順序控制滑動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)換氣門(mén)升程

H.NEUKIRCHNER M.WEIDAUER S.BAR J.SCHIRMER

摘要：滑動(dòng)凸輪技術(shù)的特點(diǎn)在于其機(jī)械可靠性和循環(huán)實(shí)時(shí)工作原理，不過(guò)這種系統(tǒng)由于缺乏轉(zhuǎn)換所必需的邊界條件或由于成本原因而無(wú)法應(yīng)用。蒂森克虜伯公司采用順序滑動(dòng)凸輪（PSSC）系統(tǒng)成功解決了滑動(dòng)凸輪技術(shù)與簡(jiǎn)單控制之間的目標(biāo)沖突。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)凸輪技術(shù);順序控制;執(zhí)行器;計(jì)算優(yōu)化

0?前言

多年來(lái)，滑動(dòng)凸輪技術(shù)已應(yīng)用于各種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，凸輪升程的換檔過(guò)程能在凸輪軸1次旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)完成，并具有較高可靠性。這種系統(tǒng)能根據(jù)使用狀況轉(zhuǎn)換氣門(mén)升程或保持氣門(mén)升程不變，且與機(jī)油壓力無(wú)關(guān)，通常使用2個(gè)電機(jī)操縱的圓柱銷來(lái)?yè)軇?dòng)凸輪。這種工作原理的前提條件是每個(gè)滑動(dòng)元件各自要配備1個(gè)或2個(gè)執(zhí)行器，并安裝在附近相應(yīng)的凸輪軸上，而在氣缸蓋內(nèi)的結(jié)構(gòu)空間需要用于曲軸箱通風(fēng)或毗鄰的新鮮空氣管道。另1個(gè)挑戰(zhàn)是發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元要能在短時(shí)間提供最大的電流，用于精確地控制每個(gè)氣缸的換檔升程凸輪，以便在凸輪軸1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換凸輪廓線。但是，因?yàn)槿狈D(zhuǎn)換所必需的邊界條件，或控制成本等因素，這種系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)。蒂森克虜伯公司在保持傳統(tǒng)滑動(dòng)凸輪技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的情況下已開(kāi)發(fā)出1種新的設(shè)計(jì)方案（圖1），僅用1個(gè)執(zhí)行器就可以順序控制幾個(gè)氣缸的滑動(dòng)凸輪。

1?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這種結(jié)構(gòu)方案成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械組合各個(gè)滑動(dòng)元件的轉(zhuǎn)換過(guò)程，使用1個(gè)執(zhí)行器就能實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過(guò)程，其所需的零部件都集成在氣缸蓋上，并且在氣缸蓋罩外無(wú)需附加的結(jié)構(gòu)空間。這種被命名為PSSC的系統(tǒng)原則上適用于至少有2個(gè)氣缸的直列式內(nèi)燃機(jī)，對(duì)于3缸直列式發(fā)動(dòng)機(jī)（R3）及其氣缸數(shù)加倍的機(jī)型（R6、V6和V12發(fā)動(dòng)機(jī)），因點(diǎn)火順序錯(cuò)開(kāi)因而能獲得更好的效果。下面將進(jìn)一步探討PSSC在R3發(fā)動(dòng)機(jī)上的具體應(yīng)用。為了集成這種系統(tǒng)，雙頂置凸輪軸（DOHC）發(fā)動(dòng)機(jī)需要1個(gè)執(zhí)行器、1個(gè)主動(dòng)凸輪、2個(gè)被動(dòng)凸輪、1個(gè)帶有聯(lián)動(dòng)銷的轉(zhuǎn)換滑桿和1個(gè)擋盤(pán)（圖2）。

