張宗瀾， 熊銳， 吳堅， 周鑫， 曾恩山

(1. 廣東工業(yè)大學機電工程學院， 廣東 廣州 510006； 2. 廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 510640)

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一種連續(xù)可變氣門升程機構(gòu)的動力學仿真

張宗瀾， 熊銳， 吳堅， 周鑫， 曾恩山

(1. 廣東工業(yè)大學機電工程學院， 廣東 廣州 510006； 2. 廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 510640)

設計了一種連續(xù)可變氣門升程(CVVL)機構(gòu)，氣門升程可在0～9.5 mm連續(xù)可變，為該CVVL機構(gòu)設計計算了凸輪型線和中間搖臂型線。利用GT-Power對該機構(gòu)進行了動力學仿真，結(jié)果表明：在所有氣門升程下，氣門具有相同的開啟、落座緩沖段，氣門動力學性能良好；凸輪與滾輪接觸應力偏大，分析了應力偏大的原因，并指出優(yōu)化方向。

可變氣門升程； 凸輪型線； 動力學； 仿真

連續(xù)可變氣門升程(CVVL)是一種車用汽油機的節(jié)油技術(shù)，它能夠根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與負荷，匹配最佳的氣門升程，甚至可以取代節(jié)氣門的作用[1]，實現(xiàn)對汽油機負荷的控制。研究表明，低速低負荷工況下，一方面，CVVL機構(gòu)能夠降低泵氣損失[2-6]，另一方面，在較小的氣門升程下，配氣機構(gòu)需要的驅(qū)動扭矩更小[7-8]，因此能夠有效降低汽油機的燃油消耗。目前汽車市場也有相關(guān)的應用，例如寶馬的Valvetronic[9-10]、日產(chǎn)的VVEL[11]和現(xiàn)代的CVVL[12]。

雖然CVVL技術(shù)具有一定的節(jié)油潛力，但是其技術(shù)相對復雜，凸輪型線和搖臂型線的確定是難點，國內(nèi)相關(guān)研究較少。本研究在某2.0T汽油機進氣機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設計了一種連續(xù)可變氣門升程機構(gòu)，解決了凸輪型線設計和中間搖臂型線計算的難點，并對該機構(gòu)進行了動力學仿真。

1 CVVL機構(gòu)及型線

1.1 機構(gòu)原理

本研究設計的CVVL機構(gòu)在原2.0T汽油機配氣機構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一中間搖臂(見圖1)，兩個機構(gòu)的氣門相關(guān)參數(shù)完全相同。

圖2示出了CVVL機構(gòu)的原理。中間搖臂的轉(zhuǎn)動支點由控制機構(gòu)改變，轉(zhuǎn)動支點以氣門搖臂滾輪中心為圓心，以半徑R可向左轉(zhuǎn)動。用中間搖臂轉(zhuǎn)動支點與氣門搖臂滾輪中心的連線與豎直方向的夾角β來定位轉(zhuǎn)動支點的位置，不同的轉(zhuǎn)動支點定位角β對應不同的氣門升程。圖2中實線的中間搖臂為最大升程位置，虛線為最小升程位置。中間搖臂在回位彈簧的作用下，始終保持與凸輪接觸，凸輪使中間搖臂來回擺動，中間搖臂型線驅(qū)動氣門搖臂，進而產(chǎn)生氣門升程。

圖1 CVVL機構(gòu)與2.0T配氣機構(gòu)結(jié)構(gòu)對比

圖2 CVVL機構(gòu)原理

氣門升程曲線由凸輪型線、中間搖臂型線共同決定，因此型線設計是關(guān)鍵。根據(jù)該CVVL結(jié)構(gòu)特點，本研究采用設計自由度大的分段多形式的方法設計了凸輪型線：

L=a0+a1x+ a2x2+ a3x3+ a4x4+ a5x5。

(1)

式中：L為凸輪升程；ai為多項式系數(shù)。

凸輪型線見圖3。凸輪型線的設計目標是保證在不同升程下，氣門都具有相同的開啟、落座緩沖段，使氣門開啟、落座速度穩(wěn)定，減小氣門的落座沖擊，保證氣門的使用壽命。

