直驅(qū)式配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線校驗(yàn)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(yáng) 110141）

關(guān)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(shí)及時(shí)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(fā)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(guò)能力、構(gòu)件加速度變化規(guī)律等有直接關(guān)系。因?yàn)橥馆喭庑闻c凸輪從動(dòng)件的升程規(guī)律有對(duì)應(yīng)關(guān)系，而直接測(cè)量凸輪的幾何形狀十分困難，測(cè)量升程規(guī)律則易于實(shí)現(xiàn)[2]，所以本文針對(duì)頂置凸輪軸直驅(qū)式配氣機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)測(cè)試配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的試驗(yàn)方法，通過(guò)試驗(yàn)的方法測(cè)量氣門從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以有效校驗(yàn)凸輪外形設(shè)計(jì)。

1 試驗(yàn)對(duì)象

頂置凸輪軸直驅(qū)式配氣機(jī)構(gòu)如圖1所示，由于此型式氣門機(jī)構(gòu)挺柱與凸輪之間有氣門間隙存在，所以在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)特性試驗(yàn)前需要對(duì)被試缸蓋進(jìn)行改制，在氣門桿頂部和氣門挺柱之間安裝一個(gè)特制的金屬墊片，使挺柱墊高，用以消除氣門間隙，這個(gè)金屬墊片會(huì)使氣門在凸輪基圓時(shí)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(shí)的沖擊對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖1 頂置凸輪軸直驅(qū)式配氣機(jī)構(gòu)

圖2 改制金屬墊片結(jié)構(gòu)及安裝實(shí)物

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)安裝

將改制后的被試缸蓋按照發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)與專用的配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架連接，分別將Polytec雙通道差分式激光測(cè)振儀和光電式旋轉(zhuǎn)編碼器固定在試驗(yàn)臺(tái)架上及被試缸蓋上，如圖3所示為配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架總布置圖，圖4為試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物。將上述所有測(cè)試儀器和傳感器與西門子LMS數(shù)據(jù)采集及分析設(shè)備連接，調(diào)試激光測(cè)振儀使兩通道激光分別對(duì)準(zhǔn)被試氣門和缸蓋（或模擬缸體），如圖 5所示，圖中激光測(cè)點(diǎn)位置：A——?dú)忾T，B——參考點(diǎn)，同時(shí)將Polytec激光測(cè)振儀控制器輸出速度調(diào)至（A-B）檔，將輸出位移調(diào)至（A-B）檔，通過(guò)這樣的設(shè)置可直接輸出氣門的真實(shí)測(cè)量值，消除了缸蓋振動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖3 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架布置圖

圖4 配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物圖

圖5 激光測(cè)點(diǎn)位置

2.2 試驗(yàn)工況

為了真實(shí)有效的測(cè)試配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，需要在較低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，以防止過(guò)高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的沖擊，模擬樣機(jī)轉(zhuǎn)速一般控制在500～1200r/min，機(jī)油溫度設(shè)定為100℃，機(jī)油壓力設(shè)定為 1.5bar。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可直接得到氣門升程、氣門速度和氣門加速度的數(shù)據(jù)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以校驗(yàn)凸輪設(shè)計(jì)合理性，如圖6所示為試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線圖。從圖中曲線可以看出，試驗(yàn)結(jié)果曲線與模擬計(jì)算曲線吻合度較高，本試驗(yàn)方法能夠充分有效的校驗(yàn)凸輪型線設(shè)計(jì)方案。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果曲線與模擬計(jì)算曲線對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出平底挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)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(guī)律與凸輪幾何參數(shù)的關(guān)系可進(jìn)一步對(duì)凸輪外形的曲率半徑及凸輪副的潤(rùn)滑特性進(jìn)行相應(yīng)的校核[2]。

根據(jù)凸輪外形曲率半徑計(jì)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(dāng)負(fù)加速度絕對(duì)值比較大時(shí)，ρ可能很小。從凸輪與挺柱接觸應(yīng)力出發(fā)，為保證較小的接觸應(yīng)力，設(shè)計(jì)中要保證曲率半徑ρ不能為負(fù)值，且ρmin應(yīng)大于3mm[3]。如果按式（1）算出的ρ≤0，則需要優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，重新調(diào)整運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以減小負(fù)加速度絕對(duì)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(dòng)力潤(rùn)滑才能保證接觸表面有足夠的耐久性[2]。根據(jù)動(dòng)態(tài)液體潤(rùn)滑理論，潤(rùn)滑特性數(shù)計(jì)算公式為：

為了避免出現(xiàn)嚴(yán)重的滑動(dòng)副損傷，在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不能有較長(zhǎng)的區(qū)段S接近零。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)的方法，準(zhǔn)確有效的測(cè)量出配氣機(jī)構(gòu)挺柱運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算、分析比對(duì)，充分有效的校驗(yàn)凸輪外形設(shè)計(jì)方案，并對(duì)凸輪型線設(shè)計(jì)指出優(yōu)化改進(jìn)方向。