發(fā)動機配氣機構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性及可靠性新技術(shù)：凸輪型線DoE優(yōu)化設(shè)計

凌紅芳，羅文水，許瑩瑩

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640)

發(fā)動機配氣機構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性及可靠性新技術(shù)：凸輪型線DoE優(yōu)化設(shè)計

凌紅芳，羅文水，許瑩瑩

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640)

汽車發(fā)動機作為汽車的核心部件，其環(huán)境適應(yīng)性及可靠性尤為重要。本文應(yīng)用先進的DoE理論，基于EXCITE Timing Drive模型，對國內(nèi)某款1.6L VCT汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)凸輪型線進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性及可靠性有了顯著提升。

發(fā)動機優(yōu)化；凸輪型線；試驗設(shè)計；環(huán)境適應(yīng)性；可靠性

引言

汽車發(fā)動機技術(shù)是衡量主機廠是否具有自主研發(fā)能力的關(guān)鍵核心技術(shù)。其工作環(huán)境異常惡劣，如何提高發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)能力，改善發(fā)動機工作工況，增長發(fā)動機壽命，成為個大主機廠爭相研究的主題。

配氣機構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，配氣機構(gòu)性能的好壞直接影響到發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)性（經(jīng)濟性、動力性、排放特性）及可靠性，并對發(fā)動機的噪聲與振動產(chǎn)生直接影響。優(yōu)化配氣機構(gòu)的力學(xué)性能（動力學(xué)及運動學(xué)特性）對提升整機性能，提高發(fā)動機對環(huán)境的適應(yīng)能力十分關(guān)鍵。近年來隨著發(fā)動機技術(shù)的高速發(fā)展，其性能要求日益嚴(yán)苛：整機必須在各種復(fù)雜環(huán)境中平穩(wěn)、可靠地運行，這對配氣機構(gòu)的力學(xué)特性提出了更高的要求。

為了在日新月異的汽車市場中占有一席之地，各大汽車公司必須在有限的時間內(nèi)推出高質(zhì)量的產(chǎn)品，而提高了動機的環(huán)境適應(yīng)性才能確保其能在各種工況下工作，性能穩(wěn)定，質(zhì)量才能體現(xiàn)。此時DoE技術(shù)不可避免地成為當(dāng)代汽車設(shè)計中必不可少的工具。DoE技術(shù)不僅能夠呈現(xiàn)出參數(shù)間的相互關(guān)系，有效進行優(yōu)化設(shè)計，還能大幅節(jié)省實驗室階段研發(fā)費用，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性。

DoE技術(shù)在發(fā)動機設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋、凸輪應(yīng)力、冷起動排放控制、進排氣門設(shè)計、可變配氣機構(gòu)的優(yōu)化等。在發(fā)動機設(shè)計時采用DoE技術(shù)不僅能夠提高產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性，還能降低成本的同時縮短新產(chǎn)品投放市場的周期，對于中國企業(yè)自主研發(fā)能力的提升十分關(guān)鍵。

本文優(yōu)化目標(biāo)為最大凸輪接觸應(yīng)力、最大躍度及豐滿系數(shù)。最大躍度及豐滿系數(shù)，對發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)能力十分重要，最大凸輪接觸應(yīng)力對發(fā)動機的可靠性十分關(guān)鍵。

1.動機配氣機構(gòu)模型的建立

根據(jù)某企業(yè)1.6L VCT發(fā)動機配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)特征，在Excite Timing Drive中建立模型如圖1和圖2所示。

此運動學(xué)模型包括六個模塊，分別為凸輪型線、潤滑單元、液壓挺柱、氣門桿、氣門閥面和氣門彈簧。

此動力學(xué)模型包括十個模塊，分別為旋轉(zhuǎn)激勵、凸輪軸、徑向軸承、相位單元、凸輪型線、潤滑單元、液壓挺柱、氣門桿、氣門閥面和氣門彈簧。

2.k析因設(shè)計

2.1.點方案設(shè)計及仿真試驗

仿真試驗分析p、q、r、s、C4及半包角對最大凸輪接觸應(yīng)力、最大躍度及豐滿系數(shù)的影響，要求：

1） 0.1 < C4< 0.4

2） 8≤p < q < r < s≤60，且均為偶數(shù)

3） 59 (°CA)≤半包角≤ 64 (°CA)

根據(jù)2k析因法取各因素最高、最低水平需進行26共計64次仿真試驗，按照布點進行仿真試驗。

2.2.感性分析

如最大躍度方差分析表1所示，r、s的t檢驗顯著性系數(shù)Sig值并不小于0.05，即r、s對最大躍度的影響不顯著；而p值的F檢驗回歸系數(shù)F值最大，因而根據(jù)方差分析p值對最大躍度的影響最為顯著。

如最大凸輪接觸應(yīng)力方差分析表2所示，只有p的t檢驗顯著性系數(shù)Sig值小于0.05，即涉列的6個參數(shù)中僅p值對最大凸輪接觸應(yīng)力的影響顯著。

