直驅(qū)式配氣機構(gòu)凸輪型線校驗方法研究

蔣升龍，王洪波，邱娜

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

關(guān)鍵字：凸輪；平底挺柱；氣門升程；氣門速度；氣門加速度

前言

凸輪軸是使氣門按一定的工作次序和配氣定時及時開閉，并保證氣門有足夠的升程，凸輪受到氣門間歇性開啟的周期性沖擊載荷，凸輪表面易發(fā)生摩擦磨損，因此要求凸輪軸有足夠的韌性和剛度[1]。

配氣凸輪外形與氣門的通過能力、構(gòu)件加速度變化規(guī)律等有直接關(guān)系。因為凸輪外形與凸輪從動件的升程規(guī)律有對應(yīng)關(guān)系，而直接測量凸輪的幾何形狀十分困難，測量升程規(guī)律則易于實現(xiàn)[2]，所以本文針對頂置凸輪軸直驅(qū)式配氣機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計測試配氣機構(gòu)運動學(xué)規(guī)律的試驗方法，通過試驗的方法測量氣門從動件運動規(guī)律，以有效校驗凸輪外形設(shè)計。

1 試驗對象

頂置凸輪軸直驅(qū)式配氣機構(gòu)如圖1所示，由于此型式氣門機構(gòu)挺柱與凸輪之間有氣門間隙存在，所以在進行運動學(xué)特性試驗前需要對被試缸蓋進行改制，在氣門桿頂部和氣門挺柱之間安裝一個特制的金屬墊片，使挺柱墊高，用以消除氣門間隙，這個金屬墊片會使氣門在凸輪基圓時便開啟，氣門和座圈的最大距離為0.3mm[4]，如圖2所示，這樣既可保證凸輪與挺柱完全接觸，也可防止氣門落座時的沖擊對測試結(jié)果的影響。

圖1 頂置凸輪軸直驅(qū)式配氣機構(gòu)

圖2 改制金屬墊片結(jié)構(gòu)及安裝實物

2 試驗方法

2.1 試驗安裝

將改制后的被試缸蓋按照發(fā)動機裝配要求安裝在工藝模擬缸體上，再將組裝后的被試模擬樣機與專用的配氣機構(gòu)試驗臺架連接，分別將Polytec雙通道差分式激光測振儀和光電式旋轉(zhuǎn)編碼器固定在試驗臺架上及被試缸蓋上，如圖3所示為配氣機構(gòu)試驗臺架總布置圖，圖4為試驗臺架實物。將上述所有測試儀器和傳感器與西門子LMS數(shù)據(jù)采集及分析設(shè)備連接，調(diào)試激光測振儀使兩通道激光分別對準被試氣門和缸蓋（或模擬缸體），如圖 5所示，圖中激光測點位置：A——氣門，B——參考點，同時將Polytec激光測振儀控制器輸出速度調(diào)至（A-B）檔，將輸出位移調(diào)至（A-B）檔，通過這樣的設(shè)置可直接輸出氣門的真實測量值，消除了缸蓋振動對測試結(jié)果的影響。

圖3 配氣機構(gòu)試驗臺架布置圖

圖4 配氣機構(gòu)試驗臺架實物圖

圖5 激光測點位置

2.2 試驗工況

為了真實有效的測試配氣機構(gòu)運動學(xué)規(guī)律，需要在較低轉(zhuǎn)速下進行試驗，以防止過高轉(zhuǎn)速帶來的沖擊，模擬樣機轉(zhuǎn)速一般控制在500～1200r/min，機油溫度設(shè)定為100℃，機油壓力設(shè)定為 1.5bar。

3 試驗結(jié)果及分析

通過試驗測試可直接得到氣門升程、氣門速度和氣門加速度的數(shù)據(jù)，利用試驗數(shù)據(jù)與模擬計算結(jié)果進行對比，以校驗凸輪設(shè)計合理性，如圖6所示為試驗結(jié)果與模擬計算結(jié)果對比曲線圖。從圖中曲線可以看出，試驗結(jié)果曲線與模擬計算曲線吻合度較高，本試驗方法能夠充分有效的校驗凸輪型線設(shè)計方案。

圖6 試驗結(jié)果曲線與模擬計算曲線對比

根據(jù)試驗結(jié)果，可以得出平底挺柱的運動規(guī)律，即得出挺柱升程 ht、挺柱幾何速度和挺柱幾何加速度。由挺柱升程規(guī)律與凸輪幾何參數(shù)的關(guān)系可進一步對凸輪外形的曲率半徑及凸輪副的潤滑特性進行相應(yīng)的校核[2]。

根據(jù)凸輪外形曲率半徑計算公式：

式中，ro為基圓半徑。由式（1）可知，凸輪外形曲率半徑ρ主要取決于挺柱的加速度。當負加速度絕對值比較大時，ρ可能很小。從凸輪與挺柱接觸應(yīng)力出發(fā)，為保證較小的接觸應(yīng)力，設(shè)計中要保證曲率半徑ρ不能為負值，且ρmin應(yīng)大于3mm[3]。如果按式（1）算出的ρ≤0，則需要優(yōu)化設(shè)計方案，重新調(diào)整運動規(guī)律，以減小負加速度絕對值的最大值，或者加大基圓半徑ro。

凸輪與平面挺柱之間是高副接觸，必須保證液體動力潤滑才能保證接觸表面有足夠的耐久性[2]。根據(jù)動態(tài)液體潤滑理論，潤滑特性數(shù)計算公式為：

為了避免出現(xiàn)嚴重的滑動副損傷，在凸輪轉(zhuǎn)動時，不能有較長的區(qū)段S接近零。

4 結(jié)論

通過試驗的方法，準確有效的測量出配氣機構(gòu)挺柱運動規(guī)律，通過對試驗結(jié)果的計算、分析比對，充分有效的校驗凸輪外形設(shè)計方案，并對凸輪型線設(shè)計指出優(yōu)化改進方向。