一種凸輪直驅(qū)式氣門連續(xù)可變升程機構(gòu)的設計

1 引言

汽車作為人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾某鲂泄ぞ撸o人們生活帶來了很大的便利。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，2021年1至11月國內(nèi)累計汽車生產(chǎn)2317.2萬輛

，其中燃油車占比87%，盡管新能源汽車的發(fā)展勢頭很猛，但是傳統(tǒng)燃油發(fā)動機依然是主流汽車的首選目標，且隨著科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)發(fā)動機依然還有很大的發(fā)展空間。由于日益嚴格的排放以及油耗法規(guī)要求，各大汽車公司正開發(fā)各種各樣的發(fā)動機相關(guān)技術(shù)以提高發(fā)動機的綜合性能，例如增壓、缸內(nèi)直噴、可變氣門正時(VVT)、連續(xù)可變氣門升程(CVVL)、米勒循環(huán)、廢氣再循環(huán)、高壓縮比等

。其中CVVL技術(shù)可以使汽油機在高速區(qū)和低速區(qū)都可獲得需求的氣門升程，從而能夠提高汽油機的動力性、改善燃油經(jīng)濟性，并可以降低汽車尾氣排放，目前是汽油機最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。

多年來國外各大汽車公司不斷發(fā)展CVVL技術(shù)，例如2000年寶馬的Valvetronic系統(tǒng)、2007年日產(chǎn)的VVEL系統(tǒng)、2008年豐田的Valvematic系統(tǒng)、2009年菲亞特的Multi-Air系統(tǒng)等等。但國內(nèi)對于CVVL技術(shù)的研究起步較晚，與國外相比有一定的差距，目前在國內(nèi)汽車自主品牌中，僅長城汽車在2019年推出首款商業(yè)化的CVVL系統(tǒng)。目前市面上CVVL技術(shù)主要應用于中高端的車型上，可見CVVL技術(shù)的應用門檻很高，且依然存在一些難題，但是隨著國內(nèi)外汽車廠家研發(fā)投入的不斷增加，CVVL技術(shù)仍然具有較高的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

因此，本文首先簡述了可變氣門升程技術(shù)的原理以及在汽油機上的實現(xiàn)方式，然后提出一種用于實現(xiàn)汽油機氣門升程連續(xù)可變的凸輪直接驅(qū)動式配氣機構(gòu)，可以對提高汽油機的熱效率、改善汽油機的綜合性能、實現(xiàn)節(jié)能減排有著指導意義。

2 汽油機中可變氣門升程實現(xiàn)方式簡述

發(fā)動機氣門的升程即氣門完全開啟時相比氣門關(guān)閉時，氣門沿軸向的位移，表明氣門的最大開啟程度。如圖1(a)所示，傳統(tǒng)的發(fā)動機氣門結(jié)構(gòu)簡單，由單一角度凸輪和單一種類搖臂構(gòu)成，故發(fā)動機在運行過程中氣門升程是固定的。研究表明，發(fā)動機的功率損失主要來自于發(fā)動機進氣以及排氣過程導致的功率損失，傳統(tǒng)發(fā)動機為了盡可能兼顧汽車所有的運行工況，氣門升程的大小通常是折中選擇，因而在汽車動力需求較低時，發(fā)動機處于低速區(qū)，此時氣門的升程偏大，導致發(fā)動機的經(jīng)濟性變差。而在汽車動力需求較高時，發(fā)動機處于高速區(qū)，此時氣門升程偏小，導致發(fā)動機動力性不佳。為了改善這種情況，氣門升程可變技術(shù)應運而生。

2006～2016年，內(nèi)江市環(huán)境監(jiān)測中心站和隆昌市環(huán)境監(jiān)測站對古宇廟水庫飲用水取水口進行了水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測項目包括《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3939—2002)表1中的24項地表水環(huán)境質(zhì)量基本項目及根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)監(jiān)測分析的葉綠素a和透明度。

