直驅式配氣機構凸輪型線校驗方法研究

蔣升龍，王洪波，邱娜

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

關鍵字：凸輪；平底挺柱；氣門升程；氣門速度；氣門加速度

前言

凸輪軸是使氣門按一定的工作次序和配氣定時及時開閉，并保證氣門有足夠的升程，凸輪受到氣門間歇性開啟的周期性沖擊載荷，凸輪表面易發生摩擦磨損，因此要求凸輪軸有足夠的韌性和剛度[1]。

配氣凸輪外形與氣門的通過能力、構件加速度變化規律等有直接關系。因為凸輪外形與凸輪從動件的升程規律有對應關系，而直接測量凸輪的幾何形狀十分困難，測量升程規律則易于實現[2]，所以本文針對頂置凸輪軸直驅式配氣機構的結構特點，設計測試配氣機構運動學規律的試驗方法，通過試驗的方法測量氣門從動件運動規律，以有效校驗凸輪外形設計。

1 試驗對象

頂置凸輪軸直驅式配氣機構如圖1所示，由于此型式氣門機構挺柱與凸輪之間有氣門間隙存在，所以在進行運動學特性試驗前需要對被試缸蓋進行改制，在氣門桿頂部和氣門挺柱之間安裝一個特制的金屬墊片，使挺柱墊高，用以消除氣門間隙，這個金屬墊片會使氣門在凸輪基圓時便開啟，氣門和座圈的最大距離為0.3mm[4]，如圖2所示，這樣既可保證凸輪與挺柱完全接觸，也可防止氣門落座時的沖擊對測試結果的影響。

圖1 頂置凸輪軸直驅式配氣機構

圖2 改制金屬墊片結構及安裝實物

2 試驗方法

2.1 試驗安裝

將改制后的被試缸蓋按照發動機裝配要求安裝在工藝模擬缸體上，再將組裝后的被試模擬樣機與專用的配氣機構試驗臺架連接，分別將Polytec雙通道差分式激光測振儀和光電式旋轉編碼器固定在試驗臺架上及被試缸蓋上，如圖3所示為配氣機構試驗臺架總布置圖，圖4為試驗臺架實物。將上述所有測試儀器和傳感器與西門子LMS數據采集及分析設備連接，調試激光測振儀使兩通道激光分別對準被試氣門和缸蓋（或模擬缸體），如圖 5所示，圖中激光測點位置：A——氣門，B——參考點，同時將Polytec激光測振儀控制器輸出速度調至（A-B）檔，將輸出位移調至（A-B）檔，通過這樣的設置可直接輸出氣門的真實測量值，消除了缸蓋振動對測試結果的影響。

圖3 配氣機構試驗臺架布置圖

圖4 配氣機構試驗臺架實物圖

圖5 激光測點位置

2.2 試驗工況

為了真實有效的測試配氣機構運動學規律，需要在較低轉速下進行試驗，以防止過高轉速帶來的沖擊，模擬樣機轉速一般控制在500～1200r/min，機油溫度設定為100℃，機油壓力設定為 1.5bar。

3 試驗結果及分析

通過試驗測試可直接得到氣門升程、氣門速度和氣門加速度的數據，利用試驗數據與模擬計算結果進行對比，以校驗凸輪設計合理性，如圖6所示為試驗結果與模擬計算結果對比曲線圖。從圖中曲線可以看出，試驗結果曲線與模擬計算曲線吻合度較高，本試驗方法能夠充分有效的校驗凸輪型線設計方案。

圖6 試驗結果曲線與模擬計算曲線對比

根據試驗結果，可以得出平底挺柱的運動規律，即得出挺柱升程 ht、挺柱幾何速度和挺柱幾何加速度。由挺柱升程規律與凸輪幾何參數的關系可進一步對凸輪外形的曲率半徑及凸輪副的潤滑特性進行相應的校核[2]。

根據凸輪外形曲率半徑計算公式：

式中，ro為基圓半徑。由式（1）可知，凸輪外形曲率半徑ρ主要取決于挺柱的加速度。當負加速度絕對值比較大時，ρ可能很小。從凸輪與挺柱接觸應力出發，為保證較小的接觸應力，設計中要保證曲率半徑ρ不能為負值，且ρmin應大于3mm[3]。如果按式（1）算出的ρ≤0，則需要優化設計方案，重新調整運動規律，以減小負加速度絕對值的最大值，或者加大基圓半徑ro。

凸輪與平面挺柱之間是高副接觸，必須保證液體動力潤滑才能保證接觸表面有足夠的耐久性[2]。根據動態液體潤滑理論，潤滑特性數計算公式為：

為了避免出現嚴重的滑動副損傷，在凸輪轉動時，不能有較長的區段S接近零。

4 結論

通過試驗的方法，準確有效的測量出配氣機構挺柱運動規律，通過對試驗結果的計算、分析比對，充分有效的校驗凸輪外形設計方案，并對凸輪型線設計指出優化改進方向。