汽車發(fā)動機配氣機構設計思路分析

張金偉

摘 要：由于發(fā)動機是汽車基礎配件之一，被稱為汽車的“心臟”。而發(fā)動機中最重要的部分就是發(fā)動機的配氣機構。發(fā)動機的配氣機構對發(fā)動機的外形、動力與經濟性能的影響十分重要。所以，為了滿足汽車對發(fā)動機的要求，就需要改善汽車的配氣機構。合理的設計凸輪型線和配氣相位就需要采用現代高科技技術，對凸輪型線的相關系數、凸輪、挺柱接觸應力、氣門開度、凸輪曲率半徑等方面進行數據與技術分析，實現凸輪型線與配氣相位的高效銜接，提升汽車發(fā)動機的性能與質量。為此，本人通過對汽車配氣機構的創(chuàng)新發(fā)展及當前汽車發(fā)動機的凸輪型線設計技術進行分析后，對如何構建配氣機構優(yōu)化設計模型以及如何優(yōu)化設計凸輪型線提出相關意見和建議。

關鍵詞：汽車;發(fā)動機;配氣機構;設計

1 汽車配氣機構的創(chuàng)新發(fā)展

由于現代汽車配氣機構的相關技術發(fā)展水平的顯著提升，汽車配氣機構技術發(fā)展前景較好，這些新技術的創(chuàng)新主要表現在汽車配氣機構的頂置凸輪軸、汽車配氣機構的多氣門技術、汽車配氣機構的可變氣門系統(tǒng)以及配氣機構汽車的無凸輪電液驅動技術。下面本人將對以上提到的技術進行詳細的解釋：

1.1 汽車配氣機構的頂置凸輪軸技術

由于汽車配氣機構的頂置式凸輪軸技術主要是由凸輪軸的運動來作為基礎技術，在凸輪軸的運動中分為三種結構模式：凸輪直接驅動氣門式、擺搖臂式以及單頂置式。凸輪直接驅動氣門結構模式能夠讓人們直接看到其運動，比起其他兩種結構模式來說其構造與操作都比較簡單，就是簡單的循環(huán)運動模式。凸輪的擺臂與搖臂結構模式就比較靈活，其構造比起凸輪直接驅動氣門式來說更加的復雜，但是運用效果更高，能夠靈活的調整凸輪型線升程工作的包角，使其達到最優(yōu)的工作狀態(tài)。但是由于凸輪的擺臂和搖臂結構模式同時使用在凸輪的作用傳給氣門工作時，不能很好的實現凸輪升程，導致凸輪升程比氣門升程低，凸輪的運動不能達到很好的效果。所以產生了單頂置式與雙頂置凸輪運動結構模式，通過將凸輪軸按照其數目進行劃分，單頂置凸輪軸是氣缸蓋上設置一條凸輪軸;雙頂置凸輪軸是在氣缸蓋上安置兩條凸輪軸，在氣缸兩側各安置一條，通過這項技術來彌補凸輪的擺臂與搖臂結構模式的不足，促進汽車配氣機構的發(fā)展。

1.2 汽車配氣機構的多氣門技術

汽車配氣機構多氣門技術就是在汽車發(fā)動機的每個氣缸上設置兩個以上的氣門。多氣門發(fā)動機分為三氣門式、四氣門式以及三五氣門式，隨著增壓技術的發(fā)展，現在的汽車采用的多氣門發(fā)動機多為四氣門式，進氣門大于排氣門直徑。這可以更好的擴大氣門頭的直徑，讓氣體流通過的面積得以擴大，換氣性能得到合理改善，就促進汽車混合氣的迅速燃燒，提升汽車的發(fā)動機性能。