在PSSC系統(tǒng)中仍采用了傳統(tǒng)系統(tǒng)中凸輪組軸向移動(dòng)的原理，在凸輪軸旋轉(zhuǎn)期間通常由電磁操縱的執(zhí)行器撥銷在規(guī)定的時(shí)間點(diǎn)起作用，通過(guò)與導(dǎo)向滑槽的接觸使花鍵軸導(dǎo)向的主動(dòng)凸輪實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)。由撥銷.滑槽接觸實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)凸輪軸向運(yùn)動(dòng)借助于附加的環(huán)形滑槽和轉(zhuǎn)換滑桿上的聯(lián)動(dòng)銷來(lái)傳遞，而轉(zhuǎn)換滑桿支承在氣缸蓋中的1個(gè)導(dǎo)軌上。為了在工作位置上保持無(wú)負(fù)荷狀態(tài)，例如滑動(dòng)凸輪這些元件是由1個(gè)限位元件定位的。被動(dòng)凸輪的順序轉(zhuǎn)換是相對(duì)于主動(dòng)凸輪相位錯(cuò)開(kāi)的點(diǎn)火順序進(jìn)行的，其中轉(zhuǎn)換滑桿上的聯(lián)動(dòng)銷與被動(dòng)凸輪的控制滑槽接觸，這些聯(lián)動(dòng)銷僅沿著凸輪軸軸向移動(dòng)，而其徑向位置是不變的。被動(dòng)凸輪滑槽的輪廓在主動(dòng)凸輪和轉(zhuǎn)換滑桿期間不發(fā)生力的傳遞，因而被動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)換力不會(huì)反過(guò)來(lái)傳遞到主動(dòng)凸輪上。在凸輪軸上安裝1個(gè)擋盤(pán)，它承受由轉(zhuǎn)換滑桿傳遞的被動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)換力，而擋盤(pán)軸向支承氣缸蓋上時(shí)，直接引出這些力。為了確保在主動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)期間轉(zhuǎn)換滑桿的移動(dòng)，在擋盤(pán)上預(yù)先設(shè)置了1個(gè)相應(yīng)缺口。所有滑動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)換在凸輪軸1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)完成。因?yàn)橹鲃?dòng)凸輪的常規(guī)電動(dòng)執(zhí)行器能通過(guò)轉(zhuǎn)換撥銷的反射向電控單元發(fā)送信號(hào)，且整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是被機(jī)械強(qiáng)制控制的，因此所有氣門(mén)的轉(zhuǎn)換過(guò)程都能通過(guò)電控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行采集和處理。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮各個(gè)零部件的耐久性和磨損之外，特別需要考慮到與擋盤(pán)有關(guān)的轉(zhuǎn)換過(guò)程的時(shí)間順序。與滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)相比，各個(gè)滑動(dòng)元件可使用的轉(zhuǎn)換角度不僅受到滑動(dòng)元件基圓相位的影響，還受到擋盤(pán)的通過(guò)范圍或阻擋范圍的影響。圖3示出了3缸發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)升程轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換圖。

在主動(dòng)凸輪和轉(zhuǎn)換滑桿自身的移動(dòng)過(guò)程期間，轉(zhuǎn)換滑桿的運(yùn)動(dòng)會(huì)被傳遞。這種運(yùn)動(dòng)一結(jié)束，轉(zhuǎn)換滑桿在軸向上就被擋盤(pán)阻擋，并發(fā)生了被動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)換過(guò)程。此時(shí)，滑動(dòng)元件的轉(zhuǎn)換過(guò)程至少可使用120°凸輪轉(zhuǎn)角。根據(jù)凸輪廓線的長(zhǎng)度與2個(gè)被動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)換范圍有針對(duì)性的重疊，每個(gè)凸輪元件可利用的轉(zhuǎn)換角度就能增大到約160°凸輪轉(zhuǎn)角，因此就能降低轉(zhuǎn)換力和提高系統(tǒng)的極限轉(zhuǎn)速。

