直驱式配气机构凸轮型线校验方法研究

蒋升龙，王洪波，邱娜

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

关键字：凸轮；平底挺柱；气门升程；气门速度；气门加速度

前言

凸轮轴是使气门按一定的工作次序和配气定时及时开闭，并保证气门有足够的升程，凸轮受到气门间歇性开启的周期性冲击载荷，凸轮表面易发生摩擦磨损，因此要求凸轮轴有足够的韧性和刚度[1]。

配气凸轮外形与气门的通过能力、构件加速度变化规律等有直接关系。因为凸轮外形与凸轮从动件的升程规律有对应关系，而直接测量凸轮的几何形状十分困难，测量升程规律则易于实现[2]，所以本文针对顶置凸轮轴直驱式配气机构的结构特点，设计测试配气机构运动学规律的试验方法，通过试验的方法测量气门从动件运动规律，以有效校验凸轮外形设计。

1 试验对象

顶置凸轮轴直驱式配气机构如图1所示，由于此型式气门机构挺柱与凸轮之间有气门间隙存在，所以在进行运动学特性试验前需要对被试缸盖进行改制，在气门杆顶部和气门挺柱之间安装一个特制的金属垫片，使挺柱垫高，用以消除气门间隙，这个金属垫片会使气门在凸轮基圆时便开启，气门和座圈的最大距离为0.3mm[4]，如图2所示，这样既可保证凸轮与挺柱完全接触，也可防止气门落座时的冲击对测试结果的影响。

图1 顶置凸轮轴直驱式配气机构

图2 改制金属垫片结构及安装实物

2 试验方法

2.1 试验安装

将改制后的被试缸盖按照发动机装配要求安装在工艺模拟缸体上，再将组装后的被试模拟样机与专用的配气机构试验台架连接，分别将Polytec双通道差分式激光测振仪和光电式旋转编码器固定在试验台架上及被试缸盖上，如图3所示为配气机构试验台架总布置图，图4为试验台架实物。将上述所有测试仪器和传感器与西门子LMS数据采集及分析设备连接，调试激光测振仪使两通道激光分别对准被试气门和缸盖（或模拟缸体），如图 5所示，图中激光测点位置：A——气门，B——参考点，同时将Polytec激光测振仪控制器输出速度调至（A-B）档，将输出位移调至（A-B）档，通过这样的设置可直接输出气门的真实测量值，消除了缸盖振动对测试结果的影响。

图3 配气机构试验台架布置图

图4 配气机构试验台架实物图

图5 激光测点位置

2.2 试验工况

为了真实有效的测试配气机构运动学规律，需要在较低转速下进行试验，以防止过高转速带来的冲击，模拟样机转速一般控制在500～1200r/min，机油温度设定为100℃，机油压力设定为 1.5bar。

3 试验结果及分析

通过试验测试可直接得到气门升程、气门速度和气门加速度的数据，利用试验数据与模拟计算结果进行对比，以校验凸轮设计合理性，如图6所示为试验结果与模拟计算结果对比曲线图。从图中曲线可以看出，试验结果曲线与模拟计算曲线吻合度较高，本试验方法能够充分有效的校验凸轮型线设计方案。

图6 试验结果曲线与模拟计算曲线对比

根据试验结果，可以得出平底挺柱的运动规律，即得出挺柱升程 ht、挺柱几何速度和挺柱几何加速度。由挺柱升程规律与凸轮几何参数的关系可进一步对凸轮外形的曲率半径及凸轮副的润滑特性进行相应的校核[2]。

根据凸轮外形曲率半径计算公式：

式中，ro为基圆半径。由式（1）可知，凸轮外形曲率半径ρ主要取决于挺柱的加速度。当负加速度绝对值比较大时，ρ可能很小。从凸轮与挺柱接触应力出发，为保证较小的接触应力，设计中要保证曲率半径ρ不能为负值，且ρmin应大于3mm[3]。如果按式（1）算出的ρ≤0，则需要优化设计方案，重新调整运动规律，以减小负加速度绝对值的最大值，或者加大基圆半径ro。

凸轮与平面挺柱之间是高副接触，必须保证液体动力润滑才能保证接触表面有足够的耐久性[2]。根据动态液体润滑理论，润滑特性数计算公式为：

为了避免出现严重的滑动副损伤，在凸轮转动时，不能有较长的区段S接近零。

4 结论

通过试验的方法，准确有效的测量出配气机构挺柱运动规律，通过对试验结果的计算、分析比对，充分有效的校验凸轮外形设计方案，并对凸轮型线设计指出优化改进方向。