表2 最大凸輪接觸應(yīng)力方差分析表

如豐滿系數(shù)方差分析表3所示，只有半包角的t檢驗顯著性系數(shù)Sig值不小于0.05，即涉列的6個參數(shù)中僅半包角對豐滿系數(shù)的影響不顯著；而p值的F檢驗回歸系數(shù)F值最大，因而根據(jù)方差分析p值對豐滿系數(shù)的影響最為顯著。

在p、q、r、s、C4及半包角6個參數(shù)中，p值對最大躍度、最大凸輪接觸應(yīng)力及豐滿系數(shù)的影響最為顯著，應(yīng)重點分析。

3.輪應(yīng)力優(yōu)化

3.1.點方案設(shè)計及仿真試驗結(jié)果

仿真試驗布點應(yīng)選取具備統(tǒng)計意義的各參數(shù)最大值點、最小值點、上1/4分位點、下1/4分位點及中點作為仿真試驗布點?？紤]到半包角及C4對目標(biāo)參數(shù)影響呈線性，為使建模更為準(zhǔn)確，重點研究半包角為62°CA，C4為0.1時p、q、r及s對最大凸輪接觸應(yīng)力、最大躍度及豐滿系數(shù)的影響，按照布點方案進行仿真試驗。

表3 豐滿系數(shù)方差分析表

3.2.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s對最大躍度的SPSS優(yōu)化分析

經(jīng)初步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)最大躍度隨p、q、r、s的變化趨勢呈現(xiàn)出一致性，即最大躍度值隨p、q、r、s值的增加嚴(yán)格遞增，為體現(xiàn)這一規(guī)律并體現(xiàn)p、q、r、s的共同作用規(guī)律選擇p+q+r+s及p*q*r*s作為影響參數(shù)重點分析。

3.2.1.+q+r+s對最大躍度的影響

如表4所示，SPSS提供的11種常用擬合函數(shù)中Cubic函數(shù)對數(shù)據(jù)擬合程度最高，選擇Cubic函數(shù)建立回歸方程。

根據(jù)圖3中Cubic函數(shù)參數(shù)估計值寫出回歸方程：Y= 348.706-2.473x-0.016x2， 調(diào) 用 Mathematica解 方 程得Y<1000 mm/rad3時，x<138.77，即p+q+r+s取值小于138.77時最大躍度值不超過1000 mm/rad3。由于8 < p

表4 p+q+r+s 最大躍度SPSS曲線分析總表

3.2.2.*q*r*s對最大躍度的影響

如表5所示，SPSS提供的11種常用擬合函數(shù)中Cubic函數(shù)對數(shù)據(jù)擬合程度最高，選擇Cubic函數(shù)建立回歸方程。

根據(jù)圖4中Cubic函數(shù)參數(shù)估計值寫出回歸方程：Y= 408.053+0.001x-1.3*10-10x2+6.63*10-18x3， 調(diào) 用Mathematica解方程得Y<1000 mm/rad3時，x<644109.0，即p*q*r*s取值小于644109.0時最大躍度值不會超過1000 mm/rad3。由于 8 < p < q < r < s < 60，且 p、q、r、s均為偶數(shù)，為使最大躍度值不超過1000 mm/rad3，p的取值應(yīng)小于24。

3.3.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s對豐滿系數(shù)的SPSS優(yōu)化分析

經(jīng)初步數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)豐滿系數(shù)隨p、q、r、s的變化趨勢呈現(xiàn)出一致性，即豐滿系數(shù)值隨p、q、r、s值的增加嚴(yán)格遞增，為體現(xiàn)這一規(guī)律并體現(xiàn)p、q、r、s共同作用規(guī)律選擇p+q+r+s及p*q*r*s作為影響參數(shù)重點分析。

3.3.1.+q+r+s對豐滿系數(shù)的影響，如表6所示，SPSS提供的11種常用擬合函數(shù)中Cubic函數(shù)對數(shù)據(jù)擬合程度最高，選擇Cubic函數(shù)建立回歸方程。

根據(jù)圖5中Cubic函數(shù)參數(shù)估計值寫出回歸方程：Y= 0.443+0.001x+9.01*10-7x2-7.1*10-9x3， 調(diào)用Mathematica解方程得Y > 0.55時，x > 105.23，即p+q+r+s取值大于105.23時豐滿系數(shù)值不低于0.55，且p+q+r+s取值越大豐滿系數(shù)值亦越大。

3.3.2.*q*r*s對豐滿系數(shù)的影響

如表7所示，SPSS提供的11種常用擬合函數(shù)中Power函數(shù)對數(shù)據(jù)擬合程度最高，選擇Power函數(shù)建立回歸方程。

根據(jù)圖6中Power函數(shù)參數(shù)估計值寫出回歸方程：Y=0.335x0.038， 調(diào)用Mathematica解方程得Y>0.55時，x>241517.0，即p*q*r*s取值大于241517.0時豐滿系數(shù)值不低于0.55，且p*q*r*s取值越大豐滿系數(shù)值亦越大。

3.4.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s對最大凸輪接觸應(yīng)力的SPSS優(yōu)化分析

