某連續(xù)可變氣門升程機(jī)構(gòu)的解鎖功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

贠海

關(guān)鍵詞：連續(xù)可變氣門;升程CVVL;解鎖特性;優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，隨著以米勒、阿特金森循環(huán)為代表的過膨脹循環(huán)技術(shù)在小排量增壓發(fā)動機(jī)上的廣泛使用，為同時(shí)獲得理想的氣門升程減小與進(jìn)氣門提前關(guān)閉（EIVC）、氣門升程增大與進(jìn)氣門推遲關(guān)閉（LIVC）效果，連續(xù)可變氣門升程（CVVL）技術(shù)受到越來越多主機(jī)廠的重新關(guān)注。

典型的應(yīng)用在某日式汽油機(jī)上的VVEL技術(shù)，能夠使用電機(jī)驅(qū)動偏心凸輪，改變與從動件接觸的輸出凸輪的擺幅，讓氣門升程在1.3-8.4mm.持續(xù)期在20-260°CA間連續(xù)調(diào)整。應(yīng)用在寶馬N系列汽油機(jī)上的Valvetronic技術(shù)，能夠使用電機(jī)驅(qū)動扇形齒輪，改變中間推桿足部擺幅，讓氣門升程在0.2-9.7mm，持續(xù)期在0-250°CA間連續(xù)調(diào)整。此外還有菲亞特Tigershark發(fā)動機(jī)上的MultiAir和觀致Qamfree發(fā)動機(jī)上的Freevalve，在取消傳統(tǒng)凸輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用壓縮液體或壓縮氣體為介質(zhì)，靈活地控制氣門開閉時(shí)刻，為氣門運(yùn)動規(guī)律的改變提供了全新的解決方案。

某小型增壓直噴汽油機(jī)采用了可變壓縮比與連續(xù)可變氣門升程技術(shù)組合，提高了熱效率，改善了發(fā)動機(jī)中小負(fù)荷區(qū)域特征點(diǎn)油耗。在該發(fā)動機(jī)進(jìn)氣側(cè)，一款軸套軸式的多滾輪搖臂機(jī)構(gòu)被用來改變氣門運(yùn)動特性，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)需求的連續(xù)可變氣門升程功能。

1軸套軸式CVVL機(jī)構(gòu)

1.1結(jié)構(gòu)與工作原理

上文提到的CVVL機(jī)構(gòu)（圖1）由軸套軸凸輪軸、上下?lián)u臂以及內(nèi)外軸驅(qū)動器等零件組成。在每一缸中設(shè)置有三個(gè)凸輪，其中位于中間位置的運(yùn)動凸輪與凸輪軸內(nèi)軸固聯(lián)，位于兩側(cè)的固定凸輪與凸輪軸外軸固聯(lián)。上搖臂的兩個(gè)滾輪分別與運(yùn)動凸輪和固定凸輪接觸，凸輪轉(zhuǎn)動時(shí)兩個(gè)滾輪中心點(diǎn)產(chǎn)生的位移向量在上下?lián)u臂連接處合成，使下?lián)u臂繞固定支點(diǎn)擺動，驅(qū)動氣門開閉。

該機(jī)構(gòu)氣門的開閉有別于傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)，該CVVL系統(tǒng)氣門的開閉是由運(yùn)動、固定凸輪分開控制。氣門開啟段，運(yùn)動凸輪始終處于最大升程狀態(tài)，此時(shí)，固定凸輪逐漸由基圓轉(zhuǎn)動到大升程，接觸力以運(yùn)動凸輪側(cè)為支點(diǎn)頂開氣門;氣門關(guān)閉段，固定凸輪始終處于最大升程狀態(tài)，此時(shí)，運(yùn)動凸輪逐漸由大升程轉(zhuǎn)動到基圓，彈簧力以固定凸輪側(cè)為支點(diǎn)關(guān)閉氣門。

