發動機配氣機構環境適應性及可靠性新技術：凸輪型線DoE優化設計

凌紅芳，羅文水，許瑩瑩

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640)

發動機配氣機構環境適應性及可靠性新技術：凸輪型線DoE優化設計

凌紅芳，羅文水，許瑩瑩

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 510640)

汽車發動機作為汽車的核心部件，其環境適應性及可靠性尤為重要。本文應用先進的DoE理論，基于EXCITE Timing Drive模型，對國內某款1.6L VCT汽車發動機配氣機構凸輪型線進行優化設計，優化后發動機環境適應性及可靠性有了顯著提升。

發動機優化；凸輪型線；試驗設計；環境適應性；可靠性

引言

汽車發動機技術是衡量主機廠是否具有自主研發能力的關鍵核心技術。其工作環境異常惡劣，如何提高發動機的環境適應能力，改善發動機工作工況，增長發動機壽命，成為個大主機廠爭相研究的主題。

配氣機構是發動機的重要組成部分，配氣機構性能的好壞直接影響到發動機的環境適應性（經濟性、動力性、排放特性）及可靠性，并對發動機的噪聲與振動產生直接影響。優化配氣機構的力學性能（動力學及運動學特性）對提升整機性能，提高發動機對環境的適應能力十分關鍵。近年來隨著發動機技術的高速發展，其性能要求日益嚴苛：整機必須在各種復雜環境中平穩、可靠地運行，這對配氣機構的力學特性提出了更高的要求。

為了在日新月異的汽車市場中占有一席之地，各大汽車公司必須在有限的時間內推出高質量的產品，而提高了動機的環境適應性才能確保其能在各種工況下工作，性能穩定，質量才能體現。此時DoE技術不可避免地成為當代汽車設計中必不可少的工具。DoE技術不僅能夠呈現出參數間的相互關系，有效進行優化設計，還能大幅節省實驗室階段研發費用，縮短產品開發周期，提高產品環境適應性。

DoE技術在發動機設計應用領域涵蓋、凸輪應力、冷起動排放控制、進排氣門設計、可變配氣機構的優化等。在發動機設計時采用DoE技術不僅能夠提高產品環境適應性，還能降低成本的同時縮短新產品投放市場的周期，對于中國企業自主研發能力的提升十分關鍵。

本文優化目標為最大凸輪接觸應力、最大躍度及豐滿系數。最大躍度及豐滿系數，對發動機的環境適應能力十分重要，最大凸輪接觸應力對發動機的可靠性十分關鍵。

1.動機配氣機構模型的建立

根據某企業1.6L VCT發動機配氣機構結構特征，在Excite Timing Drive中建立模型如圖1和圖2所示。

此運動學模型包括六個模塊，分別為凸輪型線、潤滑單元、液壓挺柱、氣門桿、氣門閥面和氣門彈簧。

此動力學模型包括十個模塊，分別為旋轉激勵、凸輪軸、徑向軸承、相位單元、凸輪型線、潤滑單元、液壓挺柱、氣門桿、氣門閥面和氣門彈簧。

2.k析因設計

2.1.點方案設計及仿真試驗

仿真試驗分析p、q、r、s、C4及半包角對最大凸輪接觸應力、最大躍度及豐滿系數的影響，要求：

1） 0.1 < C4< 0.4

2） 8≤p < q < r < s≤60，且均為偶數

3） 59 (°CA)≤半包角≤ 64 (°CA)

根據2k析因法取各因素最高、最低水平需進行26共計64次仿真試驗，按照布點進行仿真試驗。

2.2.感性分析

如最大躍度方差分析表1所示，r、s的t檢驗顯著性系數Sig值并不小于0.05，即r、s對最大躍度的影響不顯著；而p值的F檢驗回歸系數F值最大，因而根據方差分析p值對最大躍度的影響最為顯著。

如最大凸輪接觸應力方差分析表2所示，只有p的t檢驗顯著性系數Sig值小于0.05，即涉列的6個參數中僅p值對最大凸輪接觸應力的影響顯著。

表2 最大凸輪接觸應力方差分析表

如豐滿系數方差分析表3所示，只有半包角的t檢驗顯著性系數Sig值不小于0.05，即涉列的6個參數中僅半包角對豐滿系數的影響不顯著；而p值的F檢驗回歸系數F值最大，因而根據方差分析p值對豐滿系數的影響最為顯著。