2?設(shè)計(jì)和計(jì)算優(yōu)化

在滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用了多體模擬（MKS），其目的是評(píng)價(jià)有關(guān)轉(zhuǎn)換方案功能可靠性的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、確認(rèn)臨界負(fù)荷狀態(tài)以及查明臨界誤差的大小。運(yùn)用傳統(tǒng)滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)建立有關(guān)模型，并按照試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，為進(jìn)一步應(yīng)用模擬作好準(zhǔn)備。MKS模型具有下列自由度：（1）凸輪軸轉(zhuǎn)角;（2）主動(dòng)凸輪、被動(dòng)凸輪和轉(zhuǎn)換滑桿的軸向位置;（3）使用的所有定位鎖球（或定位凹口）的徑向位移。

對(duì)于這些自由度，各個(gè)滑動(dòng)凸輪、轉(zhuǎn)換滑桿和定位鎖球都被看作是具有質(zhì)量的物體，其中執(zhí)行器或轉(zhuǎn)換滑桿的撥銷與所屬的轉(zhuǎn)換滑槽、定位鎖球與定位凹坑輪廓，以及各個(gè)凸輪與軸承套之間存在著與行程和速度相關(guān)的受力規(guī)律。與速度相關(guān)的摩擦分別發(fā)生在嚙合、定位和軸承內(nèi)，以及凸輪與凸輪隨動(dòng)件之間，其中運(yùn)動(dòng)質(zhì)量、撥銷.轉(zhuǎn)換滑槽的接觸剛度、系統(tǒng)摩擦和由所有止動(dòng)產(chǎn)生的軸向力對(duì)所描述的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)具有重大的影響。為了獲得執(zhí)行器結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到接近實(shí)際狀況的參數(shù)，考慮了先前項(xiàng)目得出的力.行程測(cè)量結(jié)果。

圖4示范性地表示出了在具有代表性的轉(zhuǎn)速時(shí)，主動(dòng)凸輪和被動(dòng)凸輪模擬計(jì)算的軸向移動(dòng)和轉(zhuǎn)換力。因?yàn)楸粍?dòng)凸輪的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量比主動(dòng)凸輪小，傳遞到撥銷.轉(zhuǎn)換滑槽接觸上的力較小，因此與在主動(dòng)凸輪上的情況不同，加快與轉(zhuǎn)換滑桿的接觸，可以消除其與擋盤(pán)的間隙。同時(shí)，被動(dòng)凸輪在這個(gè)階段尚未被移動(dòng)，從而產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換延遲。在設(shè)計(jì)期間，借助于轉(zhuǎn)換滑桿與主動(dòng)凸輪及轉(zhuǎn)換滑桿與擋盤(pán)之間裝配間隙的敏感性分析，對(duì)這種轉(zhuǎn)換延遲進(jìn)行了試驗(yàn)研究。根據(jù)所得的容差和軸與罩蓋之間熱膨脹或形狀與位置誤差來(lái)進(jìn)行選擇，即被動(dòng)凸輪的移動(dòng)不會(huì)對(duì)主動(dòng)凸輪的軸向動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響。

基于MKS的模擬結(jié)果，由執(zhí)行器撥銷許可的最大轉(zhuǎn)換力和轉(zhuǎn)換滑桿最大可傳遞的力來(lái)確定系統(tǒng)的極限轉(zhuǎn)速。正是在撥銷.轉(zhuǎn)換滑槽接觸中轉(zhuǎn)換力引起了高的赫茲壓力，它與滑動(dòng)接觸中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的相對(duì)速度組合可能導(dǎo)致接觸副表面的疲勞。1個(gè)摩擦穩(wěn)定的系統(tǒng)的依靠的是最佳的轉(zhuǎn)換滑槽的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以減小撥銷上的最大法向接觸力和由此產(chǎn)生的赫茲壓力，這樣就能在轉(zhuǎn)換延遲和可供使用的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向滑槽較小的坡度。除了撥銷.轉(zhuǎn)換滑槽之間持久的摩擦磨損之外，因脈沖式的力傳遞在轉(zhuǎn)換滑桿中產(chǎn)生強(qiáng)烈的交變應(yīng)力狀態(tài)，因此應(yīng)在疲勞強(qiáng)度證據(jù)框架下來(lái)評(píng)估這些狀況，以確保轉(zhuǎn)換滑桿的疲勞強(qiáng)度。

