胡 治，朱曉陽(yáng)，方茂文，楊正凱，周 毅，趙德勇

（神龍汽車有限公司，武漢 442000）

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)零部件的加工質(zhì)量、裝配質(zhì)量直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力、油耗、排放等性能指標(biāo)，而配氣機(jī)構(gòu)中氣門間隙和氣門升程兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)配氣管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量、制造質(zhì)量、裝配質(zhì)量是否合格的檢測(cè)手段之一。本文中通過(guò)對(duì)2個(gè)型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙和氣門升程參數(shù)的測(cè)量方法進(jìn)行研究，分析其測(cè)量原理、計(jì)算方法、檢測(cè)設(shè)備工作方式等內(nèi)容，比較了這兩種測(cè)量方法的特點(diǎn)和差異，為發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 氣門間隙測(cè)量方法分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱選配測(cè)量假設(shè)模型

氣門間隙是指發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)在冷態(tài)下，當(dāng)氣門處于關(guān)閉狀態(tài)下氣門與傳動(dòng)件之間預(yù)留的間隙。作用是為防止氣門桿在熱態(tài)下產(chǎn)生熱膨脹，從而使氣門長(zhǎng)度增加，如果沒(méi)有氣門間隙或間隙不合適會(huì)使氣門相位改變，間隙過(guò)小，則發(fā)動(dòng)機(jī)受熱可能會(huì)關(guān)閉不嚴(yán)，形成漏氣使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、性能惡化；間隙過(guò)大，會(huì)使傳動(dòng)系的零件之間發(fā)生撞擊，加速磨損，造成質(zhì)量事故［1］。因此，氣門間隙的控制非常重要?，F(xiàn)以某1.2T三缸雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹配氣機(jī)構(gòu)在裝配過(guò)程中，通過(guò)選配不同級(jí)別厚度的機(jī)械挺柱與氣門桿配合來(lái)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)氣門間隙，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)零部件運(yùn)行過(guò)程中熱脹冷縮的要求，根據(jù)其工作原理建立如圖1所示模型［2］。

圖1中T為機(jī)械挺柱厚度，mm；A1為缸蓋凸輪軸孔徑，mm；A2為缸蓋軸承孔底端至氣門桿頂部距離，mm；B1為凸輪軸主軸頸頂端至基圓距離，mm；H為氣門間隙，mm；K為補(bǔ)償系數(shù)。

氣門間隙的計(jì)算是以沿著氣門座密封帶起，經(jīng)氣門頭、氣門體、搖臂、搖臂軸到缸蓋，再回到氣門座構(gòu)成一個(gè)封閉型熱膨脹環(huán)。由于氣門間隙在前期工藝設(shè)計(jì)上已確定其尺寸范圍（例：缸蓋排氣氣門間隙范圍0.427～0.505 mm），通過(guò)測(cè)量凸輪軸孔直徑、缸蓋軸承孔底端至氣門桿頂部距離、凸輪軸主軸頸頂端至基圓距離3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，便可計(jì)算出應(yīng)選配的機(jī)械挺柱厚度，其計(jì)算公式為

目前氣門挺柱選配設(shè)備主要包括缸蓋測(cè)量站、凸輪軸測(cè)量站、智能料架選配站3個(gè)部分，下文將逐一介紹其測(cè)量方法。

圖1 氣門間隙測(cè)量模型

1.2 凸輪軸測(cè)量站

凸輪軸測(cè)量站的主要功能是在線測(cè)量B1，通過(guò)對(duì)凸輪軸頸和凸輪軸基圓進(jìn)行測(cè)量，綜合計(jì)算得出B1。以某1.2T三缸12氣門發(fā)動(dòng)機(jī)為例（進(jìn)排氣各6個(gè)氣門），凸輪軸測(cè)量站包含20個(gè)測(cè)量單元，進(jìn)排氣各用10個(gè)測(cè)量傳感器，分為軸頸測(cè)量組和基圓測(cè)量組，其中4個(gè)MARPOSS公司A17型號(hào)位移傳感器檢測(cè)凸輪軸主軸頸，6個(gè)MARPOSS公司A120型號(hào)位移傳感器檢測(cè)凸輪軸基圓，如圖2所示。

