發動機滑動式凸輪軸系統

摘 要：文章主要針對發動機滑動式凸輪軸系統的相關內容進行了介紹，并指出其技術難點，還對發動機滑動式凸輪軸系統的市場前景做出了展望，希望可以為相關人員提供幫助。

關鍵詞：凸輪軸；發動機；工作原理

1 系統介紹

凸輪軸是內燃機的一個重要部件，它的主要作用是控制氣門的開啟和閉合。傳統的凸輪軸通常采用冷激鑄鐵或鍛造的方式制造毛坯，然后采用車削和磨削的方式加工而成。另外一種方式是裝配式凸輪軸，是采用壓裝的方式將凸輪片、信號輪等各種組件裝到鋼管上，然后采用與鑄造或鍛造凸輪軸類似的加工工藝加工而成。滑動式凸輪軸是一種新型的凸輪軸設計，它能夠根據發動機的負載調整氣門升程以及關閉氣門，從而實現節省燃油的目的。該技術的最大優勢是節省燃油，測試結果顯示，使用滑動式凸輪軸可以節省約8%的燃油消耗，如果增加了停缸功能，則油耗節省將更加明顯。

2 凸輪軸系統構成和工作原理

滑動式凸輪軸系統由兩部分組成，一個是機械部分，即滑動式凸輪軸。另外一部分是電磁驅動器。滑動式凸輪軸是由中間的芯軸、凸輪塊及其他連接部件組成。凸輪塊和芯軸是采用花鍵連接，凸輪塊可以在芯軸上滑動。一個凸輪塊上有兩組凸輪，每組凸輪上各有一個高角度凸輪和一個低角度凸輪。在凸輪塊的兩端各有一個螺旋溝槽，如圖1所示。

當發動機在怠速或低載工況下運行時，低角度凸輪與氣門挺桿結合，氣門處于低升程狀態。當發動機處于高負荷時，如重載或加速時，汽車ECU會發送信號給電磁驅動器，電磁驅動器中的金屬銷彈出，插入凸輪塊上的螺旋溝槽中。凸輪塊在旋轉過程中，凸輪塊在電磁驅動器插銷的推動下，切換到高角度凸輪上，增大了氣門的升程，這樣就能提供給燃燒室最佳的進氣流量和進氣流速，實現更加強勁的動力輸出，滿足車輛的加速或重載要求。同樣的工作原理，當發動機處于部分負荷時，為了追求發動機的節油性能，電磁驅動器會將凸輪塊推到低角度凸輪側，從而減少氣門升程，減少功耗和燃油消耗。

滑動式凸輪軸通過變形設計，可以和發動機停缸技術結合起來。當發動機處于部分負載狀態下時，電磁驅動器可以將凸輪塊推到零升程位，即軸頸位置，這時氣門停止運動，ECU發出指令讓噴油嘴停止噴油，發動機停止點火，汽缸停缸。使用該系統，四缸機可以實現兩缸、三缸和四缸運行，從而大大節省在怠速工況下的燃油節省，但如果要實現單數缸運行，為了減少發動機振動，需要配上平衡軸系統，并實現在雙數缸運行時的離合裝置。另外，為了防止凸輪塊在芯軸上的軸向竄動，在芯軸上還設計了一個鎖止機構，如圖2所示。

這個鎖止機構是在芯軸內裝了一個彈簧加載鋼球，用于在部分負載和全負載位置給凸輪塊定位。

3 技術難點

第一，滑動式凸輪軸系統的結構簡單，對發動機的改動量小，但難點在系統集成，需要在防發動機ECU上集成一個控制模塊，并根據車輛開發的場景假設進行系統標定。

第二，電磁驅動的響應時間要極其快速而精確，要求從接收到指令到插銷插入螺旋溝槽的時間要低于10ms，完成整個升程切換的時間要低于20ms，圖3為電磁驅動器的工作原理圖。