3?功能樣品

基于中目前用于4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的量產(chǎn)氣缸蓋罩蓋，研究人員對(duì)用于3缸發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的氣門(mén)升程轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，其中第1缸氣門(mén)升程凸輪隨動(dòng)件運(yùn)行。圖5示出了耐久運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后的功能樣品。2根DOHC的滑動(dòng)凸輪元件用于凸輪升程和停缸的2種凸輪廓線，僅用2個(gè)執(zhí)行器就能使氣缸蓋上的所有氣門(mén)停止工作。擋盤(pán)的軸向支承是通過(guò)采用軸承框架與氣缸蓋罩蓋之間的1個(gè)附加鋁合金零件實(shí)現(xiàn)的，在這種應(yīng)用場(chǎng)合因針對(duì)用戶氣缸蓋罩蓋進(jìn)行匹配而需要附加這種鋁合金軸向軸承。在最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況下，該零件可由氣缸蓋罩蓋或氣缸蓋本身來(lái)承擔(dān)，從而無(wú)需附加零件。轉(zhuǎn)換滑桿的導(dǎo)向由凸輪軸軸承附近的滑槽來(lái)承擔(dān)，并由該范圍內(nèi)的1個(gè)鋁合金滑塊予以輔助，否則無(wú)法確保轉(zhuǎn)換滑桿具有足夠的導(dǎo)向。為了在轉(zhuǎn)換過(guò)程中使轉(zhuǎn)換滑桿保持其方位，集成了1個(gè)與彈性定位機(jī)理組合的附加軸向擋板。需要強(qiáng)調(diào)的是，凸輪軸表面結(jié)構(gòu)并無(wú)變化。這種系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有的曲軸箱通風(fēng)裝置狀況下，無(wú)需調(diào)整就能廣泛應(yīng)用。此外，為了對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，已安裝了數(shù)個(gè)傳感器。

4?可靠性試驗(yàn)

