汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路分析

張金偉

摘 要：由于發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車基礎(chǔ)配件之一，被稱為汽車的“心臟”。而發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的部分就是發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)的外形、動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性能的影響十分重要。所以，為了滿足汽車對發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，就需要改善汽車的配氣機(jī)構(gòu)。合理的設(shè)計(jì)凸輪型線和配氣相位就需要采用現(xiàn)代高科技技術(shù)，對凸輪型線的相關(guān)系數(shù)、凸輪、挺柱接觸應(yīng)力、氣門開度、凸輪曲率半徑等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)與技術(shù)分析，實(shí)現(xiàn)凸輪型線與配氣相位的高效銜接，提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與質(zhì)量。為此，本人通過對汽車配氣機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展及當(dāng)前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪型線設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析后，對如何構(gòu)建配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型以及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)凸輪型線提出相關(guān)意見和建議。

關(guān)鍵詞：汽車;發(fā)動(dòng)機(jī);配氣機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)

1 汽車配氣機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展

由于現(xiàn)代汽車配氣機(jī)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平的顯著提升，汽車配氣機(jī)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(jī)構(gòu)的頂置凸輪軸、汽車配氣機(jī)構(gòu)的多氣門技術(shù)、汽車配氣機(jī)構(gòu)的可變氣門系統(tǒng)以及配氣機(jī)構(gòu)汽車的無凸輪電液驅(qū)動(dòng)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(jī)構(gòu)的頂置凸輪軸技術(shù)

由于汽車配氣機(jī)構(gòu)的頂置式凸輪軸技術(shù)主要是由凸輪軸的運(yùn)動(dòng)來作為基礎(chǔ)技術(shù)，在凸輪軸的運(yùn)動(dòng)中分為三種結(jié)構(gòu)模式：凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門式、擺搖臂式以及單頂置式。凸輪直接驅(qū)動(dòng)氣門結(jié)構(gòu)模式能夠讓人們直接看到其運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(dòng)氣門式來說更加的復(fù)雜，但是運(yùn)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(shí)使用在凸輪的作用傳給氣門工作時(shí)，不能很好的實(shí)現(xiàn)凸輪升程，導(dǎo)致凸輪升程比氣門升程低，凸輪的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(xiàng)技術(shù)來彌補(bǔ)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(jī)構(gòu)的發(fā)展。

1.2 汽車配氣機(jī)構(gòu)的多氣門技術(shù)

汽車配氣機(jī)構(gòu)多氣門技術(shù)就是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸上設(shè)置兩個(gè)以上的氣門。多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)多為四氣門式，進(jìn)氣門大于排氣門直徑。這可以更好的擴(kuò)大氣門頭的直徑，讓氣體流通過的面積得以擴(kuò)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(dòng)機(jī)性能。

1.3 汽車配氣機(jī)構(gòu)的可變氣門系統(tǒng)技術(shù)

汽車配氣機(jī)構(gòu)的可變氣門系統(tǒng)技術(shù)包括可變氣門正時(shí)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。可變氣門系統(tǒng)技術(shù)對在優(yōu)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣過程時(shí)是通過對配置的控制實(shí)現(xiàn)的，為汽車的配氣機(jī)構(gòu)的工作提供基礎(chǔ)的動(dòng)力系統(tǒng)?？勺儦忾T正時(shí)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣凸輪相位關(guān)系，使進(jìn)氣量可隨發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)進(jìn)排氣氣門升程大小，使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)獲得更好高速功率和低速扭矩。

1.4 無凸輪電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)

近幾年出現(xiàn)了可以使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性提高和有害物降低的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)就是使用無凸輪電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)的配氣機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)。之所以說這種發(fā)動(dòng)機(jī)具有創(chuàng)新技術(shù)，主要原因是它具備發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中氣門開啟的升程大小、開啟持續(xù)時(shí)間都可以相互獨(dú)立的特點(diǎn)。它取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式凸輪軸對于氣門的控制，改用電液驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的凸輪型線設(shè)計(jì)技術(shù)