機(jī)構(gòu)升程和持續(xù)期變化可以通過調(diào)整運(yùn)動凸輪和固定凸輪的夾角來實(shí)現(xiàn)。如上文所述，氣門升程曲線的開啟段與關(guān)閉段是交替出現(xiàn)的，當(dāng)關(guān)閉段出現(xiàn)在開啟未完全完成之前，氣門將無法達(dá)到設(shè)計(jì)最大升程，而當(dāng)關(guān)閉段出現(xiàn)在開啟完全完成之后，氣門將能夠達(dá)到設(shè)計(jì)最大升程，甚至在最大升程位置持續(xù)開啟一段時(shí)間（圖2）。

2 CVVL機(jī)構(gòu)的解鎖卡滯

2.1卡滯現(xiàn)象與原因分析

在項(xiàng)目性能與排放開發(fā)階段，對上文所述CVVL系統(tǒng)進(jìn)行初始標(biāo)定時(shí)，電控工程師發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速小于1200r/min的部分工況，內(nèi)軸驅(qū)動器容易鎖死在初始位置，導(dǎo)致內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子不能跟隨PWM信號運(yùn)動至目標(biāo)相位，使機(jī)構(gòu)失去改變氣門升程與持續(xù)期的效果（圖3）。

根據(jù)以往液壓式可變配氣正時(shí)（VVT）機(jī)構(gòu)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，該問題有較大可能是由內(nèi)軸驅(qū)動器解鎖失敗造成的，針對此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)對硬件與工作條件兩方面開展了檢查。

經(jīng)檢查，故障機(jī)構(gòu)內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷的解鎖與排油油道通暢，驅(qū)動器的解鎖壓力小于0.6bar，鎖銷間隙在0.3-0.7°區(qū)間內(nèi)，完全滿足設(shè)計(jì)定義。機(jī)油控制閥的閥芯與閥套間未出現(xiàn)卡滯，功能正常。通過接出的傳感器信號可以判斷，在解鎖失效時(shí)刻，機(jī)油控制閥P口前油壓遠(yuǎn)大于鎖銷解鎖壓力，PWM信號通暢。驅(qū)動器并不存在解鎖失敗的客觀條件。

從內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷解鎖的動態(tài)過程分析，鎖銷在解鎖過程（圖4）中同時(shí)進(jìn)行著兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動：a.在解鎖油壓推動下鎖銷體克服彈簧力，推動鎖銷體向彈簧座方向位移的解鎖運(yùn)動;b.在驅(qū)動器葉片帶動下，鎖銷體向鎖銷孔邊緣位移的繞軸轉(zhuǎn)動。

解鎖運(yùn)動以鎖銷頂面完全落入轉(zhuǎn)子端面，鎖止功能失效為結(jié)束標(biāo)志;繞軸轉(zhuǎn)動則以鎖銷運(yùn)動至鎖銷孔邊緣，倆零件發(fā)生剛性接觸為結(jié)束標(biāo)志。如解鎖運(yùn)動先于繞軸轉(zhuǎn)動結(jié)束，機(jī)構(gòu)可正常解鎖，實(shí)現(xiàn)功能;如繞軸轉(zhuǎn)動先于解鎖運(yùn)動結(jié)束，倆零件接觸時(shí)，鎖銷尚未完成落鎖，摩擦力將阻止鎖銷繼續(xù)下行，帶來解鎖卡滯問題。

根據(jù)以上分析，兩種運(yùn)動的結(jié)束時(shí)刻直接決定了驅(qū)動器轉(zhuǎn)子能否順利完成解鎖過程。因此，計(jì)算出不同工況下解鎖運(yùn)動和繞軸轉(zhuǎn)動的速度，對影響解鎖特性的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，對卡滯問題的解決和解鎖功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

AMESIM是一款應(yīng)用于機(jī)電液多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的成熟的一維仿真軟件，通過將內(nèi)軸驅(qū)動器和與其匹配的三位四通閥適當(dāng)抽象簡化，可以通過調(diào)取液壓庫、機(jī)械庫和信號庫中的子模型，對兩種運(yùn)動的特性進(jìn)行建模計(jì)算。