1.3 汽車配氣機構的可變氣門系統(tǒng)技術

汽車配氣機構的可變氣門系統(tǒng)技術包括可變氣門正時和可變氣門升程技術。是汽車必不可少的基礎配氣系統(tǒng)之一，對汽車的性能影響十分重大。可變氣門系統(tǒng)技術對在優(yōu)化汽車發(fā)動機配氣過程時是通過對配置的控制實現的，為汽車的配氣機構的工作提供基礎的動力系統(tǒng)。可變氣門正時是通過調節(jié)發(fā)動機進排氣凸輪相位關系，使進氣量可隨發(fā)動機轉速的變化而改變，從而達到最佳燃燒效率，提高燃油經濟性。而可變氣門升程則是通過調節(jié)發(fā)動機進排氣氣門升程大小，使發(fā)動機在高速與低速負荷都能得到相應需求的氣門升程，從而使得發(fā)動機獲得更好高速功率和低速扭矩。

1.4 無凸輪電液驅動技術

近幾年出現了可以使汽車發(fā)動機燃油經濟性提高和有害物降低的發(fā)動機，該發(fā)動機就是使用無凸輪電液驅動技術的配氣機構發(fā)動機。之所以說這種發(fā)動機具有創(chuàng)新技術，主要原因是它具備發(fā)動機運行過程中氣門開啟的升程大小、開啟持續(xù)時間都可以相互獨立的特點。它取代了傳統(tǒng)的機械式凸輪軸對于氣門的控制，改用電液驅動裝置來替代，但此技術成本較高，僅部份車型搭載，無法大面積推廣。

2 當前汽車發(fā)動機的凸輪型線設計技術

當前汽車的凸輪型線的設計主要分為靜態(tài)設計、動態(tài)設計、系統(tǒng)優(yōu)化設計三種，以下本人將對這三種設計模式進行詳細的介紹。

2.1 汽車發(fā)動機的凸輪型線靜態(tài)設計模式

在汽車發(fā)動機的凸輪型線設計技術中的靜態(tài)設計模式主要是用在圓弧式凸輪上，它通過采用簡單的型線與連續(xù)的速度曲線進行汽車發(fā)動機的凸輪型線設計，靜態(tài)設計模式可以使得汽車發(fā)動機，在發(fā)動轉速較低以較小的減少其振動和噪聲的作用，但是由于靜態(tài)設計上其加速度曲線連續(xù)性不夠，這就導致了發(fā)動機在提高其轉速時發(fā)動機的振動、噪聲還是會很大，影響人們的使用體驗與汽車的性能，難以滿足人們對汽車高品質的需求。

2.2 汽車發(fā)動機的凸輪型線動態(tài)設計模式

汽車發(fā)動機的配氣機構是一個彈性振動體。為了更好的控制汽車發(fā)動機配氣機構的彈性振動和讓凸輪型線運動能得到很好的控制，汽車發(fā)動機配氣機構的動態(tài)設計模式就誕生了。汽車發(fā)動機配氣機構的凸輪型線動態(tài)設計模式可以很好的解決汽車發(fā)動機配氣機構出現的彈性振動問題，也通過對汽車發(fā)動機配氣機構的振動的物理模型參數進行分析與計算，選擇最好的模型數據，然后與發(fā)動機的振動狀況進行對比、校對與動態(tài)調整，實現發(fā)動機物理模型參數與發(fā)動機振動情況進行有效的銜接，以此來滿足汽車發(fā)動機對配氣機構的要求。

2.3 汽車發(fā)動機的凸輪型線系統(tǒng)優(yōu)化設計模式

汽車發(fā)動機配氣機構的凸輪型線系統(tǒng)優(yōu)化設計模式就是將發(fā)動機配氣凸輪型線、凸輪轉速與配氣機構的參數進行高效的匹配與銜接。汽車發(fā)動機配氣機構的系統(tǒng)優(yōu)化設計模式就是通過考慮配氣機構的凸輪型線與配氣機構動態(tài)參數，對凸輪型線進行優(yōu)化設計。同時為了實現汽車發(fā)動機配氣機構平穩(wěn)的運行還要求對汽車發(fā)動機的配氣機構的相關參數進行計算，提煉出發(fā)動機凸輪設計的最優(yōu)指標。這種模式更好的彌補了其他模式在汽車發(fā)動機配氣機構參數設計上的不足，更好的滿足了汽車對發(fā)動機性能的要求。

