汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計思路分析

張金偉

綿陽富臨精工機械股份有限公司 四川省綿陽市 621000

1 汽車配氣機構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展

由于現(xiàn)代汽車配氣機構(gòu)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平的顯著提升，汽車配氣機構(gòu)技術(shù)發(fā)展前景較好，這些新技術(shù)的創(chuàng)新主要表現(xiàn)在汽車配氣機構(gòu)的頂置凸輪軸、汽車配氣機構(gòu)的多氣門技術(shù)、汽車配氣機構(gòu)的可變氣門系統(tǒng)以及配氣機構(gòu)汽車的無凸輪電液驅(qū)動技術(shù)。下面本人將對以上提到的技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的解釋：

1.1 汽車配氣機構(gòu)的頂置凸輪軸技術(shù)

由于汽車配氣機構(gòu)的頂置式凸輪軸技術(shù)主要是由凸輪軸的運動來作為基礎(chǔ)技術(shù)，在凸輪軸的運動中分為三種結(jié)構(gòu)模式：凸輪直接驅(qū)動氣門式、擺搖臂式以及單頂置式。凸輪直接驅(qū)動氣門結(jié)構(gòu)模式能夠讓人們直接看到其運動，比起其他兩種結(jié)構(gòu)模式來說其構(gòu)造與操作都比較簡單，就是簡單的循環(huán)運動模式。凸輪的擺臂與搖臂結(jié)構(gòu)模式就比較靈活，其構(gòu)造比起凸輪直接驅(qū)動氣門式來說更加的復(fù)雜，但是運用效果更高，能夠靈活的調(diào)整凸輪型線升程工作的包角，使其達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。但是由于凸輪的擺臂和搖臂結(jié)構(gòu)模式同時使用在凸輪的作用傳給氣門工作時，不能很好的實現(xiàn)凸輪升程，導(dǎo)致凸輪升程比氣門升程低，凸輪的運動不能達(dá)到很好的效果。所以產(chǎn)生了單頂置式與雙頂置凸輪運動結(jié)構(gòu)模式，通過將凸輪軸按照其數(shù)目進(jìn)行劃分，單頂置凸輪軸是氣缸蓋上設(shè)置一條凸輪軸；雙頂置凸輪軸是在氣缸蓋上安置兩條凸輪軸，在氣缸兩側(cè)各安置一條，通過這項技術(shù)來彌補凸輪的擺臂與搖臂結(jié)構(gòu)模式的不足，促進(jìn)汽車配氣機構(gòu)的發(fā)展。

1.2 汽車配氣機構(gòu)的多氣門技術(shù)

汽車配氣機構(gòu)多氣門技術(shù)就是在汽車發(fā)動機的每個氣缸上設(shè)置兩個以上的氣門。多氣門發(fā)動機分為三氣門式、四氣門式以及三五氣門式，隨著增壓技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的汽車采用的多氣門發(fā)動機多為四氣門式，進(jìn)氣門大于排氣門直徑。這可以更好的擴大氣門頭的直徑，讓氣體流通過的面積得以擴大，換氣性能得到合理改善，就促進(jìn)汽車混合氣的迅速燃燒，提升汽車的發(fā)動機性能。

1.3 汽車配氣機構(gòu)的可變氣門系統(tǒng)技術(shù)

汽車配氣機構(gòu)的可變氣門系統(tǒng)技術(shù)包括可變氣門正時和可變氣門升程技術(shù)。是汽車必不可少的基礎(chǔ)配氣系統(tǒng)之一，對汽車的性能影響十分重大?？勺儦忾T系統(tǒng)技術(shù)對在優(yōu)化汽車發(fā)動機配氣過程時是通過對配置的控制實現(xiàn)的，為汽車的配氣機構(gòu)的工作提供基礎(chǔ)的動力系統(tǒng)?？勺儦忾T正時是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機進(jìn)排氣凸輪相位關(guān)系，使進(jìn)氣量可隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而改變，從而達(dá)到最佳燃燒效率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。而可變氣門升程則是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機進(jìn)排氣氣門升程大小，使發(fā)動機在高速與低速負(fù)荷都能得到相應(yīng)需求的氣門升程，從而使得發(fā)動機獲得更好高速功率和低速扭矩。

