基于多連桿機構的連續可變氣門驅動裝置設計

屈小貞，陳雙

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

基于多連桿機構的連續可變氣門驅動裝置設計

屈小貞，陳雙

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

文章介紹了一種連續可變氣門驅動裝置，通過在第一凸輪與挺桿之間加裝一套多連桿機構。該多連桿機構由減速電機控制其偏心套筒軸心位置變化而改變其自身幾何形狀，進而改變第二凸輪型線與挺桿之間的接觸位置。最終實現氣門升程和氣門相位的連續可變，以滿足發動機不同工況下的行車需求。

可變氣門；多連桿；第二凸輪；氣門升程

Abstract:In this paper, a continuously variable valve actuation is presented. A multi-linkage mechanism acts between the first cam and tappet. The geometry of the multi-linkage mechanism is actuated by the gear motor controlling the axle position of offset bushing, and then the contact position between the second cam and tappet is varied. The continuously variable valve lift and valve phase is obtained to satisfy the demand of engine under different working conditions.

Keywords: Variable valve; Multi-linkage; Second cam; Valve lift

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-58-03

前言

傳統發動機氣門機構是將氣門升程及氣門持續開啟時間設計為定值，只能保障發動機在某一特定轉速下才處于最佳配氣狀態，兼顧了發動機低速時的穩定性和高速時的動力性。而可變氣門機構是根據發動機的不同工況而選擇最佳氣門升程來控制進入氣缸內的氣體體積，使氣門升程和相位始終處于理想狀態，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]。在低負荷時，利用較小的氣門升程，減小充氣過程中進排氣的相互影響，使氣門流過的氣流速度較快，進而改善燃燒過程，達到有效控制排放[3]；在高負荷時，利用較大的氣門升程，提高充氣效率，改善發動機的動力性。

目前市場上非連續可變氣門升程裝置的氣門升程單一，不能兼顧發動機的大部分工況，節油效果不明顯。而現有的連續可變氣門升程裝置多數結構較為復雜，對發動機缸蓋的設計要求難度較大，且氣門升程調節過程不易控制。因此，本文設計了一種新型連續可變氣門裝置，其結構較為簡單、穩定性好，易于裝配在發動機中實現氣門升程及相位的連續可控。

1 連續可變氣門驅動裝置的結構設計

一種新型連續可變氣門驅動裝置的結構布置如圖 1所示。該連續可變氣門驅動裝置是基于傳統直動式氣門機構，在第一凸輪與挺桿之間加裝一套多連桿機構實現的。如圖 2所示的多連桿機構是由連桿、擺臂、第二凸輪等部件構成的。該多連桿機構是由減速電機控制其偏心套筒軸心位置變化而改變其自身幾何形狀，進而改變第二凸輪型線與挺桿的接觸位置。

結構圖1中所示的凸輪軸和控制軸固定在汽缸蓋中保持位置不變。當第一凸輪隨凸輪軸轉動時，第一凸輪驅動多連桿機構中的連桿擺動，多連桿機構中的連桿通過擺臂及滾子軸承結構驅動第二凸輪擺動，再由擺動的第二凸輪驅動挺桿上下運動，進而實現氣門的開啟和閉合。

多連桿機構中的擺臂與第二凸輪的一端鉸接，連桿頂部與擺臂的頂部鉸接，在鉸接點處設置有銷，使連桿能夠繞著銷相對與擺臂旋轉。連桿上端與擺臂上端通過銷連接，連桿隨第一凸輪轉動時繞銷在一定范圍內擺動。當第一凸輪的凸起沿逆時針方向轉過連桿接觸面時，連桿在扭轉彈簧的作用力下會隨第一凸輪型線逐漸恢復到初始位置。

圖1 連續可變氣門驅動裝置的結構布置圖

圖2 多連桿機構

依據該連續可變氣門驅動裝置中多連桿機構的結構特征，為滿足第二凸輪隨第一凸輪轉動時而擺動的運動軌跡要求，故把第二凸輪的凸輪升程型線設計成如圖3中所示的曲線。圖2中所示第二凸輪型線上的D點為凸輪基圓與凸輪升程的分界點，其中第二凸輪型線上D點與挺桿的接觸位置是由多連桿機構位置控制的。

多連桿機構中的偏心套筒與控制軸采用非同心軸布置結構，二者之間通過花鍵連接，而偏心套筒與擺臂采用同心軸布置結構，擺臂能夠繞著偏心套筒旋轉。偏心套筒的軸心位置是由減速電機通過控制軸轉動實現的，其轉動角度大小是由發動機控制單元根據發動機工況來控制的。當偏心套筒繞控制軸轉動時，擺臂會隨同心軸布置的偏心套筒擺動而改變初始位置，通過擺臂上固定的銷帶動連桿和第二凸輪發生位置偏轉，進而改變第二凸輪型線上D點與挺桿的接觸位置，即第二凸輪型線上D點與挺桿上端面的位置遠近。

圖3 第二凸輪升程型線

2 連續可變氣門驅動裝置的運動特性分析

該連續可變氣門驅動裝置是通過減速電機改變偏心套筒的軸心位置而改變多連桿機構的幾何形狀，進而改變氣門挺桿的上下運動行程，以滿足發動機不同工況下所需的氣門升程和相位連續可變。

圖4 偏心套筒繞控制軸軸心位置變化圖

圖5 連續可變氣門裝置的高低升程位置圖

圖6 可變氣門位移曲線

如圖4所示，當偏心套筒繞控制軸以逆時針方向轉動時，即相當于偏心套筒的圓心點P繞控制軸的圓心點C做圓周運動，其運動半徑為CP。當偏心套筒圓心位于點P1時，其對應的連續可變氣門驅動裝置處于低氣門升程位置，如圖 5(a)所示。此時第二凸輪型線上的D點相對于挺桿上端面向左偏移，由于第二凸輪型線特征使第二凸輪在擺動時驅動挺桿產生較小的上下往復運動，即對應較低的氣門升程。當偏心套筒圓心位于點 P2時，其對應的連續可變氣門驅動裝置處于中高氣門升程位置，如圖5(b)所示。此時第二凸輪型線上的D點相對于挺桿上端面向右偏移，使第二凸輪在擺動時驅動挺桿產生較大的上下往復運動，即對應較高的氣門升程。在偏心套筒圓心點P隨控制軸圓心點C轉動的過程中，可變的多連桿機構位置發生改變，即生成對應不同的氣門升程位置，其對應的可變氣門升程和氣門持續開啟時間逐漸增大，形成連續可變的氣門位移曲線如圖6所示。

3 結論

本文設計的一種新型連續可變氣門驅動裝置相對現有的連續可變氣門機構其結構較為簡單、穩定性好，易于裝配在發動機中實現氣門升程及相位的連續可控。同時基于機構中采用滾子軸承的接觸方式更能有效降低系統傳動的噪音。因此該連續可變氣門驅動裝置對發動機新技術的發展研究，有著重要的實際意義和應用前景。

[1] S. Takemura and S. Aoyama, A study of a multiple-link continuously variable valve event and lift System [C], SAE Paper, 2008,01.

[2] Qu Xiaozhen, Kim Dojoong. Kinematic Design and Analysis of a Four-bar Linkage-type Continuously Variable Valv Actuation Mecha nism[J], mechanism and machine theory, 2012, 57:111-125.

[3] 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.

The Design of a Multi-linkage Continuously Variable Valve Actuation Mechanism

Qu Xiaozhen, Chen Shuang
（School of Automobile & Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-58-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.021

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