2.2解鎖運(yùn)動的建模

圖5是用于計(jì)算機(jī)構(gòu)解鎖特性的子系統(tǒng)模型，可以看到，機(jī)構(gòu)內(nèi)軸驅(qū)動器的解鎖油路與提前腔油路接通，液壓油經(jīng)過單向閥后進(jìn)入液壓缸上部，在解鎖油壓作用下，柱塞克服彈簧力與摩擦力向下運(yùn)動。模型中為鎖銷設(shè)置了限位塊，當(dāng)鎖銷位移超過解鎖行程后，運(yùn)動停止，判定完成解鎖。

模型中油壓通過MAP測試獲得，與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和油溫直接關(guān)聯(lián)（表1）.機(jī)油控制閥可根據(jù)需求接受階躍或斜率信號，機(jī)油控制閥最大流量和保持點(diǎn)流量也與實(shí)際產(chǎn)品特性保持一致。由于單向閥和液滴容積模型的存在，解鎖運(yùn)動的起閥時(shí)間和液壓油充滿密閉容積的時(shí)間在結(jié)果中也會得到體現(xiàn)。

2.3繞軸轉(zhuǎn)動的建模

原理上內(nèi)軸驅(qū)動器是一個(gè)受信號閉環(huán)控制的液壓馬達(dá)系統(tǒng)（圖6），研究其繞軸轉(zhuǎn)動特性的模型，主要考慮了轉(zhuǎn)子葉片尺寸以及作用在其上的凸輪軸力矩、油壓力矩和彈簧力矩負(fù)載，由于本文主要關(guān)注內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷在鎖銷間隙內(nèi)的運(yùn)動過程，此段時(shí)間內(nèi)鎖銷結(jié)構(gòu)不對轉(zhuǎn)子和定子間的相對角運(yùn)動產(chǎn)生阻礙，模型中對離合器輸入常開信號，驅(qū)動器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不受限制。A71FB338-585B-462C-814E-4AF91C1994EB

模型中的轉(zhuǎn)子數(shù)量和尺寸決定了驅(qū)動器在受到單位油壓推動時(shí)所能產(chǎn)生的驅(qū)動力矩的大小。由于該CVVL機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)功能，內(nèi)軸上的運(yùn)動凸輪需要在較大的角度范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，因此需要減少驅(qū)動器葉片數(shù)量，為轉(zhuǎn)子的運(yùn)動留出充足空間。繞軸轉(zhuǎn)動特性主要參數(shù)見表2。

還應(yīng)注意的是，由于該CVVL系統(tǒng)氣門的開閉是由運(yùn)動、固定凸輪分開控制，氣門開啟壓縮彈簧時(shí)，兩組凸輪中僅有固定凸輪發(fā)生凸輪升程變化，受到彈簧的阻力;當(dāng)氣門運(yùn)動至關(guān)閉段，彈簧力由阻力變?yōu)橹r(shí)，兩組凸輪中又僅有運(yùn)動凸輪發(fā)生凸輪升程變化，受到彈簧的助力。在一個(gè)完整的工作循環(huán)中，凸輪軸力矩對外軸轉(zhuǎn)動始終起到阻礙而內(nèi)軸轉(zhuǎn)動始終起到促進(jìn)的作用。

圖7是1000r/min時(shí)，計(jì)算出分別作用在凸輪軸內(nèi)外軸上的凸輪軸力矩。對于內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子而言，阻力矩曲線的正值部分能夠和油壓一起，推動轉(zhuǎn)子向遠(yuǎn)離初始位置的目標(biāo)位置運(yùn)動，而負(fù)值部分作用相反。可以看出，與常規(guī)VVr機(jī)構(gòu)相比，作用在該CVVL機(jī)構(gòu)內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子上的凸輪軸力矩不會對轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離初始位置方向的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙。

2.4計(jì)算結(jié)果與分析

為了尋找解鎖卡滯現(xiàn)象與兩種運(yùn)動結(jié)束時(shí)刻之間的關(guān)系，本文選取了試驗(yàn)過程中解鎖失敗率較高的1000r/min工況，研究不同油溫下鎖銷間隙和解鎖信號對CVVL機(jī)構(gòu)解鎖功能的影響。