圖2 凸輪軸測(cè)量站

此凸輪軸測(cè)量站為敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，帶落地支撐。該測(cè)量工位提供4個(gè)用于測(cè)量傳感器校零的標(biāo)準(zhǔn)件（1套進(jìn)氣側(cè)凸輪軸大、小值標(biāo)準(zhǔn)件和1套排氣側(cè)凸輪軸大、小值標(biāo)準(zhǔn)件），同時(shí)2套測(cè)量組件可檢測(cè)進(jìn)、排氣凸輪軸。測(cè)量組件硬件單元具有2對(duì)“V”形支撐塊，用于工件上料；2對(duì)頂尖用于凸輪軸的定位和驅(qū)動(dòng)。測(cè)量單元裝在氣缸控制滑臺(tái)上?；_(tái)向后移動(dòng)時(shí)，測(cè)量單元接觸工件，用于檢測(cè)；滑臺(tái)向前移動(dòng)時(shí)，測(cè)量單元離開(kāi)工件，測(cè)量結(jié)束。具體測(cè)量過(guò)程為操作者將待測(cè)的進(jìn)、排氣凸輪軸手動(dòng)裝載到“V”型支撐塊上，頂尖夾持工件并帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，在氣缸和直線導(dǎo)軌帶動(dòng)下，測(cè)量單元向上移動(dòng)至測(cè)量位置對(duì)工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，計(jì)算出凸輪軸半徑、桃尖到圓心的距離、同軸度等主要信息，并存儲(chǔ)在設(shè)備存儲(chǔ)器中。

現(xiàn)以排氣凸輪軸M5測(cè)量項(xiàng)舉例說(shuō)明B1-5測(cè)量值的計(jì)算方法。其計(jì)算公式為

式中：M5為B1-5的測(cè)量代號(hào)，表示凸輪軸5號(hào)主軸頸頂端至基圓底部距離，mm；t27為測(cè)量的凸輪軸5號(hào)基圓直徑，mm；t23、t24分別為測(cè)量的5號(hào)基圓左、右側(cè)凸輪軸主軸頸直徑，mm。

因?yàn)橥馆嗇S的同軸度、離心圓最大直徑、表面粗糙度等因素與缸蓋凸輪軸孔的裝配質(zhì)量聯(lián)系緊密，需考慮凸輪軸基圓左側(cè)和右側(cè)的變形量。根據(jù)凸輪軸工位測(cè)點(diǎn)圖可知（見(jiàn)圖3），沿軸線方向3個(gè)測(cè)量點(diǎn)（23＃、27＃、24＃）直線上的距離由凸輪軸圖紙獲得，確定23＃測(cè)量點(diǎn)的軸向距離為80 mm，27＃測(cè)量點(diǎn)軸向距離為103.8 mm，24＃測(cè)量點(diǎn)軸向距離為162 mm。

圖3 凸輪軸站測(cè)量點(diǎn)分布圖

左側(cè)軸承孔影響系數(shù)為

將0.710和0.29兩個(gè)補(bǔ)償系數(shù)代入式（2），計(jì)算得M5＝28.4715 mm，即凸輪軸5號(hào)主軸頸至5號(hào)基圓底部距離尺寸B1-5尺寸求出［3-4］。

1.3 缸蓋測(cè)量站

缸蓋測(cè)量站主要功能是在線測(cè)量A2參數(shù)（缸蓋凸輪軸孔直徑A1在缸蓋分裝線測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)綁定在缸蓋上，然后通過(guò)本站掃碼讀?。?0個(gè)測(cè)量單元，進(jìn)排氣各用10個(gè)MARPOSS公司FP11型號(hào)直線位移測(cè)量傳感器，其中8個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)缸蓋凸輪軸孔徑同軸度變形量，12個(gè)傳感器檢測(cè)缸蓋軸承孔底端至氣門桿頂部的距離尺寸，此設(shè)備為全封閉式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 缸蓋測(cè)量站