在p、q、r、s、C4及半包角6個參數中，p值對最大躍度、最大凸輪接觸應力及豐滿系數的影響最為顯著，應重點分析。

3.輪應力優化

3.1.點方案設計及仿真試驗結果

仿真試驗布點應選取具備統計意義的各參數最大值點、最小值點、上1/4分位點、下1/4分位點及中點作為仿真試驗布點。考慮到半包角及C4對目標參數影響呈線性，為使建模更為準確，重點研究半包角為62°CA，C4為0.1時p、q、r及s對最大凸輪接觸應力、最大躍度及豐滿系數的影響，按照布點方案進行仿真試驗。

表3 豐滿系數方差分析表

3.2.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s對最大躍度的SPSS優化分析

經初步數據分析發現最大躍度隨p、q、r、s的變化趨勢呈現出一致性，即最大躍度值隨p、q、r、s值的增加嚴格遞增，為體現這一規律并體現p、q、r、s的共同作用規律選擇p+q+r+s及p*q*r*s作為影響參數重點分析。

3.2.1.+q+r+s對最大躍度的影響

如表4所示，SPSS提供的11種常用擬合函數中Cubic函數對數據擬合程度最高，選擇Cubic函數建立回歸方程。

根據圖3中Cubic函數參數估計值寫出回歸方程：Y= 348.706-2.473x-0.016x2， 調 用 Mathematica解 方 程得Y<1000 mm/rad3時，x<138.77，即p+q+r+s取值小于138.77時最大躍度值不超過1000 mm/rad3。由于8 < p

表4 p+q+r+s 最大躍度SPSS曲線分析總表

3.2.2.*q*r*s對最大躍度的影響

如表5所示，SPSS提供的11種常用擬合函數中Cubic函數對數據擬合程度最高，選擇Cubic函數建立回歸方程。

根據圖4中Cubic函數參數估計值寫出回歸方程：Y= 408.053+0.001x-1.3*10-10x2+6.63*10-18x3， 調 用Mathematica解方程得Y<1000 mm/rad3時，x<644109.0，即p*q*r*s取值小于644109.0時最大躍度值不會超過1000 mm/rad3。由于 8 < p < q < r < s < 60，且 p、q、r、s均為偶數，為使最大躍度值不超過1000 mm/rad3，p的取值應小于24。

3.3.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s對豐滿系數的SPSS優化分析

經初步數據分析發現豐滿系數隨p、q、r、s的變化趨勢呈現出一致性，即豐滿系數值隨p、q、r、s值的增加嚴格遞增，為體現這一規律并體現p、q、r、s共同作用規律選擇p+q+r+s及p*q*r*s作為影響參數重點分析。

3.3.1.+q+r+s對豐滿系數的影響，如表6所示，SPSS提供的11種常用擬合函數中Cubic函數對數據擬合程度最高，選擇Cubic函數建立回歸方程。

根據圖5中Cubic函數參數估計值寫出回歸方程：Y= 0.443+0.001x+9.01*10-7x2-7.1*10-9x3， 調用Mathematica解方程得Y > 0.55時，x > 105.23，即p+q+r+s取值大于105.23時豐滿系數值不低于0.55，且p+q+r+s取值越大豐滿系數值亦越大。

3.3.2.*q*r*s對豐滿系數的影響

如表7所示，SPSS提供的11種常用擬合函數中Power函數對數據擬合程度最高，選擇Power函數建立回歸方程。

根據圖6中Power函數參數估計值寫出回歸方程：Y=0.335x0.038， 調用Mathematica解方程得Y>0.55時，x>241517.0，即p*q*r*s取值大于241517.0時豐滿系數值不低于0.55，且p*q*r*s取值越大豐滿系數值亦越大。