電液式連續(xù)可變氣門升程結(jié)構(gòu)是通過液壓驅(qū)動進氣門的方式來改變氣門升程，以菲亞特的Multi-Air系統(tǒng)為代表

，如圖2(b)所示，該系統(tǒng)由高壓電磁閥、儲能器、供油活塞、挺柱、凸輪軸等機構(gòu)組成。Multi-Air系統(tǒng)首次打破了傳統(tǒng)汽油機氣門的滾輪搖臂加上液壓機械調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，并取消了汽油機的進氣凸輪和節(jié)氣門，只保留了排氣凸輪，使得電液式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對簡單。Multi-Air系統(tǒng)工作原理是根據(jù)汽車不同運行工況，控制單元接收到信號后，直接通過電磁閥驅(qū)動液壓油，改變液壓腔內(nèi)的油壓和油的體積來實現(xiàn)氣門的升程連續(xù)可變。實現(xiàn)方式為：高壓電磁閥接收到電子控制單元的信號后，立即向液壓腔內(nèi)充入液壓油，根據(jù)運行工況調(diào)節(jié)液壓腔內(nèi)的油壓和油體積，動作完成后關(guān)閉電磁閥，氣門升程發(fā)生變化，此時由于預緊彈簧的作用，進氣門保持關(guān)閉。當排氣凸輪開始工作后，排氣凸輪轉(zhuǎn)動可以驅(qū)動供油活塞內(nèi)的液壓油，使得進氣門跟隨運動。與傳統(tǒng)汽油機相比，Multi-Air系統(tǒng)可以在降低10%的燃油消耗率的同時，提高了15%的最大扭矩和10%的最大功率。電液式連續(xù)可變氣門升程可變結(jié)構(gòu)改進了電機械式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復雜、機動性差等缺點，取消了進氣凸輪和節(jié)氣門后，電液控制系統(tǒng)更為靈活精準，且大大提高了發(fā)動機的響應速度。但是缺點是由于每個氣缸的進氣門處都需設立一套液壓機構(gòu)，成本高。同時該技術(shù)受液壓油的影響較大，液壓油存在泄漏的風險，并且環(huán)境溫度的變化會導致液壓油的含氣量、粘度以及流動特性發(fā)生變化，使得控制極為復雜，可靠性低，這些因素極大的限制了電液式連續(xù)可變氣門升程可變結(jié)構(gòu)的推廣。

不穩(wěn)定性心絞痛(unstable angina pectoris)為冠心病的一種重要分型,臨床表現(xiàn)上介于勞累性穩(wěn)定型心絞痛與急性心肌梗死和猝死之間,若治療不及時,隨時有心肌梗死甚至猝死的危險。目前臨床上西醫(yī)常見治療以鈣離子拮抗劑、口服阿司匹林、硝酸酯類等抗凝、抗血小板聚集、改善心肌供血、降低心肌耗氧量等藥物治療為主[1],近年來研究顯示,中西醫(yī)結(jié)合治療本病優(yōu)越性較好。復方丹參滴丸是中成藥中治療冠心病的代表藥物之一,將其與常用西藥聯(lián)用是否可提高療效尚不可知。為此本文選取老年不穩(wěn)定型心絞痛患者64例,分析中西聯(lián)用治療效果,報告如下:

相較于其他發(fā)動機技術(shù)，氣門升程可變技術(shù)發(fā)展較為緩慢。在20世紀80年代，國外本田公司首先研發(fā)出VTEC系統(tǒng)實現(xiàn)了分段式氣門可變升程，如圖1(b)所示，該系統(tǒng)是一個凸輪切換機構(gòu)，由兩種不同角度凸輪和兩種不同搖臂組成，當發(fā)動機處于中低轉(zhuǎn)數(shù)工況時(低于4500rpm)，采用低轉(zhuǎn)數(shù)凸輪；當發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)數(shù)工況時(高于4500rpm)，VTEC系統(tǒng)切換為高轉(zhuǎn)數(shù)凸輪，類似于階躍響應，隨后發(fā)動機的動力會爆發(fā)出來，產(chǎn)生強大的后加速階段。早期的VTEC系統(tǒng)只能實現(xiàn)氣門升程的兩段式可調(diào)，2002年后，本田改進了技術(shù)，實現(xiàn)了氣門升程三段式可調(diào)，發(fā)動機的性能也得到了很大的提高。隨后各大公司也紛紛推出各自的氣門升程可變系統(tǒng)，例如奧迪的AVS、保時捷的CariocamPlus等系統(tǒng)。雖然這些系統(tǒng)只能實現(xiàn)汽油機氣門升程的分段式可調(diào)，還不能充分發(fā)揮發(fā)動機的性能，但是分段式可調(diào)技術(shù)的出現(xiàn)極大的推動了氣門升程可變系統(tǒng)的發(fā)展。

