基于多連桿機(jī)構(gòu)的連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

屈小貞，陳雙

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

基于多連桿機(jī)構(gòu)的連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

屈小貞，陳雙

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

文章介紹了一種連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)在第一凸輪與挺桿之間加裝一套多連桿機(jī)構(gòu)。該多連桿機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)控制其偏心套筒軸心位置變化而改變其自身幾何形狀，進(jìn)而改變第二凸輪型線與挺桿之間的接觸位置。最終實(shí)現(xiàn)氣門升程和氣門相位的連續(xù)可變，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下的行車需求。

可變氣門；多連桿；第二凸輪；氣門升程

Abstract:In this paper, a continuously variable valve actuation is presented. A multi-linkage mechanism acts between the first cam and tappet. The geometry of the multi-linkage mechanism is actuated by the gear motor controlling the axle position of offset bushing, and then the contact position between the second cam and tappet is varied. The continuously variable valve lift and valve phase is obtained to satisfy the demand of engine under different working conditions.

Keywords: Variable valve; Multi-linkage; Second cam; Valve lift

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-58-03

前言

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門機(jī)構(gòu)是將氣門升程及氣門持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間設(shè)計(jì)為定值，只能保障發(fā)動(dòng)機(jī)在某一特定轉(zhuǎn)速下才處于最佳配氣狀態(tài)，兼顧了發(fā)動(dòng)機(jī)低速時(shí)的穩(wěn)定性和高速時(shí)的動(dòng)力性。而可變氣門機(jī)構(gòu)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況而選擇最佳氣門升程來(lái)控制進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體體積，使氣門升程和相位始終處于理想狀態(tài)，兼顧到發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性和高負(fù)荷時(shí)的動(dòng)力性[1-2]。在低負(fù)荷時(shí)，利用較小的氣門升程，減小充氣過(guò)程中進(jìn)排氣的相互影響，使氣門流過(guò)的氣流速度較快，進(jìn)而改善燃燒過(guò)程，達(dá)到有效控制排放[3]；在高負(fù)荷時(shí)，利用較大的氣門升程，提高充氣效率，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。

目前市場(chǎng)上非連續(xù)可變氣門升程裝置的氣門升程單一，不能兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工況，節(jié)油效果不明顯。而現(xiàn)有的連續(xù)可變氣門升程裝置多數(shù)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)要求難度較大，且氣門升程調(diào)節(jié)過(guò)程不易控制。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新型連續(xù)可變氣門裝置，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，易于裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)氣門升程及相位的連續(xù)可控。

1 連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一種新型連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)布置如圖 1所示。該連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置是基于傳統(tǒng)直動(dòng)式氣門機(jī)構(gòu)，在第一凸輪與挺桿之間加裝一套多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。如圖 2所示的多連桿機(jī)構(gòu)是由連桿、擺臂、第二凸輪等部件構(gòu)成的。該多連桿機(jī)構(gòu)是由減速電機(jī)控制其偏心套筒軸心位置變化而改變其自身幾何形狀，進(jìn)而改變第二凸輪型線與挺桿的接觸位置。

結(jié)構(gòu)圖1中所示的凸輪軸和控制軸固定在汽缸蓋中保持位置不變。當(dāng)?shù)谝煌馆嗠S凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第一凸輪驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)中的連桿擺動(dòng)，多連桿機(jī)構(gòu)中的連桿通過(guò)擺臂及滾子軸承結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)第二凸輪擺動(dòng)，再由擺動(dòng)的第二凸輪驅(qū)動(dòng)挺桿上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣門的開(kāi)啟和閉合。

多連桿機(jī)構(gòu)中的擺臂與第二凸輪的一端鉸接，連桿頂部與擺臂的頂部鉸接，在鉸接點(diǎn)處設(shè)置有銷，使連桿能夠繞著銷相對(duì)與擺臂旋轉(zhuǎn)。連桿上端與擺臂上端通過(guò)銷連接，連桿隨第一凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞銷在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)。當(dāng)?shù)谝煌馆喌耐蛊鹧啬鏁r(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)連桿接觸面時(shí)，連桿在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用力下會(huì)隨第一凸輪型線逐漸恢復(fù)到初始位置。

圖1 連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 多連桿機(jī)構(gòu)