計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示，解鎖運(yùn)動和繞軸轉(zhuǎn)動分別用虛線和實(shí)現(xiàn)標(biāo)識。解鎖運(yùn)動位移達(dá)到解鎖行程時(shí)，記錄時(shí)間f.，繞軸轉(zhuǎn)動角度達(dá)到鎖銷間隙時(shí)，記錄時(shí)間機(jī)構(gòu)順利解鎖;t-t>0，出現(xiàn)解鎖卡滯。

2.5鎖銷間隙對卡滯現(xiàn)象的影響

鎖銷間隙是內(nèi)軸驅(qū)動器在初始狀態(tài)轉(zhuǎn)子被前端扭簧推向一側(cè)時(shí)，鎖銷側(cè)壁與鎖銷孔側(cè)壁在另一側(cè)的相對夾角。鎖銷間隙主要由零件制造公差和裝配工藝確定，其大小會對繞軸轉(zhuǎn)動的完成時(shí)刻造成影響。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷間隙名義值為0.5°時(shí)，在1000r/min，各油溫油壓下，機(jī)構(gòu)均存在解鎖卡滯風(fēng)險(xiǎn);鎖銷間隙名義值為0.7°時(shí)，在1000r/min和90。C油溫附近，時(shí)間差值曲線部分進(jìn)入了安全解鎖區(qū)域;當(dāng)鎖銷間隙名義值增大到0.9°時(shí)，在工作油溫范圍內(nèi)機(jī)構(gòu)均能順利完成解鎖（圖10）。

計(jì)算中我們還發(fā)現(xiàn)，由于缺少凸輪軸力矩的阻礙作用，1000r/min下內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子繞軸轉(zhuǎn)動速度達(dá)到了160-200°CA/s，遠(yuǎn)大于常規(guī)VVT機(jī)構(gòu)的50-100°CA/s，這也是相同的鎖銷間隙取值下，機(jī)構(gòu)前端的外軸驅(qū)動器解鎖功能正常而后端的內(nèi)軸驅(qū)動器出現(xiàn)解鎖卡滯的原因之一。

增大鎖銷間隙能夠改善CVVL機(jī)構(gòu)的解鎖卡滯，但是過大的鎖銷間隙會給內(nèi)軸驅(qū)動器NVH和可靠性帶來不良影響，尤其是在發(fā)動機(jī)油壓未完全建立的冷起動階段，鎖銷與鎖銷孔的碰撞會帶來起動異響，嚴(yán)重時(shí)造成鎖銷變形，引發(fā)驅(qū)動器可靠性問題。

2.6解鎖信號對卡滯現(xiàn)象的影響

在此項(xiàng)目最初的EMS開發(fā)中，為使CVVL機(jī)構(gòu)具備良好的響應(yīng)性，ECU會給與階躍的PWM信號，控制驅(qū)動器解鎖。階躍信號會使機(jī)油控制閥B口迅速打開，機(jī)油快速流入相位器遲后腔與鎖銷孔。如果同時(shí)減少用于解鎖運(yùn)動和繞軸轉(zhuǎn)動的機(jī)油流量，兩個(gè)運(yùn)動的速度都會受到抑制，但是因?yàn)榻怄i油腔體積遠(yuǎn)小于葉片油腔體積，繞軸轉(zhuǎn)動速度受到的影響將會更為明顯。為驗(yàn)證上述推測，我們選用斜率不同的解鎖信號進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算時(shí)鎖銷間隙取0.50，從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)解鎖信號斜率為2000時(shí)，在1000r/min和90°C油溫附近，時(shí)間差值曲線部分進(jìn)入了安全解鎖區(qū)域。繼續(xù)壓低解鎖信號斜率，在斜率低于1500后，各工況下機(jī)構(gòu)均能順利完成解鎖（圖11）。

解鎖信號越平緩，兩運(yùn)動時(shí)間差值越偏離0線，解鎖的安全系數(shù)也逐步增加。在同時(shí)降低解鎖運(yùn)動與繞軸轉(zhuǎn)動速度的情況下，抑制解鎖過程的機(jī)油流量，對內(nèi)軸驅(qū)動器繞軸轉(zhuǎn)動的減速效果更為明顯。

