發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)

摘 要：文章主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了介紹，并指出其技術(shù)難點(diǎn)，還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)的市場前景做出了展望，希望可以為相關(guān)人員提供幫助。

關(guān)鍵詞：凸輪軸；發(fā)動(dòng)機(jī)；工作原理

1 系統(tǒng)介紹

凸輪軸是內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)重要部件，它的主要作用是控制氣門的開啟和閉合。傳統(tǒng)的凸輪軸通常采用冷激鑄鐵或鍛造的方式制造毛坯，然后采用車削和磨削的方式加工而成。另外一種方式是裝配式凸輪軸，是采用壓裝的方式將凸輪片、信號(hào)輪等各種組件裝到鋼管上，然后采用與鑄造或鍛造凸輪軸類似的加工工藝加工而成?；瑒?dòng)式凸輪軸是一種新型的凸輪軸設(shè)計(jì)，它能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載調(diào)整氣門升程以及關(guān)閉氣門，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省燃油的目的。該技術(shù)的最大優(yōu)勢是節(jié)省燃油，測試結(jié)果顯示，使用滑動(dòng)式凸輪軸可以節(jié)省約8%的燃油消耗，如果增加了停缸功能，則油耗節(jié)省將更加明顯。

2 凸輪軸系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理

滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)由兩部分組成，一個(gè)是機(jī)械部分，即滑動(dòng)式凸輪軸。另外一部分是電磁驅(qū)動(dòng)器。滑動(dòng)式凸輪軸是由中間的芯軸、凸輪塊及其他連接部件組成。凸輪塊和芯軸是采用花鍵連接，凸輪塊可以在芯軸上滑動(dòng)。一個(gè)凸輪塊上有兩組凸輪，每組凸輪上各有一個(gè)高角度凸輪和一個(gè)低角度凸輪。在凸輪塊的兩端各有一個(gè)螺旋溝槽，如圖1所示。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速或低載工況下運(yùn)行時(shí)，低角度凸輪與氣門挺桿結(jié)合，氣門處于低升程狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高負(fù)荷時(shí)，如重載或加速時(shí)，汽車ECU會(huì)發(fā)送信號(hào)給電磁驅(qū)動(dòng)器，電磁驅(qū)動(dòng)器中的金屬銷彈出，插入凸輪塊上的螺旋溝槽中。凸輪塊在旋轉(zhuǎn)過程中，凸輪塊在電磁驅(qū)動(dòng)器插銷的推動(dòng)下，切換到高角度凸輪上，增大了氣門的升程，這樣就能提供給燃燒室最佳的進(jìn)氣流量和進(jìn)氣流速，實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出，滿足車輛的加速或重載要求。同樣的工作原理，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于部分負(fù)荷時(shí)，為了追求發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)油性能，電磁驅(qū)動(dòng)器會(huì)將凸輪塊推到低角度凸輪側(cè)，從而減少氣門升程，減少功耗和燃油消耗。

滑動(dòng)式凸輪軸通過變形設(shè)計(jì)，可以和發(fā)動(dòng)機(jī)停缸技術(shù)結(jié)合起來。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于部分負(fù)載狀態(tài)下時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器可以將凸輪塊推到零升程位，即軸頸位置，這時(shí)氣門停止運(yùn)動(dòng)，ECU發(fā)出指令讓噴油嘴停止噴油，發(fā)動(dòng)機(jī)停止點(diǎn)火，汽缸停缸。使用該系統(tǒng)，四缸機(jī)可以實(shí)現(xiàn)兩缸、三缸和四缸運(yùn)行，從而大大節(jié)省在怠速工況下的燃油節(jié)省，但如果要實(shí)現(xiàn)單數(shù)缸運(yùn)行，為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，需要配上平衡軸系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)在雙數(shù)缸運(yùn)行時(shí)的離合裝置。另外，為了防止凸輪塊在芯軸上的軸向竄動(dòng)，在芯軸上還設(shè)計(jì)了一個(gè)鎖止機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

這個(gè)鎖止機(jī)構(gòu)是在芯軸內(nèi)裝了一個(gè)彈簧加載鋼球，用于在部分負(fù)載和全負(fù)載位置給凸輪塊定位。

3 技術(shù)難點(diǎn)

第一，滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)量小，但難點(diǎn)在系統(tǒng)集成，需要在防發(fā)動(dòng)機(jī)ECU上集成一個(gè)控制模塊，并根據(jù)車輛開發(fā)的場景假設(shè)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。

第二，電磁驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間要極其快速而精確，要求從接收到指令到插銷插入螺旋溝槽的時(shí)間要低于10ms，完成整個(gè)升程切換的時(shí)間要低于20ms，圖3為電磁驅(qū)動(dòng)器的工作原理圖。