1.4 無凸輪電液驅(qū)動技術(shù)

近幾年出現(xiàn)了可以使汽車發(fā)動機燃油經(jīng)濟(jì)性提高和有害物降低的發(fā)動機，該發(fā)動機就是使用無凸輪電液驅(qū)動技術(shù)的配氣機構(gòu)發(fā)動機。之所以說這種發(fā)動機具有創(chuàng)新技術(shù)，主要原因是它具備發(fā)動機運行過程中氣門開啟的升程大小、開啟持續(xù)時間都可以相互獨立的特點。它取代了傳統(tǒng)的機械式凸輪軸對于氣門的控制，改用電液驅(qū)動裝置來替代，但此技術(shù)成本較高，僅部份車型搭載，無法大面積推廣。

2 當(dāng)前汽車發(fā)動機的凸輪型線設(shè)計技術(shù)

當(dāng)前汽車的凸輪型線的設(shè)計主要分為靜態(tài)設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計三種，以下本人將對這三種設(shè)計模式進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 汽車發(fā)動機的凸輪型線靜態(tài)設(shè)計模式

在汽車發(fā)動機的凸輪型線設(shè)計技術(shù)中的靜態(tài)設(shè)計模式主要是用在圓弧式凸輪上，它通過采用簡單的型線與連續(xù)的速度曲線進(jìn)行汽車發(fā)動機的凸輪型線設(shè)計，靜態(tài)設(shè)計模式可以使得汽車發(fā)動機，在發(fā)動轉(zhuǎn)速較低以較小的減少其振動和噪聲的作用，但是由于靜態(tài)設(shè)計上其加速度曲線連續(xù)性不夠，這就導(dǎo)致了發(fā)動機在提高其轉(zhuǎn)速時發(fā)動機的振動、噪聲還是會很大，影響人們的使用體驗與汽車的性能，難以滿足人們對汽車高品質(zhì)的需求。

2.2 汽車發(fā)動機的凸輪型線動態(tài)設(shè)計模式

汽車發(fā)動機的配氣機構(gòu)是一個彈性振動體。為了更好的控制汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的彈性振動和讓凸輪型線運動能得到很好的控制，汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的動態(tài)設(shè)計模式就誕生了。汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的凸輪型線動態(tài)設(shè)計模式可以很好的解決汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)出現(xiàn)的彈性振動問題，也通過對汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的振動的物理模型參數(shù)進(jìn)行分析與計算，選擇最好的模型數(shù)據(jù)，然后與發(fā)動機的振動狀況進(jìn)行對比、校對與動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)發(fā)動機物理模型參數(shù)與發(fā)動機振動情況進(jìn)行有效的銜接，以此來滿足汽車發(fā)動機對配氣機構(gòu)的要求。

2.3 汽車發(fā)動機的凸輪型線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模式

汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的凸輪型線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模式就是將發(fā)動機配氣凸輪型線、凸輪轉(zhuǎn)速與配氣機構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行高效的匹配與銜接。汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模式就是通過考慮配氣機構(gòu)的凸輪型線與配氣機構(gòu)動態(tài)參數(shù)，對凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。同時為了實現(xiàn)汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)平穩(wěn)的運行還要求對汽車發(fā)動機的配氣機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算，提煉出發(fā)動機凸輪設(shè)計的最優(yōu)指標(biāo)。這種模式更好的彌補了其他模式在汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)參數(shù)設(shè)計上的不足，更好的滿足了汽車對發(fā)動機性能的要求。