在蒂森克虜伯公司凸輪軸產(chǎn)品開(kāi)發(fā)框架中，預(yù)先對(duì)傳統(tǒng)的滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究，再根據(jù)產(chǎn)品認(rèn)可過(guò)程的要求對(duì)PSSC系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)裝置的框架中環(huán)繞附加測(cè)量點(diǎn)擴(kuò)展了相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)。試驗(yàn)裝置相當(dāng)于1種無(wú)氣缸體曲軸箱的倒拖氣缸蓋試驗(yàn)臺(tái)（圖6），用1根軸替代曲軸直接傳動(dòng)到配氣機(jī)構(gòu)，以便將大部分的實(shí)際運(yùn)行條件和發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)皮帶的回行段力傳遞到凸輪軸上?；瑒?dòng)凸輪軸向動(dòng)力學(xué)的重要測(cè)量參數(shù)是氣門(mén)升程、主動(dòng)凸輪執(zhí)行器支座上與方向相關(guān)的轉(zhuǎn)換力、轉(zhuǎn)換滑桿的軸向行程、轉(zhuǎn)換滑桿與被動(dòng)凸輪元件之間的接觸力，以及凸輪軸轉(zhuǎn)角等。MKS對(duì)執(zhí)行器撥銷與主動(dòng)凸輪之間接觸力的模擬比較給出了關(guān)于對(duì)系統(tǒng)預(yù)料不到的影響。在傳統(tǒng)滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)借助于執(zhí)行器上的電阻應(yīng)變片測(cè)量力得到的試驗(yàn)結(jié)果并不可靠，因而為了能產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)，執(zhí)行器結(jié)構(gòu)不得不減弱轉(zhuǎn)換力，由此轉(zhuǎn)換滑槽中執(zhí)行器撥銷的承載狀況明顯惡化。因此，在開(kāi)發(fā)工作框架中開(kāi)發(fā)了1種壓電式力測(cè)量方法。這種方法無(wú)需修改執(zhí)行器，因而測(cè)量系統(tǒng)的剛度與執(zhí)行器的真實(shí)安裝狀況相當(dāng)。在軸向動(dòng)力學(xué)測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)要經(jīng)受持續(xù)的耐久性運(yùn)行，并必須完成從怠速直至設(shè)計(jì)極限轉(zhuǎn)速的各種不同轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速下的幾百萬(wàn)次轉(zhuǎn)換。除此之外，還要進(jìn)行超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，以便即使對(duì)于無(wú)法預(yù)料到的轉(zhuǎn)換狀況也能確保足夠的安全性。耐久性運(yùn)行結(jié)束后再重新進(jìn)行軸向動(dòng)力學(xué)測(cè)量，以便能查明系統(tǒng)摩擦中磨損條件的變化。在最終鑒定零部件時(shí)，要研究摩擦接觸副功能臨界的磨損狀況，此外還要借助于靜態(tài)檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)彈性球限位的軸向力，并與新?tīng)顟B(tài)進(jìn)行比較。根據(jù)動(dòng)力學(xué)測(cè)量結(jié)果就能確定相對(duì)于理論設(shè)計(jì)的良好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖7示出了在執(zhí)行器上測(cè)得轉(zhuǎn)換力與MKS模擬結(jié)果的比較。在緊接著動(dòng)力學(xué)測(cè)量后的超過(guò)700萬(wàn)次轉(zhuǎn)換直至按計(jì)劃試驗(yàn)終了的過(guò)程中該系統(tǒng)一直運(yùn)行正常，并且沒(méi)有出現(xiàn)異常的摩擦磨損情況。

5?結(jié)論和展望

PSSC系統(tǒng)成功地將可靠的滑動(dòng)凸輪技術(shù)與非常?簡(jiǎn)單的控制方法組合起來(lái)，這種結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)能很容易地集成到現(xiàn)有的氣缸蓋結(jié)構(gòu)中，從而能獲得最佳的不連續(xù)的氣門(mén)升程轉(zhuǎn)換，所展示的功能樣機(jī)已證實(shí)了其所具有的良好性能，因此無(wú)需發(fā)動(dòng)機(jī)前置的凸頭結(jié)構(gòu)型式，這種系統(tǒng)同樣能集成到氣缸蓋中。與應(yīng)用傳統(tǒng)的滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)節(jié)省結(jié)構(gòu)空間、質(zhì)量、電纜和密封件，并降低了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬和試驗(yàn)等開(kāi)發(fā)階段就已滿足了對(duì)滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)的要求，從而為這種系統(tǒng)的推廣應(yīng)用作好了準(zhǔn)備。所試驗(yàn)的系統(tǒng)配置能使氣缸蓋上的所有氣門(mén)不工作，顯示出用于P0或P1混合動(dòng)力車在車輛滑行階段不進(jìn)行換氣的可能性，這樣就能使電機(jī)具有更高的回收功率。這種策略的另1個(gè)效果是在車輛倒拖階段無(wú)需為廢氣后處理裝置供應(yīng)新鮮空氣。其他的配置方式，如氣門(mén)升程轉(zhuǎn)換僅用于1根凸輪軸或者應(yīng)用1種三級(jí)氣門(mén)升程轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，同樣也具有一定優(yōu)點(diǎn)，但同樣會(huì)受到傳統(tǒng)滑動(dòng)凸輪系統(tǒng)的限制。目前正在研究進(jìn)一步的設(shè)計(jì)方案，例如采用減少執(zhí)行器數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)停缸，或者在4缸和8缸發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用PSSC技術(shù)。