連續可變搖臂式氣門驅動裝置的設計分析

屈小貞，陳雙，李妮，張忠洋

（1.遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001；2. 莊河漁港監督，遼寧 莊河 116400）

連續可變搖臂式氣門驅動裝置的設計分析

屈小貞1，陳雙1，李妮2，張忠洋1

（1.遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001；2. 莊河漁港監督，遼寧 莊河 116400）

文章介紹了一種連續可變搖臂式氣門驅動裝置。該連續可變搖臂式驅動裝置是基于傳統指狀搖臂式氣門機構，利用可滑動的滑塊總成結構取代傳統搖臂中的滾子結構。滑塊總成結構通過驅動機構控制，使其在搖臂空腔內沿滑槽左右滑移，以改變凸輪與滑塊總成中滾子的接觸位置，進而改變搖臂的擺動幅度，從而實現氣門升程的連續可變。該氣門驅動裝置的結構布置緊湊及其動力傳遞路線短，便于滿足發動機總布置的設計要求。

連續可變；可變搖臂；滑塊總成；驅動機構

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-20-03

前言

傳統發動機氣門機構的氣門位移曲線是固定不變的，設計時需綜合考慮發動機低速和高速時的工況，兼顧發動機在低負荷和高負荷時的整體工作性能。因此傳統氣門機構的固定氣門升程導致了發動機在低速時的燃油經濟性和高速時的動力性能均達不到最佳效果。

連續可變氣門機構是根據發動機不同工況而選擇合理的氣門升程和氣門相位，使氣門升程和相位始終處于理想狀態。連續可變氣門機構通過選擇合理的氣門升程來控制進入氣缸內的氣體體積總量，兼顧到發動機低負荷時的燃油經濟性和高負荷時的動力性[1-2]。相對市場上現有的連續可變氣門機構，本文提出了一種基于傳統指狀滾子搖臂式氣門機構的連續可變搖臂式氣門驅動裝置。

1 連續可變搖臂式氣門驅動裝置的結構設計

本文設計的一種連續可變搖臂式氣門驅動裝置[3]的結構布置如圖1所示。該連續可變搖臂式氣門驅動裝置是基于傳統指狀搖臂式氣門機構設計的，利用可滑動的滑塊總成結構取代傳統搖臂中的滾子結構。滑塊總成結構通過驅動機構控制其在搖臂內空腔中的滑槽上左右滑動，以改變凸輪轉動時與滑塊總成結構中滾子的接觸位置，進而改變搖臂繞挺桿的擺動幅度，從而改變搖臂驅動氣門上下運動的開啟深度。因此該驅動裝置具有結構簡單、穩定性好，且動力傳遞路線短，各部件運動慣性小，易于滿足發動機總布置的設計要求等特點。

圖1 連續可變搖臂式氣門驅動裝置結構圖

圖2 連續可變搖臂式氣門驅動裝置剖視圖

圖3 滑塊總成結構

如圖2所示的結構剖視圖中，搖臂為空腔結構，其空腔前后兩側壁上設置有兩個圓弧滑槽。滑塊總成結構是基于支撐座與搖臂內的空腔底部接觸，且與弧線成相切位置，保障支撐座能在空腔內平順滑動。支撐座內設置有貫穿其前后兩側壁的圓柱銷及其繞圓柱銷自由轉動的滾子結構如圖 3所示。貫穿其兩側壁的圓柱銷兩端落座在空腔兩側的兩個圓弧滑槽內，圓柱銷兩端通過滾子軸承與圓弧滑槽配合。支撐座隨圓柱銷在滑槽內左右滑移時，滾子始終與凸輪基圓處于相切位置。為防止滑塊總成結構在滑槽內向右端滑移角度較大時，滾子與凸輪接觸位置產生側滑而影響搖臂正常工作時的上下擺動。在凸輪軸上基于凸輪兩側布置兩個凸輪軸軸肩如圖2所示，其凸輪軸軸肩位置正對應于搖臂的兩側圓弧，且凸輪軸軸肩的外徑與搖臂兩側圓弧相切。

如圖3所示，為保障滑塊總成結構處在滑槽內某一位置相對固定時，通過一方形扭簧作用在滑塊總成上端面與滑槽的上表面。方形扭簧的一端與支撐座一端固定，其兩側分別設置在左右兩側的滑槽內。方形扭簧利用滑槽的形狀使支撐座與搖臂內腔結構吻合且能在滑槽上某一位置保持相對穩定靜止狀態。

滑塊總成結構在搖臂空腔中的滑動是通過驅動機構實現的。驅動機構通過鎖止螺栓、螺桿及十字軸萬向節，控制滑塊總成使其在搖臂中空腔內的滑槽上左右滑移。其中支撐座右端的鉸接銷與螺桿通過十字軸萬向節連接。螺桿與驅動機構采用花鍵配合，使驅動機構能夠驅動螺桿旋轉，又能使螺桿沿驅動機構輸出軸線方向左右旋進。當螺桿靜止時，螺桿通過鎖止螺栓鎖死，使滑塊總成相對搖臂處于靜止位置。