3 構(gòu)建配氣機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

配氣機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型組成單元有單質(zhì)量模型、二質(zhì)量模型、多質(zhì)量模型、有限元模型。單質(zhì)量模型因其結(jié)構(gòu)簡單且待定參數(shù)相對較少，因而容易計算。氣門運動中的氣門質(zhì)量以及其他可以換算成氣門處的質(zhì)量運動是單質(zhì)量模型的內(nèi)涵。在單質(zhì)量模型的基礎(chǔ)上分離氣門質(zhì)量與集中質(zhì)量便可得二質(zhì)量模型。單質(zhì)量模型與二質(zhì)量模型參數(shù)都可以通過實驗計算得出，前者是其氣門形狀系統(tǒng)說明剛度（特別指出，系統(tǒng)剛度是該氣門運動的氣門桿到凸輪軸的剛度）可以通過計算得出；后者可以計算的原因則是二質(zhì)量模型中某些質(zhì)量剛度與單質(zhì)量模型類似。在研究各個部件運動變化和應(yīng)力模式時，大多采用集中質(zhì)量、剛度的形式將配氣系統(tǒng)改成有限自由度的等效力學(xué)系統(tǒng)稱為多質(zhì)量動力學(xué)模型，其中可以用多個集中質(zhì)量來代替的是以下零部件：配氣機構(gòu)中的推桿、挺柱、搖臂、氣門和內(nèi)外氣門彈簧。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，有限元技術(shù)越發(fā)成熟，在此基礎(chǔ)上，可以用此技術(shù)對汽車的配氣機構(gòu)從動力學(xué)角度進(jìn)行專業(yè)分析，從而得到配氣機構(gòu)的零件振動和振動模型，同時也可以幫助對氣門振動的使用期限進(jìn)行分析，關(guān)于配氣機構(gòu)零件的位移、速度、加速度和接觸應(yīng)力、變形等都可以被求出，從而增加了實驗可靠性。

4 優(yōu)化設(shè)計凸輪型線

4.1 凸輪型線設(shè)計思路

發(fā)動機的配氣機構(gòu)動力學(xué)模型是在對其結(jié)構(gòu)和凸輪型線的數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上建立的。舉例說明，配氣機構(gòu)優(yōu)劣分析利用配氣機構(gòu)的評價標(biāo)準(zhǔn)建立模型，同時利用模型還可以對凸輪型線進(jìn)行終極優(yōu)化。

4.2 緩沖段的設(shè)計方案

凸輪型線緩沖段的設(shè)計初衷是為了消除氣門受力時發(fā)生的彈性形變。上升段與下降段共同組成氣門升程曲線，然而這兩者并不能以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來衡量，因為它們的需求不同，對待二者設(shè)計上也有不一樣的要求。舉例來說，如果想要得到氣門開啟速度變快而關(guān)閉時變慢的效果，可以采用改變上升段包角，使得其包角變短，而下降段的包角則需要變長。緩沖段的高度、包角以及緩沖結(jié)束時的速度是緩沖段設(shè)計需要考慮的參數(shù)。而其中最重要的便是緩沖段高度的選擇，該高度的選擇需要消除一切可能影響實驗效果的變量，即氣門間隙以及配氣機構(gòu)彈性變形量，氣門間隙消失時，氣門必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)其受合力向下時，氣門才會開啟。

4.3 工作段的設(shè)計

汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的工作段設(shè)計對汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)性能影響很大，是汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計的重要組成部分之一。為了更好的實現(xiàn)汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計就需要對發(fā)動機配氣機構(gòu)凸輪型線工作段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過對汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的工作段設(shè)計來提高配氣機構(gòu)的性能、連續(xù)凸輪軸加速度。

5 結(jié)束語

由于汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計好壞直接影響到汽車的使用質(zhì)量與汽車發(fā)動機的性能。所以優(yōu)化汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的設(shè)計十分重要。隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對汽車的要求也越來越高了，為了滿足人們對汽車的需要就要求汽車行業(yè)重視汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計，利用現(xiàn)代高科技技術(shù)完善汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計的流程，提升汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量。同時，還需要汽車行業(yè)加大對汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計的資金投入，引入相關(guān)的高新技術(shù)與高素質(zhì)人才，通過對汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)的凸輪型線設(shè)計思路、緩沖段以及工作段的設(shè)計方案三個方面進(jìn)行汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，實現(xiàn)汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量化。滿足人們對汽車發(fā)動機性能的要求，實現(xiàn)汽車發(fā)動機性能質(zhì)量燃油經(jīng)濟(jì)性的飛躍。