電機械式連續(xù)可變氣門升程結(jié)構(gòu)是通過純機械的驅(qū)動方式來改變氣門的升程，以寶馬公司的Valvetronic系統(tǒng)為代表

，如圖2(a)所示，該系統(tǒng)由電機、蝸桿、渦輪、偏心軸、搖臂、中間推桿、進氣凸輪軸等機構(gòu)組成，這是世界上第一個取消了汽油機節(jié)氣門并商用化的技術(shù)。該系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)汽油機的滾輪搖臂加上液壓機械調(diào)節(jié)器，并增加了一個過渡搖臂裝置，中間推桿的頂部滾輪始終與偏心凸輪保持接觸。該系統(tǒng)的工作原理是通過改變系統(tǒng)的搖臂比，從而連續(xù)調(diào)節(jié)氣門的升程。實現(xiàn)方式為：控制單元發(fā)出信號后，電機驅(qū)動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動渦輪上偏心軸在0-170度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動，從而改變偏心軸上偏心凸輪的轉(zhuǎn)動角度，調(diào)整搖臂的擺動中心。當偏心凸輪的基圓與搖臂的頂部滾輪接觸時，汽油機可獲得最小的氣門升程；當偏心凸輪的工作圓弧與搖臂接觸時，可獲得最大的氣門升程。Valvetronic系統(tǒng)使汽油機在不改變進氣凸輪的情況下，實現(xiàn)氣門升程在一定范圍內(nèi)的無極可變，系統(tǒng)的優(yōu)點是響應速度快，且相較于傳統(tǒng)汽油機，可以降低10%的燃油消耗率，有效的提升了汽車的燃油經(jīng)濟性。但是Valvetronic系統(tǒng)存在機械結(jié)構(gòu)復雜，機動性差，可靠性低，成本較高等問題，且需要配合寶馬公司專門設計的VANOS可變氣門正時系統(tǒng)，才能滿足發(fā)動機的全工況運行。另外一款日產(chǎn)的VVEL電機械式連續(xù)可變氣門升程系統(tǒng)，也是通過改變搖臂旋轉(zhuǎn)中心的方式連續(xù)改變氣門升程，雖取消了扭簧等回位結(jié)構(gòu)，但依然存在結(jié)構(gòu)復雜、成本高等問題，這些因素限制了電機械式連續(xù)可變氣門升程結(jié)構(gòu)的廣泛應用。

隨著各大汽車公司以及高校研發(fā)的不斷投入，人們研究出了氣門升程連續(xù)可變系統(tǒng)，相較于分段式升程可變系統(tǒng)，CVVL技術(shù)可以通過連續(xù)改變氣門升程、開啟持續(xù)期和氣門正時來控制發(fā)動機的進氣量以及負荷，極大地降低了汽油機的泵氣損失，從而提高了熱效率。隨著CVVL技術(shù)不斷發(fā)展，目前市場上主要存在兩種結(jié)構(gòu)形式，分別是電機械式連續(xù)可變氣門升程結(jié)構(gòu)和電液式連續(xù)可變氣門升程結(jié)構(gòu)。

由于很多學生都是獨生子女，長期受到父母和長輩的溺愛，存在嚴重的叛逆心理，主觀意識較強，不愿意受到管束，許多學校由于受傳統(tǒng)教育及管理思想的影響，在學生犯下錯誤需要進行管理的時候，更多的是進行訓斥，缺少正常溝通，一味說教，挫傷了學生的自尊心，導致學生在違反校規(guī)校紀時，對學生的管理只會適得其反，對教師產(chǎn)生厭惡，直接導致學習成績下降。大多數(shù)的管理制度都太系統(tǒng)化，導致學生和學校的矛盾糾紛越來越多。因此，管理制度應該堅持以人為本，以人為本的制度理念可以增加學生的學習自主性，構(gòu)建良好的校園風氣，為校園發(fā)展提供正能量。

3 一種用于凸輪直驅(qū)式氣門的升程連續(xù)可調(diào)機構(gòu)

通過對分段式可變、電機械式連續(xù)可變和電液式連續(xù)可變氣門升程技術(shù)的實現(xiàn)方式簡述以及對比，可以發(fā)現(xiàn)，CVVL技術(shù)相較于分段式氣門升程可變技術(shù)，雖然存在成本高，可靠性低等缺點，但是可以實現(xiàn)更加靈活的氣門升程控制，在改善汽油機的燃油經(jīng)濟性以及提高動力性方面有著明顯的優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿σ哺?。故針對CVVL技術(shù)設計一種用于凸輪直驅(qū)式氣門的升程連續(xù)可調(diào)機構(gòu)，以改善CVVL技術(shù)目前存在的缺陷。