驅動機構是由交流伺服電機或電磁驅動器來控制完成。如果采用電磁驅動器的話，螺桿屬性為配套使用的永磁螺桿。同時利用電磁驅動器的正負極特性，來改變電磁驅動器的電磁方向來驅動永磁螺桿的移動方向。

2 連續可變搖臂式氣門驅動裝置的運動特性分析

凸輪隨凸輪軸逆時針轉動時，凸輪推動滑塊總成中的滾子繞圓柱銷轉動，滾子通過其滑塊總成結構帶動搖臂繞挺桿擺動，以實現氣門的開啟和關閉。如圖1所示的結構圖中，滑塊總成所處位置為氣門機構初始位置，即氣門低升程位置。當滑塊總成結構隨圓柱銷在搖臂空腔內滑槽上逆時針滑移時，滑塊總成中的滾子與凸輪接觸位置改變，促使凸輪轉動時搖臂繞挺柱的擺動幅度發生改變，從而實現連續可變的氣門升程和相位。當該驅動裝置中的滑塊總成處在搖臂空腔內的滑槽上某一位置保持不變時，也就是滾子與凸輪的接觸位置不變，此時氣門升程和相位保持不變，即發動機維持在某一工況運轉。

圖4 可變氣門位移曲線

滑塊總成在空腔內滑槽上的滑移軌跡是以凸輪軸軸心為圓心，以凸輪軸軸心到滾子圓心的距離為半徑的圓弧曲線，其范圍由如圖1所示滑塊總成的初始位置到其逆時針滑移約50度的圓弧。滑塊總成在滑槽內從初始位置滑移到終端位置時，使搖臂繞挺柱的擺動幅度逐漸增大，實現連續可變的氣門升程和相位，其氣門升程隨滑塊總成角位移變化的連續可變氣門位移曲線如圖4所示，可滿足發動機不同工況時的氣門升程及正時。為保障該機構在初始位置時的氣門升程較小，凸輪型線設計時須采用較小的凸輪升程。

圖5 氣門正時系統簡圖

由圖 4可得該裝置的氣門相位隨氣門升程變化范圍較大。為保障發動機的氣門工作相位和活塞行程同步，必須縮小由滑塊總成滑移較大時產生的相位差。為縮小相位差，可通過安裝在凸輪軸一端的葉片式氣門正時系統（圖5所示）來調節氣門相位變化，葉片轉子連接凸輪軸, 鏈輪帶動葉片轉子同步轉動。

為滿足發動機實際不同工況需求，可通過氣門正時系統控制葉片轉子的轉動角度以達到調節氣門正時的作用。當該驅動裝置作為發動機進氣氣門時，根據發動機工況需要增大氣門重疊角時，須通過氣門正時系統控制葉片轉子以與滑塊總成滑移相同的逆時針方向轉動較大的角度，或以與滑塊總成滑移相同的順時針方向轉動較小的角度。反之當根據發動機工況需要減小氣門重疊角時，須通過氣門正時系統控制葉片轉子以與滑塊總成滑移相同的逆時針方向轉動較小的角度，或以與滑塊總成滑移相同的順時針方向轉動較大的角度。所需氣門重疊角的大小則根據發動機工況由發動機 ECU具體控制執行。

3 結論

本文設計的一種連續可變氣門驅動裝置具有結構簡單、穩定性好、動力傳遞路線短等特點。同時由于該驅動裝置結構緊湊，各部件運動慣性較小，使其便于滿足發動機總布置的設計要求，又能保障其匹配發動機的燃油經濟性和動力性。

[1] Qu Xiaozhen, Kim Dojoong. Kinematic Design and Analysis of a Four-bar Linkage-type Continuously Variable Valve Actuation Mech-anism[J], mechanism and machine theory, 2012, 57：111-125.

[2] 周能輝,謝輝,王立彪,趙華.全可變氣門機構閉環控制試驗研究[J],機械工程學報,2006,42：132-137.

[3] 屈小貞,一種搖臂式連續可變氣門升程裝置[P],201621362396.5,2017.6.

The Design analysis of a Continuously Variable Rocker-arm Valve Actuation Mechanism

Qu Xiaozhen1, Chen Shuang1, Li Ni2, Zhang Zhongyang1
( 1.School of Automobile & Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001;2. Zhuanghe Fishing Port Supervision, Liaoning Zhuanghe 116400 )

A continuously variable rocker-arm valve actuation mechanism is presented in this paper. The mechanism is designed based on the conventional finger rocker-arm valve train, and the roller is replaced by one slider assembly mechanism. The slider assembly mechanism is controlled by one drive unit, sliding along one groove in the cavity of rocker-arm. The swing amplitude of rocker-arm is varied with the contact position between cam and roller, and then the continuously variable valve lift is obtained. The valve train mechanism is liable to satisfy the general layout of engine, due to the structure compact and shorter power transmission path.

Continuously variable; Variable rocker-arm; Slider assembly; Drive unit

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-20-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.007

屈小貞，博士，講師，就職于遼寧工業大學，發動機動力學研究。基金項目：遼寧省自然科學基金（20170540449）資助。