由于解鎖時(shí)間在內(nèi)軸驅(qū)動器整個(gè)運(yùn)動過程占比很小，僅在解鎖階段降低B口流量，對整個(gè)運(yùn)動過程的繞軸轉(zhuǎn)動速度影響不大，經(jīng)核算，在2.3bar油壓和90°C油溫下，使用斜率為1500的解鎖信號，較使用階躍解鎖信號，內(nèi)軸驅(qū)動器從0°CA運(yùn)動至40°CA僅變慢4.6ms，斜率信號對繞軸轉(zhuǎn)動速度影響可以忽略。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)測試驗(yàn)證

3.1解鎖功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為徹底解決解鎖卡滯問題，工程師在硬件和軟件方面對此CVVL機(jī)構(gòu)都實(shí)施了優(yōu)化。硬件上，通過調(diào)整內(nèi)軸驅(qū)動器子零件配合公差，在鎖銷間隙上限0.7°不變的情況下，將鎖銷間隙下限由0.3°上調(diào)為0.5°，避免過小的鎖銷間隙降低解鎖安全系數(shù);軟件上，通過使用斜率信號取代階躍信號控制機(jī)構(gòu)解鎖，同步降低繞軸轉(zhuǎn)動速度和解鎖運(yùn)動速度，提高機(jī)構(gòu)安全解鎖的可能性。

3.2解鎖功能驗(yàn)證

如圖12所示，驗(yàn)證臺架由電機(jī)、外接機(jī)油控制裝置、裝有CVVL的缸蓋總成和內(nèi)外軸相位傳感器等構(gòu)成。工作時(shí)，電機(jī)模擬曲軸，拖動進(jìn)氣凸輪軸轉(zhuǎn)動，外接機(jī)油控制裝置將目標(biāo)溫度和壓力的機(jī)油分別從缸蓋前后端油道送入，內(nèi)軸驅(qū)動器電磁閥接收開發(fā)ECU傳遞的PWM信號，驅(qū)動CVVL機(jī)構(gòu)完成解鎖與調(diào)相功能。由于鎖銷結(jié)構(gòu)處于內(nèi)軸驅(qū)動器內(nèi)部，測試中難以將其運(yùn)動信號直接導(dǎo)出，因此本次測試中，以內(nèi)軸實(shí)際相位與理論相位的一致性作為解鎖的判定。

圖11結(jié)果顯示出，保持0.5°鎖銷間隙不變，Step信號下各油溫均出現(xiàn)解鎖卡滯問題，換為Slope1000或Slope1500信號，卡滯現(xiàn)象出現(xiàn)改善，我們嘗試通過測試將此現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。表3和表4為預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比，每個(gè)工況測試5次，1次解鎖失敗即判定NG。

4結(jié)語

本文通過系統(tǒng)的分析一種特殊的CVVL機(jī)構(gòu)工作原理，將其在部分轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)解鎖卡滯的原因鎖定為：

a.凸輪軸力矩對內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子運(yùn)動只促進(jìn)不阻礙，以及階躍的解鎖信號使得驅(qū)動器轉(zhuǎn)子繞軸轉(zhuǎn)動速度過快。

b.鎖銷間隙下限過小，導(dǎo)致部分工況下，解鎖運(yùn)動不能在繞軸轉(zhuǎn)動之前完成。

針對故障現(xiàn)象，工程人員對CVVL解鎖及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模與計(jì)算，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出上調(diào)鎖銷間隙下限值，以及改用斜率信號控制解鎖的軟硬件優(yōu)化對策。通過搭建缸蓋倒拖臺架，對仿真結(jié)果的一致性與優(yōu)化對策效果進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，鎖銷間隙在0.5°-0.7°之間，采用斜率<1500的Slope信號控制后，機(jī)構(gòu)解鎖順暢，解鎖卡滯問題得到了妥善解決。

本文提出的解鎖功能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能夠在類似的葉片式液壓馬達(dá)系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，為此類系統(tǒng)的解鎖特性研究和關(guān)鍵參數(shù)定義提供較大便利。A71FB338-585B-462C-814E-4AF91C1994EB