螺旋溝槽（剖面圖）綠色部分是電磁驅(qū)動(dòng)器銷軸安全插入?yún)^(qū)；銷軸必須在這段區(qū)域內(nèi)完成銷軸入槽，否則將可能插不入槽，甚至發(fā)生撞擊，從而損壞電磁驅(qū)動(dòng)器。銷軸在安全區(qū)域插入螺旋溝槽后，將在芯軸的旋轉(zhuǎn)作用下推動(dòng)滑動(dòng)塊在軸向移動(dòng)，完成高低角度凸輪的切換。圖中粉紅區(qū)域就是凸輪塊的滑動(dòng)區(qū)域，高低角度凸輪的須在這段時(shí)間內(nèi)完成。白色區(qū)域是螺旋溝槽將電磁驅(qū)動(dòng)器銷軸頂回原位的區(qū)域。這時(shí)電磁驅(qū)動(dòng)器銷軸在內(nèi)部彈簧和永磁鐵的雙重作用下，將銷軸保持在原位，不至于在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和車輛顛簸時(shí)，掉下來發(fā)生意外。

第三，花鍵槽的加工和凸輪塊的機(jī)加，關(guān)鍵尺寸要求加工精度達(dá)到微米級(jí)，如凸輪型線加工、花鍵和花鍵槽的機(jī)加工。鎖止機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是一個(gè)難點(diǎn)，需要特別注意。

第四，因滑動(dòng)式凸輪軸要在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下完成高低角度凸輪的切換，而且切換速度非常快，還有鎖止機(jī)構(gòu)參與，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)或制造精度不夠?qū)⒖赡墚a(chǎn)生NVH問題，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)集成時(shí)予以特別關(guān)注。

4 市場應(yīng)用及競爭的技術(shù)路線

奧迪和大眾從2006年開始量產(chǎn)他們的第一代滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)（AVS），當(dāng)前使用該滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)年產(chǎn)量已經(jīng)超過100萬臺(tái)；奧迪和大眾在2012年量產(chǎn)了第二代帶停缸功能的滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)，現(xiàn)在正在開發(fā)第三代“可變升程+停缸技術(shù)”的滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在2016年前后量產(chǎn)。

戴姆勒公司也已量產(chǎn)了類似的滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)。其他廠家如福特、通用和PSA等對(duì)該技術(shù)也表現(xiàn)出濃厚的興趣。世界上很多汽車廠商都有自己的可變升程系統(tǒng)，本田采用的系統(tǒng)是i-vtec，該技術(shù)利用一個(gè)銷子來鎖住或脫開第三根搖臂和第三個(gè)凸輪來實(shí)現(xiàn)變升程的目的。寶馬公司的Valvetronic系統(tǒng)在傳統(tǒng)的配氣相位機(jī)構(gòu)上增加了一根偏心軸，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和中間推桿等部件，該系統(tǒng)借由步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，再在一系列機(jī)械傳動(dòng)后很巧妙的改變了進(jìn)氣門升程的大小。

5 滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)的市場前景

滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)構(gòu)的變化主要在凸輪軸上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的改動(dòng)不大。最大的挑戰(zhàn)在系統(tǒng)集成上，主機(jī)廠必須具備該系統(tǒng)的集成能力，以發(fā)揮該系統(tǒng)的節(jié)油優(yōu)勢。當(dāng)前該技術(shù)在大眾和奧迪的發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，會(huì)逐漸成為他們發(fā)動(dòng)機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。戴姆勒采用類似技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)也已量產(chǎn)，其他廠家如福特、通用和PSA等對(duì)該技術(shù)也表現(xiàn)出濃厚的興趣，市場前景廣闊。

同時(shí)我們也需要看到，混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車及氫燃料電池汽車技術(shù)也正在日趨成熟，一旦在動(dòng)力電池和氫燃料電池的技術(shù)和成本上獲得突破性進(jìn)展，則發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車中的核心地位將被大大減弱，主機(jī)廠將不會(huì)花更多的人力、物力和資本在滑動(dòng)式凸輪軸技術(shù)的研發(fā)上。不過，根據(jù)當(dāng)前的市場分析，未來二十年內(nèi)，裝備有內(nèi)燃機(jī)的汽車仍然是市場的主流。真正對(duì)該技術(shù)的推廣造成的威脅是混合動(dòng)力汽車，當(dāng)前的主流廠家基本上都在研發(fā)自己的混合動(dòng)力汽車，特別是重混混合動(dòng)力汽車、插電式和增程式混合動(dòng)力汽車。在這些混合動(dòng)力汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車中唯一或支配性動(dòng)力的地位已經(jīng)被動(dòng)搖，逐漸淪為配角。相應(yīng)地，整車系統(tǒng)對(duì)其的要求也越來越低，僅僅作為輔助動(dòng)力。內(nèi)燃機(jī)也將向小型化和低成本方向發(fā)展，向滑動(dòng)式凸輪軸系統(tǒng)這種昂貴的解決方案，注定其只是一個(gè)過渡性產(chǎn)品。但我們也必須認(rèn)識(shí)即使是混合動(dòng)力汽車，要真正成為主流要需要非常長的一個(gè)時(shí)期，這個(gè)過程保守估計(jì)也要十五年左右。在此之前，主機(jī)廠仍然需要將精力放在節(jié)能汽車的潛力挖掘上，滑動(dòng)式凸輪軸作為一個(gè)成熟而高性價(jià)比方案，將有十分光明的市場前景。

作者簡介：周培良，男，漢，籍貫：四川省成都市大邑縣，職務(wù)：技術(shù)中心主任，學(xué)歷：大學(xué)本科（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，機(jī)電控制及自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)），單位：寧波圣龍汽車動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、變速器系統(tǒng)、新能源汽車和智能汽車。