依據(jù)該連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置中多連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，為滿足第二凸輪隨第一凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)而擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡要求，故把第二凸輪的凸輪升程型線設(shè)計(jì)成如圖3中所示的曲線。圖2中所示第二凸輪型線上的D點(diǎn)為凸輪基圓與凸輪升程的分界點(diǎn)，其中第二凸輪型線上D點(diǎn)與挺桿的接觸位置是由多連桿機(jī)構(gòu)位置控制的。

多連桿機(jī)構(gòu)中的偏心套筒與控制軸采用非同心軸布置結(jié)構(gòu)，二者之間通過(guò)花鍵連接，而偏心套筒與擺臂采用同心軸布置結(jié)構(gòu)，擺臂能夠繞著偏心套筒旋轉(zhuǎn)。偏心套筒的軸心位置是由減速電機(jī)通過(guò)控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小是由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)控制的。當(dāng)偏心套筒繞控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，擺臂會(huì)隨同心軸布置的偏心套筒擺動(dòng)而改變初始位置，通過(guò)擺臂上固定的銷帶動(dòng)連桿和第二凸輪發(fā)生位置偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變第二凸輪型線上D點(diǎn)與挺桿的接觸位置，即第二凸輪型線上D點(diǎn)與挺桿上端面的位置遠(yuǎn)近。

圖3 第二凸輪升程型線

2 連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)特性分析

該連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置是通過(guò)減速電機(jī)改變偏心套筒的軸心位置而改變多連桿機(jī)構(gòu)的幾何形狀，進(jìn)而改變氣門挺桿的上下運(yùn)動(dòng)行程，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下所需的氣門升程和相位連續(xù)可變。

圖4 偏心套筒繞控制軸軸心位置變化圖

圖5 連續(xù)可變氣門裝置的高低升程位置圖

圖6 可變氣門位移曲線

如圖4所示，當(dāng)偏心套筒繞控制軸以逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，即相當(dāng)于偏心套筒的圓心點(diǎn)P繞控制軸的圓心點(diǎn)C做圓周運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)半徑為CP。當(dāng)偏心套筒圓心位于點(diǎn)P1時(shí)，其對(duì)應(yīng)的連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置處于低氣門升程位置，如圖 5(a)所示。此時(shí)第二凸輪型線上的D點(diǎn)相對(duì)于挺桿上端面向左偏移，由于第二凸輪型線特征使第二凸輪在擺動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)挺桿產(chǎn)生較小的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即對(duì)應(yīng)較低的氣門升程。當(dāng)偏心套筒圓心位于點(diǎn) P2時(shí)，其對(duì)應(yīng)的連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置處于中高氣門升程位置，如圖5(b)所示。此時(shí)第二凸輪型線上的D點(diǎn)相對(duì)于挺桿上端面向右偏移，使第二凸輪在擺動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)挺桿產(chǎn)生較大的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，即對(duì)應(yīng)較高的氣門升程。在偏心套筒圓心點(diǎn)P隨控制軸圓心點(diǎn)C轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，可變的多連桿機(jī)構(gòu)位置發(fā)生改變，即生成對(duì)應(yīng)不同的氣門升程位置，其對(duì)應(yīng)的可變氣門升程和氣門持續(xù)開(kāi)啟時(shí)間逐漸增大，形成連續(xù)可變的氣門位移曲線如圖6所示。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種新型連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置相對(duì)現(xiàn)有的連續(xù)可變氣門機(jī)構(gòu)其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，易于裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)氣門升程及相位的連續(xù)可控。同時(shí)基于機(jī)構(gòu)中采用滾子軸承的接觸方式更能有效降低系統(tǒng)傳動(dòng)的噪音。因此該連續(xù)可變氣門驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的發(fā)展研究，有著重要的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

[1] S. Takemura and S. Aoyama, A study of a multiple-link continuously variable valve event and lift System [C], SAE Paper, 2008,01.

[2] Qu Xiaozhen, Kim Dojoong. Kinematic Design and Analysis of a Four-bar Linkage-type Continuously Variable Valv Actuation Mecha nism[J], mechanism and machine theory, 2012, 57:111-125.

[3] 周能輝,謝輝,王立彪,趙華.全可變氣門機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制試驗(yàn)研究[J],機(jī)械工程學(xué)報(bào),2006,42:132-137.

The Design of a Multi-linkage Continuously Variable Valve Actuation Mechanism

Qu Xiaozhen, Chen Shuang
（School of Automobile & Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-58-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.021

屈小貞，就職于遼寧工業(yè)大學(xué)，博士，講師，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)研究。項(xiàng)目基金：*遼寧省自然科學(xué)基金（20170540449）資助。