發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙（機(jī)械式挺桿）測(cè)量與應(yīng)用

王 印

(上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工廠設(shè)備管理科，廣西柳州545007)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙，是為保證發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)正常工作而設(shè)置的。若氣門間隙過大，氣門機(jī)構(gòu)將遲開早閉，不但使氣門的開啟時(shí)間縮短，還會(huì)造成進(jìn)氣不足、排氣不暢并發(fā)出氣門敲擊異聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞，造成氣門件的裂紋甚至斷裂；氣門間隙偏小時(shí)，會(huì)使氣門機(jī)構(gòu)早開晚閉，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高后，零件受膨脹自然伸長(zhǎng)而自動(dòng)頂開氣門，使氣門與氣門座關(guān)閉不嚴(yán)而引起漏氣，從而造成汽缸內(nèi)壓縮壓力下降并引發(fā)化油器回火，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因燃燒不完全使氣門大量積炭，并在強(qiáng)大的廢氣流的沖刷下，最終形成氣門桿盤部燒蝕[2]。因此，準(zhǔn)確的氣門間隙，在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中十分重要。

但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種不同氣門機(jī)構(gòu)層出不窮，故對(duì)氣門間隙的要求也不同。有的發(fā)動(dòng)機(jī)給出冷態(tài)間隙，有的給出熱態(tài)間隙，還有的同時(shí)給出冷熱態(tài)間隙。然而氣門間隙的大小，目前廠家主要依靠經(jīng)驗(yàn)方法決定，這便容易造成氣門間隙的不準(zhǔn)確性與不穩(wěn)定性。本文將介紹一種低成本、精確度高、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙（機(jī)械式挺桿）測(cè)量系統(tǒng)。

1 氣門間隙測(cè)量的數(shù)學(xué)模型

因?yàn)闅忾T機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、使用頻繁、部件間的配合精度高、在凸輪軸工作時(shí)凸輪軸在軸承孔中的位置又不可確定等諸多因素的存在，所以為了精確的測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙，以選擇合適的機(jī)械挺桿進(jìn)行裝配，我們先對(duì)凸輪軸的運(yùn)行位置進(jìn)行同軸度假定，假定凸輪軸在軸孔中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)保證同軸。

圖1 氣門間隙測(cè)量數(shù)學(xué)模型

建立如下數(shù)學(xué)模型（圖1）。

在此模型中，通過測(cè)量三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：A1、A2、B1，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的理論間隙值Ec及測(cè)量系統(tǒng)的補(bǔ)償量F，便可計(jì)算出精確的氣門間隙值Gap及應(yīng)選配的挺桿厚度T。

2 氣門間隙精確計(jì)算理論依據(jù)

氣門間隙的計(jì)算是沿著氣門座密封帶起，經(jīng)氣門頭、氣門體、搖臂、搖臂軸到缸蓋，再回到氣門座構(gòu)成一個(gè)封閉型熱膨脹環(huán)來進(jìn)行計(jì)算。由氣門體在發(fā)動(dòng)機(jī)最高熱狀態(tài)時(shí)與常溫狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的熱膨脹與其余各項(xiàng)對(duì)應(yīng)的熱膨脹量之差值，得出氣門冷態(tài)間隙值Δ[4]。

式中，

α1為氣門材料的熱膨脹系數(shù)；

αi為搖臂、搖臂軸以及缸蓋對(duì)應(yīng)材料的線性熱膨脹系數(shù)；

Δ1為氣門體的熱膨脹量；

Δ2為構(gòu)成封閉熱膨脹環(huán)的其余各項(xiàng)的熱膨脹量；

ΔT（l）為氣門體的溫度分布規(guī)律[1]。

3 氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)基于PC-DAQ的構(gòu)成方式，主要由5部分組成：PC機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)，信號(hào)調(diào)理模塊，A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器；此外，還配備了伺服電機(jī)及控制器為測(cè)量臺(tái)架的精確定位，24 V的恒流源為各個(gè)傳感器提供所必須的電壓或電流。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如下（圖2）。

圖2 氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 距離/溫度/光電傳感器

距離傳感器是一種模擬量信號(hào)傳感器，一張數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）最多可支持64支類似傳感器。目前現(xiàn)有差動(dòng)變壓器式距離傳感器、半橋式距離傳感器、應(yīng)變片式距離傳感器，功能主要是通過接觸式感應(yīng)變換所得被測(cè)工件的尺寸。本測(cè)量系統(tǒng)采用了差動(dòng)變壓器式距離傳感器，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜。

溫度傳感器有工件溫度傳感器與環(huán)境溫度傳感器之分。主要作用是以補(bǔ)償溫度漂移造成的測(cè)量偏差（用戶可根據(jù)測(cè)量工況及被測(cè)工件狀態(tài)，進(jìn)行自主選擇安裝）。本系統(tǒng)僅僅采用了環(huán)境溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量偏差補(bǔ)償。

光電傳感器的種類有很多，作用也有很多種。本測(cè)量系統(tǒng)中采用的SICK光電傳感器的主要作用，是通過光電反射原理進(jìn)行工件狀態(tài)判別、通過光電傳感器辨識(shí)出不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，以達(dá)到自動(dòng)選用不同的測(cè)量程序或校零程序運(yùn)行的目的。

3.2 伺服控制器

本測(cè)量系統(tǒng)采用了FANUC的伺服電機(jī)與伺服控制系統(tǒng)。主要作用是幫助測(cè)量臺(tái)架與各類測(cè)量傳感器進(jìn)行測(cè)量前的精確定位。同時(shí)通過測(cè)量軟件的反饋值，辨識(shí)測(cè)量臺(tái)架及傳感器的空間位置。