3.4.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s對最大凸輪接觸應力的SPSS優化分析

仿真試驗數據SPSS分析得出以下結論：

1） 仿真試驗數據顯示，最大凸輪接觸應力隨p、q、r及s值的增大而減小為使最大凸輪接觸應力值小，p、q、r及s取值應盡可能較大。

2） p、q、r及s值相差增大時最大凸輪接觸應力增大，為使最大凸輪接觸應力值小p、q、r及s取值應盡可能最小差距。

3.5.于EXCITE Timing Drive模型的凸輪應力多目標SPSS優化結果

基于EXCITE Timing Drive模型的凸輪型線多目標SPSS優化分析得出4點結論：

在p、q、r、s、C4及半包角6個參數中，p值對最大躍度、最大凸輪接觸應力及豐滿系數的影響最為顯著。

為同時滿足最大躍度及豐滿系數要求p、q、r、及s的取值范圍應為 241517.0 < p*q*r*s < 644109.0，即p的取值范圍為18 < p < 24。

由于豐滿系數取值對充氣效率影響較大，多目標優化時應保證最大躍度不超過1000 mm/rad3同時使豐滿系數盡可能最大，即p取值應盡可能接近理論最大值24。

由于最大凸輪接觸應力隨p、q、r、s值的增大而減小，應使p的取值盡可能接近理論最大值24并使p、q、r、s之間差值較小從而獲得較小的最大凸輪接觸應力。

綜合以上四點結論，最大凸輪接觸應力、最大躍度及豐滿系數的最優p、q、r、s取值方案及仿真試驗結果如表8中所示。

新豐滿系數值的減小是受最大躍度值的限制，如將最大躍度放大至原水平（1469 mm/rad3），經優化后，豐滿系數提升0.22%。最大凸輪接觸應力能夠減小40.4%。從優化數據來看，原模型已經接近最大躍度值為1469 mm/rad3時的理論最大豐滿系數，不存在大幅提升空間，而最大凸輪接觸應力存在較大縮減空間。

4.論

凸輪型線力學性能（動力學、運動學特性）的提升，對于優化配氣機構及發動機的環境適應性及可靠性具有十分重要的指導意義。本文研究結果表明：

1）在p、q、r、s、C4及半包角6個參數中，p值對最大躍度、最大凸輪接觸應力及豐滿系數的影響最顯著。

2）由于豐滿系數的取值對充氣效率影響較大，多目標優化時應保證最大躍度不超過1000 mm/rad3的同時使豐滿系數盡可能最大，即p的取值應盡可能接近理論最大值24。

表8.、q、r、s取值方案及仿真試驗結果

3）由于最大凸輪接觸應力隨p、q、r、s值的增大而減小，應使p的取值盡可能接近理論最大值24并使p、q、r、s之間差值較小從而獲得較小的最大凸輪接觸應力。

4）DoE技術不僅能夠大幅縮減試驗樣本容量節省試驗經費及時間，亦能夠達到理想的優化效果，即豐滿系數提升0.22% 最大凸輪接觸應力能夠減小40.4%。大大的提高了發動機環境適應性。

豐滿系數的提升及凸輪接觸應力的降低對于提升凸輪型線的動力學運動學特性十分關鍵，對于提升整機的環境適應能力及可靠性具有十分重要的價值和意義。

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The Environmental Worthiness and Reliability New Technology of Vehicle Engine Valve Train: the Cam Prof i le DoE Optimization Design

LING Hong-fang，LUO Wen-shui，XU Ying-ying
（Guangzhou Automobile Group CO., LTD Automotive Engineering Institute，Guangzhou 510640）

The enviromenttal worthiness and reliability of the engine which is the key part of the vehicle is very important.This paper applied Advanced DoE theory which base on EXCITE Timing Drive model to the optimization design of domestic 1.6L VCT gasoline engine valve train cam profile. The result show that engine Environmental worthiness and reliability have a remarkably improvement after the optimization.

engine optimization；cam profile；test design；enviromenttal worthiness；reliability

TK421

A

1004-7204（2012）03-0039-06

凌紅芳、出生年月：1984.1、性別：女，籍貫：廣西宜州、民族：漢、職稱：工程師，所獲學位：學士，目前主要從事整車集成工作，研究整車總布置。