螺旋溝槽（剖面圖）綠色部分是電磁驅動器銷軸安全插入區；銷軸必須在這段區域內完成銷軸入槽，否則將可能插不入槽，甚至發生撞擊，從而損壞電磁驅動器。銷軸在安全區域插入螺旋溝槽后，將在芯軸的旋轉作用下推動滑動塊在軸向移動，完成高低角度凸輪的切換。圖中粉紅區域就是凸輪塊的滑動區域，高低角度凸輪的須在這段時間內完成。白色區域是螺旋溝槽將電磁驅動器銷軸頂回原位的區域。這時電磁驅動器銷軸在內部彈簧和永磁鐵的雙重作用下，將銷軸保持在原位，不至于在發動機振動和車輛顛簸時，掉下來發生意外。

第三，花鍵槽的加工和凸輪塊的機加，關鍵尺寸要求加工精度達到微米級，如凸輪型線加工、花鍵和花鍵槽的機加工。鎖止機構的設計也是一個難點，需要特別注意。

第四，因滑動式凸輪軸要在高速旋轉的狀態下完成高低角度凸輪的切換，而且切換速度非常快，還有鎖止機構參與，如果設計不當或制造精度不夠將可能產生NVH問題，需要在系統設計和發動機集成時予以特別關注。

4 市場應用及競爭的技術路線

奧迪和大眾從2006年開始量產他們的第一代滑動式凸輪軸系統（AVS），當前使用該滑動式凸輪軸系統的發動機年產量已經超過100萬臺；奧迪和大眾在2012年量產了第二代帶停缸功能的滑動式凸輪軸系統，現在正在開發第三代“可變升程+停缸技術”的滑動式凸輪軸系統，預計在2016年前后量產。

戴姆勒公司也已量產了類似的滑動式凸輪軸系統。其他廠家如福特、通用和PSA等對該技術也表現出濃厚的興趣。世界上很多汽車廠商都有自己的可變升程系統，本田采用的系統是i-vtec，該技術利用一個銷子來鎖住或脫開第三根搖臂和第三個凸輪來實現變升程的目的。寶馬公司的Valvetronic系統在傳統的配氣相位機構上增加了一根偏心軸，一個步進電機和中間推桿等部件，該系統借由步進電機的旋轉，再在一系列機械傳動后很巧妙的改變了進氣門升程的大小。

5 滑動式凸輪軸系統的市場前景

滑動式凸輪軸系統結構簡單，機構的變化主要在凸輪軸上，對發動機系統的改動不大。最大的挑戰在系統集成上，主機廠必須具備該系統的集成能力，以發揮該系統的節油優勢。當前該技術在大眾和奧迪的發動機上的應用已經非常成熟，會逐漸成為他們發動機的一種標準配置。戴姆勒采用類似技術的發動機也已量產，其他廠家如福特、通用和PSA等對該技術也表現出濃厚的興趣，市場前景廣闊。

同時我們也需要看到，混合動力汽車、純電動汽車及氫燃料電池汽車技術也正在日趨成熟，一旦在動力電池和氫燃料電池的技術和成本上獲得突破性進展，則發動機在汽車中的核心地位將被大大減弱，主機廠將不會花更多的人力、物力和資本在滑動式凸輪軸技術的研發上。不過，根據當前的市場分析，未來二十年內，裝備有內燃機的汽車仍然是市場的主流。真正對該技術的推廣造成的威脅是混合動力汽車，當前的主流廠家基本上都在研發自己的混合動力汽車，特別是重混混合動力汽車、插電式和增程式混合動力汽車。在這些混合動力汽車中，發動機作為傳統內燃機汽車中唯一或支配性動力的地位已經被動搖，逐漸淪為配角。相應地，整車系統對其的要求也越來越低，僅僅作為輔助動力。內燃機也將向小型化和低成本方向發展，向滑動式凸輪軸系統這種昂貴的解決方案，注定其只是一個過渡性產品。但我們也必須認識即使是混合動力汽車，要真正成為主流要需要非常長的一個時期，這個過程保守估計也要十五年左右。在此之前，主機廠仍然需要將精力放在節能汽車的潛力挖掘上，滑動式凸輪軸作為一個成熟而高性價比方案，將有十分光明的市場前景。

作者簡介：周培良，男，漢，籍貫：四川省成都市大邑縣，職務：技術中心主任，學歷：大學本科（哈爾濱工業大學，機電控制及自動化專業畢業），單位：寧波圣龍汽車動力系統股份有限公司，研究方向：發動機潤滑系統、配氣系統、變速器系統、新能源汽車和智能汽車。