4 氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)及模塊化編程的基本思路。自頂而下的把軟件從整體到層面，從層面到模塊，層層細(xì)分，再分析各層面、各功能模塊之間的關(guān)系。為了體現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，在具體編程時(shí)，按照設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)，將每個(gè)功能模塊或子程序編制成一個(gè)結(jié)構(gòu)完整、相對(duì)獨(dú)立的程序段，即一個(gè)可獨(dú)立調(diào)用的程序模塊。然后在主體程序中進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)用。采用這種結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)以后的測(cè)量項(xiàng)目擴(kuò)充、功能修改提供方便。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

部分主要功能模塊說明如下。

4.1 數(shù)據(jù)采集

使用簡(jiǎn)單緩存技術(shù)采集測(cè)量信號(hào)時(shí)域波形。使用簡(jiǎn)單緩存技術(shù)進(jìn)行模擬輸入時(shí)，LabView按系統(tǒng)設(shè)定的采樣數(shù)和采樣的信道數(shù)，在內(nèi)存中分配一塊緩存數(shù)據(jù)。緩存區(qū)的大小等于每信道采樣數(shù)乘以信道數(shù)[5]。數(shù)據(jù)采集設(shè)備按照程序中指定的采樣數(shù)采集信號(hào)，數(shù)據(jù)被傳遞到緩存區(qū)內(nèi)。采集到整個(gè)樣本后，緩存區(qū)被數(shù)據(jù)填滿，然后LabView在程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)及顯示。

4.2 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波器的完整指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)包括幅度特性、相位特性和瞬態(tài)特性。但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于要求數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性、因果性，而且要簡(jiǎn)單，因此本測(cè)量系統(tǒng)使用的是巴特沃斯濾波器，其截止頻率可由用戶自行設(shè)定。巴特沃斯濾波器擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截?cái)囝l率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。

4.3 動(dòng)/靜態(tài)數(shù)據(jù)

靜態(tài)數(shù)據(jù)，是指被測(cè)工件在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，傳感器所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)，一般為穩(wěn)定的靜態(tài)值，在經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)直接參與數(shù)據(jù)變換與配組。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，是指被測(cè)工作在動(dòng)態(tài)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，傳感器隨著工件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量收集數(shù)據(jù)，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集足夠的數(shù)據(jù)樣本（采集樣本時(shí)間、樣本數(shù)可由用戶自定義），所采集的樣本在經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，去掉上下限以外的所有樣本值（上下限可由用戶自定義），在獲得足夠的有效樣本值后，再進(jìn)入數(shù)據(jù)變換與配組。

4.4 數(shù)據(jù)變換與配組

數(shù)據(jù)變換與配組，主要是動(dòng)/靜態(tài)數(shù)據(jù)在經(jīng)過處理后，依據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，將傳感器的測(cè)量值與理論間隙進(jìn)行對(duì)比，在進(jìn)行數(shù)據(jù)配對(duì)之前，對(duì)機(jī)械挺桿的不同厚度進(jìn)行分級(jí)，將在同一個(gè)公差尺寸帶之內(nèi)的挺桿，劃分為同一個(gè)級(jí)別組（此公差尺寸帶與組別可由用戶自定義）。通過分析計(jì)算每一個(gè)所測(cè)得的實(shí)際間隙值和用戶設(shè)定的機(jī)械挺桿組別，最終配組告訴用戶每一個(gè)氣門的間隙尺寸及所需安裝挺桿的厚度組別。

5 氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性，我們以一臺(tái)B系列直列四缸雙頂置凸輪16氣門發(fā)動(dòng)機(jī)為例。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，我們對(duì)機(jī)械挺桿的厚度進(jìn)行了分組，確定機(jī)械式挺桿的厚度為3.12～3.29 mm，厚度差每間隔0.02 mm歸分為一個(gè)組級(jí)，共計(jì)為類40個(gè)等級(jí)。依據(jù)缸蓋、缸體材質(zhì)等計(jì)算其冷態(tài)理論間隙為：進(jìn)氣側(cè)冷態(tài)氣門理論間隙為（0.1±0.02）mm[3]；排氣側(cè)氣門冷態(tài)理論間隙為（0.25±0.02）mm[3]；進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙測(cè)量和機(jī)械挺桿分組選配試驗(yàn)，得出了準(zhǔn)確的氣門間隙值與實(shí)際氣門間隙相匹配的機(jī)械挺桿組別（如圖4所示）。

其測(cè)量結(jié)果，準(zhǔn)確顯示了氣門間隙的實(shí)際值，并為機(jī)械式挺桿的選配和安裝提供了依據(jù)。

圖4 氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行界面

5 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門間隙，是影響其性能的重要參數(shù)，也是日常維修和保養(yǎng)時(shí)經(jīng)常要接觸到的技術(shù)參數(shù)。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)能發(fā)出應(yīng)有的功率和具有較長(zhǎng)的壽命，正確地控制氣門間隙大小，并使其在合理的范圍內(nèi)工作，是非常重要的。本文提出的氣門間隙測(cè)量系統(tǒng)，可以完全替代原始的塞尺測(cè)量，并且極大提高了準(zhǔn)確率。亦為發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配、調(diào)整及維護(hù)提出了有益的參考依據(jù)。同時(shí)本系統(tǒng)功能全面，既可以自動(dòng)測(cè)量，也可以半自動(dòng)測(cè)量，還同時(shí)具有良好的可擴(kuò)充性和較高的性價(jià)比。

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