圖3 凸輪型線

為了使氣門達到目標升程曲線的要求，結(jié)合CVVL結(jié)構(gòu)和凸輪型線，用遞推方法計算了中間搖臂型線，結(jié)果見圖4?？梢钥闯觯途€具有很好的連續(xù)性。在凸輪的驅(qū)動下，中間搖臂型線的升程特性直接決定了氣門升程曲線的特性。

圖4 中間搖臂型線

凸輪型線與搖臂型線確定以后，氣門運動學升程特性(見表1)基本與2.0T配氣機構(gòu)一致，說明型線設計合理。

表1 CVVL氣門升程特性對比

2 動力學模型

在GT-Power中建立了該CVVL機構(gòu)的動力學模型，模型見圖5。輸入凸輪型線及中間搖臂型線，進行動力學仿真。在回位彈簧作用下，凸輪與滾輪保持接觸(見圖2)，定位夾角依次設定為5°，6°，7°，8°，9°和10°，6個不同轉(zhuǎn)動支點的位置，對應6種不同的氣門升程，發(fā)動機轉(zhuǎn)速設定為6 000 r/min。

凸輪的磨損情況一般用接觸應力來評價，相同材料的線接觸應力計算公式為

(2)

式中：F為凸輪與滾輪的接觸法向力；R1，R2別為凸輪與滾輪在接觸點的曲率半徑；E為材料的彈性模量；w為接觸寬度。

低于12.2米的普通腳手架搭設僅需專業(yè)腳手架工在腳手架主管監(jiān)督下搭設、更改及拆除即可，超過12.2米及其他的特殊腳手架搭設則需經(jīng)過阿美批準的專業(yè)腳手架承包商進行。

凸輪與滾輪的接觸寬度通常受到布局和質(zhì)量的限制，其尺寸往往較小。所有構(gòu)件材料均為鋼，常規(guī)鋼與鋼滾動接觸時，其接觸應力范圍一般為pmax<1 500 MPa。

圖5 CVVL機構(gòu)動力學模型

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 氣門動力學特性

氣門動力學升程曲線見圖6。所有氣門升程曲線具有很好的光滑性，而且氣門沒有出現(xiàn)反跳現(xiàn)象，表明配氣機構(gòu)工作平穩(wěn)，動力學性能良好。當中間搖臂轉(zhuǎn)動支點定位角增大時，氣門升程逐步減小，開啟持續(xù)期也相應減小。氣門最大升程為9.5 mm，表明該CVVL機構(gòu)可實現(xiàn)氣門升程在9.5 mm范圍內(nèi)連續(xù)可變。

隨著氣門升程的減小，氣門開啟時刻相應推遲，為了實現(xiàn)氣門正時可控，可加入VVT技術(shù)，實際產(chǎn)品中通常也是同時采用可變氣門升程和可變氣門正時技術(shù)，以適應轉(zhuǎn)速變化對進、排氣流通特性的要求[13-14]。

圖6 氣門升程

氣門動力學速度曲線見圖7。所有升程下，氣門都存在相同的緩沖段，氣門落座速度均為0.29 m/s，落座速度相同，從而保證在所有升程下，氣門落座的平穩(wěn)性，說明凸輪型線與中間搖臂型線設計合理，實現(xiàn)了預期的設計要求。氣門速度曲線在氣門開啟和落座后存在一定波動，是由于氣門開啟與落座時有一定的沖擊，使氣門加速度產(chǎn)生較大波動。由圖8可見，氣門速度與加速度曲線有很好的一致性。

圖7 氣門速度

圖8 氣門加速度(最大升程時)

3.2 凸輪與滾輪接觸法向力

氣門升程越大，氣門彈簧力越大；發(fā)動機轉(zhuǎn)速越大，配氣機構(gòu)慣性力越大。因此，只計算氣門升程為9.5 mm、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時，凸輪與滾輪、中間搖臂與滾輪的接觸法向力與接觸應力，用于判斷凸輪的磨損以及是否存在飛脫的情況。