（3）態(tài)勢評估：根據(jù)已經(jīng)確定的指標體系，定性定量的分析網(wǎng)絡當前的安全狀態(tài)，尋找薄弱環(huán)節(jié)，并給出相應的解決方案。

3.1 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成

本文設計的氣門連續(xù)可調(diào)機構(gòu)為電機械式連續(xù)可變氣門升程結(jié)構(gòu)。如圖3所示，由電機、主動齒輪、從動齒輪、蝸桿、滑塊、基圓輪、凸輪軸等機構(gòu)組成，保留傳統(tǒng)汽油機氣門調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的同時，在氣門與凸輪軸之間設計了一個升程調(diào)節(jié)機構(gòu)，該機構(gòu)集成在氣門內(nèi)。在凸輪兩側(cè)設計有對稱基圓輪，直徑與凸輪的基圓直徑相等，用于避免氣門沖擊，保證在任何氣門升程下該配氣機構(gòu)能夠平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。蝸桿與從動齒輪固聯(lián)以保證力的傳遞，滑塊內(nèi)側(cè)的螺紋與蝸桿嚙合以實現(xiàn)滑塊的軸向運動。設計的機構(gòu)中使用的凸輪軸雖然相比于傳統(tǒng)汽油機的凸輪軸增加了基圓輪，但凸輪軸制造方式?jīng)]有變化，因而不會明顯增加這方面的成本。該裝置比起目前市場上主流的商用化連續(xù)可變氣門升程產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊，傳動穩(wěn)定性高，工作更為可靠，成本也足夠低廉。相較于寶馬Valvetronic系統(tǒng)的電機械式結(jié)構(gòu)，省去了大量機械桿件，反應更快，可以很好地適配高轉(zhuǎn)速發(fā)動機，也不會存在電液式機構(gòu)的泄漏液壓油等問題，后期修護方便

。

3.2 機構(gòu)的工作原理

設計的機構(gòu)工作原理為：當發(fā)動機的轉(zhuǎn)數(shù)發(fā)生變化時，ECU單元發(fā)出信號，通過驅(qū)動電機帶動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，主動齒輪帶動從動齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了單級減速，同時可以放大電機的驅(qū)動扭矩。和從動齒輪固連的蝸桿與從動齒輪同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動與蝸桿通過螺紋嚙合的滑塊沿著滑槽做直線運動，滑塊上表面與凸輪軸上的凸輪接觸，進而可以改變氣門升程。因此通過控制滑塊沿滑槽的上下運動，改變滑塊的相對位置即可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)氣門的升程。此外，凸輪兩側(cè)設計的基圓輪，與連續(xù)升程調(diào)節(jié)機構(gòu)外殼的上表面接觸，可以保證配氣機構(gòu)傳動平穩(wěn)，避免了沖擊。圖4為汽油機氣門完全開啟時機構(gòu)的狀態(tài)，如圖4(a)所示，滑塊在電機驅(qū)動下沿著滑槽運動至最高點，即滑塊上表面與升程調(diào)節(jié)機構(gòu)的上表面齊平，此時氣門升程達到最大值。圖4(b)為滑塊在電機驅(qū)動下運動至最低點，滑塊下表面與升程調(diào)節(jié)機構(gòu)下表面接觸，此時氣門升程達到最小值。

4 結(jié)語

本文先介紹了市場上主流的可變氣門升程機構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)方式，發(fā)現(xiàn)CVVL系統(tǒng)作為汽油機最有前景的技術(shù)之一，這些系統(tǒng)目前普遍存在結(jié)構(gòu)復雜、成本高、維護難等問題，故本文在此基礎(chǔ)上提出了一種用于凸輪直驅(qū)式氣門的連續(xù)可調(diào)機構(gòu)。保留汽油機原有配氣機構(gòu)的同時，僅在氣門與凸輪軸之間增加了一個升程調(diào)節(jié)機構(gòu)，相較于市場上已廣泛使用的CVVL產(chǎn)品，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)更加簡單緊湊、成本較低、響應速度快、可靠性高以及維護方便，在提高汽油機動力性的同時能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排。本文的設計可以為汽油機CVVT技術(shù)的發(fā)展提供指導作用。

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