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

2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪型線靜態(tài)設(shè)計(jì)模式

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪型線設(shè)計(jì)技術(shù)中的靜態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的凸輪型線設(shè)計(jì)，靜態(tài)設(shè)計(jì)模式可以使得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)速較低以較小的減少其振動(dòng)和噪聲的作用，但是由于靜態(tài)設(shè)計(jì)上其加速度曲線連續(xù)性不夠，這就導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)在提高其轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、噪聲還是會(huì)很大，影響人們的使用體驗(yàn)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(dòng)機(jī)的凸輪型線動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)模式

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)是一個(gè)彈性振動(dòng)體。為了更好的控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的彈性振動(dòng)和讓凸輪型線運(yùn)動(dòng)能得到很好的控制，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)模式就誕生了。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪型線動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)模式可以很好的解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的彈性振動(dòng)問題，也通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)的物理模型參數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算，選擇最好的模型數(shù)據(jù)，然后與發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)狀況進(jìn)行對比、校對與動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)物理模型參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行有效的銜接，以此來滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對配氣機(jī)構(gòu)的要求。

2.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪型線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪型線系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式就是將發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪型線、凸輪轉(zhuǎn)速與配氣機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行高效的匹配與銜接。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式就是通過考慮配氣機(jī)構(gòu)的凸輪型線與配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)，對凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)平穩(wěn)的運(yùn)行還要求對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，提煉出發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪設(shè)計(jì)的最優(yōu)指標(biāo)。這種模式更好的彌補(bǔ)了其他模式在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上的不足，更好的滿足了汽車對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求。

3 構(gòu)建配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

配氣機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算。氣門運(yùn)動(dòng)中的氣門質(zhì)量以及其他可以換算成氣門處的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)計(jì)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(yùn)動(dòng)的氣門桿到凸輪軸的剛度）可以通過計(jì)算得出;后者可以計(jì)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(gè)部件運(yùn)動(dòng)變化和應(yīng)力模式時(shí)，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(dòng)力學(xué)模型，其中可以用多個(gè)集中質(zhì)量來代替的是以下零部件：配氣機(jī)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(jī)構(gòu)從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行專業(yè)分析，從而得到配氣機(jī)構(gòu)的零件振動(dòng)和振動(dòng)模型，同時(shí)也可以幫助對氣門振動(dòng)的使用期限進(jìn)行分析，關(guān)于配氣機(jī)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(shí)驗(yàn)可靠性。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)凸輪型線

4.1 凸輪型線設(shè)計(jì)思路

發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jī)構(gòu)優(yōu)劣分析利用配氣機(jī)構(gòu)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立模型，同時(shí)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(jì)方案

凸輪型線緩沖段的設(shè)計(jì)初衷是為了消除氣門受力時(shí)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?yàn)樗鼈兊男枨蟛煌?，對待二者設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)的速度是緩沖段設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)效果的變量，即氣門間隙以及配氣機(jī)構(gòu)彈性變形量，氣門間隙消失時(shí)，氣門必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)其受合力向下時(shí)，氣門才會(huì)開啟。

4.3 工作段的設(shè)計(jì)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作段設(shè)計(jì)對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)性能影響很大，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分之一。為了更好的實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)就需要對發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線工作段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的工作段設(shè)計(jì)來提高配氣機(jī)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(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞直接影響到汽車的使用質(zhì)量與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。所以優(yōu)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代高科技技術(shù)完善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程，提升汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。同時(shí)，還需要汽車行業(yè)加大對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪型線設(shè)計(jì)思路、緩沖段以及工作段的設(shè)計(jì)方案三個(gè)方面進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量化。滿足人們對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求，實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能質(zhì)量燃油經(jīng)濟(jì)性的飛躍。

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