接觸法向力見圖9。F1，F(xiàn)2分別為凸輪與滾輪、中間搖臂與滾輪的接觸法向力。顯然有F1>0，F(xiàn)2>0，因此兩個接觸點沒有出現(xiàn)飛脫的情況；法向力走向與氣門加速度基本一致，因為配氣機構(gòu)在高速狀態(tài)時，慣性力占主導地位。最大接觸法向力分別為1 312 N，2 276 N，F(xiàn)1整體比F2大，是由于中間搖臂存在一定的搖臂比，加上回位彈簧彈力及中間搖臂慣性力，3個因素疊加使F1增大，說明CVVL從結(jié)構(gòu)上決定了F1比F2大，優(yōu)化空間較小。

圖9 接觸法向力

3.3 凸輪與滾輪接觸應力

接觸應力見圖10，p1，p2分別為凸輪與滾輪、中間搖臂與滾輪的接觸應力。由圖可見p1>0，p2>0，進一步說明接觸部位沒有出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，其中p2變化比較平穩(wěn)，沒有突變，最大值為656 MPa，在材料的許用范圍內(nèi)。p1存在兩個較大的峰值，與F1趨勢一致，均出現(xiàn)在氣門加速段，其最大值為1 322 MPa，在材料的許用應力邊沿，接觸應力偏大。

圖10 接觸應力

由式(2)可知，當材料選定、接觸寬度不變時，接觸應力p1與法向力F1成正向關(guān)系，與凸輪曲率半徑R1成反向關(guān)系。由圖11可見，最大接觸法向力與最大曲率半徑相錯開，使氣門加速段所對應的凸輪型線段的曲率半徑較小，從而導致p1出現(xiàn)兩個較大峰值。在周期性較大接觸應力的反復作用下，將引起兩個工作表面出現(xiàn)較快的磨損，降低凸輪的使用壽命。動力學仿真結(jié)果說明，該機構(gòu)還需進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以降低凸輪與滾輪的接觸應力。

研究發(fā)現(xiàn)[15]，通過增加一個搖臂來實現(xiàn)氣門升程的連續(xù)可變，是一種比較常用的方法，但這種結(jié)構(gòu)會導致凸輪與滾輪接觸法向力增大；由于受到接觸寬度和曲率半徑的限制，相應的接觸應力也會增大。這是此類CVVL機構(gòu)共同存在的問題，需要優(yōu)化中間搖臂的結(jié)構(gòu)來減小其搖臂比，但是這種方法的優(yōu)化空間較小，可能還需要結(jié)合材料選用以及熱處理工藝，共同尋找解決方案。

圖11 凸輪曲率半徑與法向力

4 結(jié)論

a) 設計的CVVL機構(gòu)的氣門升程可在0～9.5 mm連續(xù)可變，氣門沒有出現(xiàn)反跳，動力學性能良好；

b) 設計的凸輪型線及計算的中間搖臂型線滿足氣門升程要求，且在所有氣門升程下，氣門落座速度均為0.29 m/s，氣門具有相同的開啟和落座緩沖段；

c) 凸輪與滾輪最大接觸應力為1 322 MPa，略大于1 300 MPa，分析了應力較大的原因，并指出此類CVVL機構(gòu)接觸應力的優(yōu)化方向。

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[編輯： 姜曉博]

Dynamic Simulation of Continuous Variable Valve Lift Mechanism

ZHANG Zonglan1， XIONG Rui1， WU Jian1,2， ZHOU Xin1， ZENG Enshan1

(1. School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China；2. Automotive Engineering Institute， GAC， Guangzhou 510640， China)

A continuous variable valve lift (CVVL) mechanism was designed and the valve lift could be adjusted in 0～9.5 mm. The cam profile and middle rocker profile for CVVL mechanism were designed and calculated. The dynamic simulation was carried out for the mechanism by using GT-Power. The results showed that the valve had the same buffer zone for opening and closing within the largest lift and had good dynamic performance. However, the contact stress between cam and roller was a little large. The reason for the large contact stress was analyzed and the optimization strategy was pointed out.

continuous variable valve lift(CVVL)； cam profile； dynamics； simulation

2015-09-05；

2015-12-22

國家自然科學基金項目(51405087)

張宗瀾(1986—)，男，碩士，主要研究方向為汽車節(jié)能與排放控制；13760720078@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.006

TK413.43

B

1001-2222(2016)01-0033-04