仿真試驗數(shù)據(jù)SPSS分析得出以下結(jié)論：

1） 仿真試驗數(shù)據(jù)顯示，最大凸輪接觸應(yīng)力隨p、q、r及s值的增大而減小為使最大凸輪接觸應(yīng)力值小，p、q、r及s取值應(yīng)盡可能較大。

2） p、q、r及s值相差增大時最大凸輪接觸應(yīng)力增大，為使最大凸輪接觸應(yīng)力值小p、q、r及s取值應(yīng)盡可能最小差距。

3.5.于EXCITE Timing Drive模型的凸輪應(yīng)力多目標(biāo)SPSS優(yōu)化結(jié)果

基于EXCITE Timing Drive模型的凸輪型線多目標(biāo)SPSS優(yōu)化分析得出4點結(jié)論：

在p、q、r、s、C4及半包角6個參數(shù)中，p值對最大躍度、最大凸輪接觸應(yīng)力及豐滿系數(shù)的影響最為顯著。

為同時滿足最大躍度及豐滿系數(shù)要求p、q、r、及s的取值范圍應(yīng)為 241517.0 < p*q*r*s < 644109.0，即p的取值范圍為18 < p < 24。

由于豐滿系數(shù)取值對充氣效率影響較大，多目標(biāo)優(yōu)化時應(yīng)保證最大躍度不超過1000 mm/rad3同時使豐滿系數(shù)盡可能最大，即p取值應(yīng)盡可能接近理論最大值24。

由于最大凸輪接觸應(yīng)力隨p、q、r、s值的增大而減小，應(yīng)使p的取值盡可能接近理論最大值24并使p、q、r、s之間差值較小從而獲得較小的最大凸輪接觸應(yīng)力。

綜合以上四點結(jié)論，最大凸輪接觸應(yīng)力、最大躍度及豐滿系數(shù)的最優(yōu)p、q、r、s取值方案及仿真試驗結(jié)果如表8中所示。

新豐滿系數(shù)值的減小是受最大躍度值的限制，如將最大躍度放大至原水平（1469 mm/rad3），經(jīng)優(yōu)化后，豐滿系數(shù)提升0.22%。最大凸輪接觸應(yīng)力能夠減小40.4%。從優(yōu)化數(shù)據(jù)來看，原模型已經(jīng)接近最大躍度值為1469 mm/rad3時的理論最大豐滿系數(shù)，不存在大幅提升空間，而最大凸輪接觸應(yīng)力存在較大縮減空間。

4.論

凸輪型線力學(xué)性能（動力學(xué)、運動學(xué)特性）的提升，對于優(yōu)化配氣機構(gòu)及發(fā)動機的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性具有十分重要的指導(dǎo)意義。本文研究結(jié)果表明：

1）在p、q、r、s、C4及半包角6個參數(shù)中，p值對最大躍度、最大凸輪接觸應(yīng)力及豐滿系數(shù)的影響最顯著。

2）由于豐滿系數(shù)的取值對充氣效率影響較大，多目標(biāo)優(yōu)化時應(yīng)保證最大躍度不超過1000 mm/rad3的同時使豐滿系數(shù)盡可能最大，即p的取值應(yīng)盡可能接近理論最大值24。

表8.、q、r、s取值方案及仿真試驗結(jié)果

3）由于最大凸輪接觸應(yīng)力隨p、q、r、s值的增大而減小，應(yīng)使p的取值盡可能接近理論最大值24并使p、q、r、s之間差值較小從而獲得較小的最大凸輪接觸應(yīng)力。

4）DoE技術(shù)不僅能夠大幅縮減試驗樣本容量節(jié)省試驗經(jīng)費及時間，亦能夠達到理想的優(yōu)化效果，即豐滿系數(shù)提升0.22% 最大凸輪接觸應(yīng)力能夠減小40.4%。大大的提高了發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性。

豐滿系數(shù)的提升及凸輪接觸應(yīng)力的降低對于提升凸輪型線的動力學(xué)運動學(xué)特性十分關(guān)鍵，對于提升整機的環(huán)境適應(yīng)能力及可靠性具有十分重要的價值和意義。

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The Environmental Worthiness and Reliability New Technology of Vehicle Engine Valve Train: the Cam Prof i le DoE Optimization Design

LING Hong-fang，LUO Wen-shui，XU Ying-ying
（Guangzhou Automobile Group CO., LTD Automotive Engineering Institute，Guangzhou 510640）

The enviromenttal worthiness and reliability of the engine which is the key part of the vehicle is very important.This paper applied Advanced DoE theory which base on EXCITE Timing Drive model to the optimization design of domestic 1.6L VCT gasoline engine valve train cam profile. The result show that engine Environmental worthiness and reliability have a remarkably improvement after the optimization.

engine optimization；cam profile；test design；enviromenttal worthiness；reliability

TK421

A

1004-7204（2012）03-0039-06

凌紅芳、出生年月：1984.1、性別：女，籍貫：廣西宜州、民族：漢、職稱：工程師，所獲學(xué)位：學(xué)士，目前主要從事整車集成工作，研究整車總布置。