3 構建配氣機構優(yōu)化設計模型

配氣機構優(yōu)化設計模型組成單元有單質量模型、二質量模型、多質量模型、有限元模型。單質量模型因其結構簡單且待定參數相對較少，因而容易計算。氣門運動中的氣門質量以及其他可以換算成氣門處的質量運動是單質量模型的內涵。在單質量模型的基礎上分離氣門質量與集中質量便可得二質量模型。單質量模型與二質量模型參數都可以通過實驗計算得出，前者是其氣門形狀系統(tǒng)說明剛度（特別指出，系統(tǒng)剛度是該氣門運動的氣門桿到凸輪軸的剛度）可以通過計算得出;后者可以計算的原因則是二質量模型中某些質量剛度與單質量模型類似。在研究各個部件運動變化和應力模式時，大多采用集中質量、剛度的形式將配氣系統(tǒng)改成有限自由度的等效力學系統(tǒng)稱為多質量動力學模型，其中可以用多個集中質量來代替的是以下零部件：配氣機構中的推桿、挺柱、搖臂、氣門和內外氣門彈簧。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，有限元技術越發(fā)成熟，在此基礎上，可以用此技術對汽車的配氣機構從動力學角度進行專業(yè)分析，從而得到配氣機構的零件振動和振動模型，同時也可以幫助對氣門振動的使用期限進行分析，關于配氣機構零件的位移、速度、加速度和接觸應力、變形等都可以被求出，從而增加了實驗可靠性。

4 優(yōu)化設計凸輪型線

4.1 凸輪型線設計思路

發(fā)動機的配氣機構動力學模型是在對其結構和凸輪型線的數據分析的基礎上建立的。舉例說明，配氣機構優(yōu)劣分析利用配氣機構的評價標準建立模型，同時利用模型還可以對凸輪型線進行終極優(yōu)化。

4.2 緩沖段的設計方案

凸輪型線緩沖段的設計初衷是為了消除氣門受力時發(fā)生的彈性形變。上升段與下降段共同組成氣門升程曲線，然而這兩者并不能以統(tǒng)一標準來衡量，因為它們的需求不同，對待二者設計上也有不一樣的要求。舉例來說，如果想要得到氣門開啟速度變快而關閉時變慢的效果，可以采用改變上升段包角，使得其包角變短，而下降段的包角則需要變長。緩沖段的高度、包角以及緩沖結束時的速度是緩沖段設計需要考慮的參數。而其中最重要的便是緩沖段高度的選擇，該高度的選擇需要消除一切可能影響實驗效果的變量，即氣門間隙以及配氣機構彈性變形量，氣門間隙消失時，氣門必須處于靜止狀態(tài)，而當其受合力向下時，氣門才會開啟。

4.3 工作段的設計

汽車發(fā)動機配氣機構的工作段設計對汽車發(fā)動機配氣機構性能影響很大，是汽車發(fā)動機配氣機構設計的重要組成部分之一。為了更好的實現汽車發(fā)動機配氣機構設計就需要對發(fā)動機配氣機構凸輪型線工作段進行優(yōu)化設計。通過對汽車發(fā)動機配氣機構的工作段設計來提高配氣機構的性能、連續(xù)凸輪軸加速度。

5 結束語

由于汽車發(fā)動機配氣機構設計好壞直接影響到汽車的使用質量與汽車發(fā)動機的性能。所以優(yōu)化汽車發(fā)動機配氣機構的設計十分重要。隨著科技與經濟的發(fā)展，人們對汽車的要求也越來越高了，為了滿足人們對汽車的需要就要求汽車行業(yè)重視汽車發(fā)動機配氣機構設計，利用現代高科技技術完善汽車發(fā)動機配氣機構設計的流程，提升汽車發(fā)動機配氣機構設計的質量。同時，還需要汽車行業(yè)加大對汽車發(fā)動機配氣機構設計的資金投入，引入相關的高新技術與高素質人才，通過對汽車發(fā)動機配氣機構的凸輪型線設計思路、緩沖段以及工作段的設計方案三個方面進行汽車發(fā)動機配氣機構設計的優(yōu)化，實現汽車發(fā)動機配氣機構設計的質量化。滿足人們對汽車發(fā)動機性能的要求，實現汽車發(fā)動機性能質量燃油經濟性的飛躍。

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