gè)搖臂來(lái)實(shí)現(xiàn)氣門升程的連續(xù)可變，是一種比較常用的方法，但這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致凸輪與滾輪接觸法向力增大；由于受到接觸寬度和曲率半徑的限制，相應(yīng)的接觸應(yīng)力也會(huì)增大。這是此類CVVL機(jī)構(gòu)共同存在的問題，需要優(yōu)化中間搖臂的結(jié)構(gòu)來(lái)減小其搖臂比，但是這種方法的優(yōu)化空間較小，可能還需要結(jié)合材料選用以及熱處理工藝，共同尋找解決方案。

圖11 凸輪曲率半徑與法向力

4 結(jié)論

a) 設(shè)計(jì)的CVVL機(jī)構(gòu)的氣門升程可在0～9.5 mm連續(xù)可變，氣門沒有出現(xiàn)反跳，動(dòng)力學(xué)性能良好；

b) 設(shè)計(jì)的凸輪型線及計(jì)算的中間搖臂型線滿足氣門升程要求，且在所有氣門升程下，氣門落座速度均為0.29 m/s，氣門具有相同的開啟和落座緩沖段；

c) 凸輪與滾輪最大接觸應(yīng)力為1 322 MPa，略大于1 300 MPa，分析了應(yīng)力較大的原因，并指出此類CVVL機(jī)構(gòu)接觸應(yīng)力的優(yōu)化方向。

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[編輯： 姜曉博]

Dynamic Simulation of Continuous Variable Valve Lift Mechanism

ZHANG Zonglan1， XIONG Rui1， WU Jian1,2， ZHOU Xin1， ZENG Enshan1

(1. School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China；2. Automotive Engineering Institute， GAC， Guangzhou 510640， China)

A continuous variable valve lift (CVVL) mechanism was designed and the valve lift could be adjusted in 0～9.5 mm. The cam profile and middle rocker profile for CVVL mechanism were designed and calculated. The dynamic simulation was carried out for the mechanism by using GT-Power. The results showed that the valve had the same buffer zone for opening and closing within the largest lift and had good dynamic performance. However, the contact stress between cam and roller was a little large. The reason for the large contact stress was analyzed and the optimization strategy was pointed out.

continuous variable valve lift(CVVL)； cam profile； dynamics； simulation

2015-09-05；

2015-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405087)

張宗瀾(1986—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)槠嚬?jié)能與排放控制；13760720078@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.006

TK413.43

B

1001-2222(2016)01-0033-04