檢測(cè)設(shè)備硬件部分包括：工控機(jī)、伺服移動(dòng)機(jī)構(gòu)（X/Y）、測(cè)量單元、大小標(biāo)準(zhǔn)件、發(fā)動(dòng)機(jī)舉升機(jī)構(gòu)等，安全門處配有安全光柵監(jiān)控，上部為測(cè)量組件，氣缸驅(qū)動(dòng)通過(guò)直線導(dǎo)軌控制測(cè)量單元上下移動(dòng)，向下移動(dòng)時(shí)為進(jìn)入測(cè)量單元，向上移動(dòng)時(shí)為回到原位，在測(cè)量工位后面，有一個(gè)自動(dòng)標(biāo)定工位，標(biāo)準(zhǔn)件放置在標(biāo)定工位，當(dāng)需要標(biāo)定時(shí)，由氣缸將標(biāo)準(zhǔn)件推至測(cè)量工位，自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)定。缸蓋測(cè)量站裝有環(huán)境溫度探頭，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度，并在溫度變化時(shí)對(duì)測(cè)量項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。

現(xiàn)以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋凸輪軸孔排氣側(cè)M2測(cè)量項(xiàng)舉例說(shuō)明A2-5測(cè)量值的計(jì)算方法。其計(jì)算公式為

式中：M2為A2-5的測(cè)量代號(hào)，表示缸蓋排氣側(cè)5號(hào)軸承孔底端至5號(hào)氣門桿頂部距離，mm；t6為缸蓋5號(hào)氣門頂端距離，mm；t3為5號(hào)氣門左側(cè)軸承孔直徑，mm；t2為5號(hào)氣門右側(cè)軸承孔直徑，mm。

缸蓋凸輪軸孔的變形量和凸輪軸站一樣，是需考慮的重要因素。根據(jù)缸蓋測(cè)量點(diǎn)圖紙可知（見(jiàn)圖5），沿軸線方向3個(gè)測(cè)量點(diǎn)（3＃、6＃、2＃）直線上的距離由缸蓋圖紙獲得，確定3＃測(cè)量點(diǎn)軸向距離為129.2 mm，6＃測(cè)量點(diǎn)軸向距離為193.5 mm，2＃測(cè)量點(diǎn)軸向距離為211.2 m。

左側(cè)軸承孔影響系數(shù)為

因此將0.784和0.216兩個(gè)補(bǔ)償系數(shù)引入式（5）中計(jì)算得M2＝7.9588 mm，即發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋排氣側(cè)5號(hào)軸承孔底端至5號(hào)氣門桿頂部距離測(cè)量項(xiàng)A2-5參數(shù)求出。

圖5 缸蓋站排氣側(cè)測(cè)量點(diǎn)分布圖

1.4 智能料架選配站

智能料架選配站的主要功能是將凸輪軸站和缸蓋站測(cè)量的信息進(jìn)行匯總比較，再利用固定算法進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，得出每個(gè)氣門對(duì)應(yīng)的機(jī)械挺柱厚度（T），在挺柱料架上進(jìn)行提示，最后人工完成機(jī)械挺柱的拿取和安裝，智能料架選配站如圖6所示。

此智能料架選配站另有兩個(gè)挺柱庫(kù)，一套用于進(jìn)氣側(cè)挺柱安裝，另一套用于排氣側(cè)挺柱安裝。由45個(gè)料倉(cāng)組成（挺柱厚度范圍2.7～3.58 mm，共45個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)差20μm），每個(gè)料倉(cāng)裝有同一組別的機(jī)械挺柱，由4行12列構(gòu)成，其中4行6列是常用挺柱貨架，4行6列是不常用挺柱貨架，每列間有隔板，貨架上裝有指示燈和光電傳感器，用于引導(dǎo)操作人員進(jìn)行正確的選擇順序，通過(guò)手動(dòng)方式把選擇好的挺柱從貨架里取出并裝入指定順序的缸蓋。

圖6 機(jī)械挺柱選配站

例如計(jì)算排氣側(cè)5號(hào)氣門挺柱厚度T5，根據(jù)式（1）、式（2）和式（3）可得

式中：M2測(cè)量結(jié)果為7.958 8 mm；M3（即A1-3：凸輪軸3號(hào)軸孔直徑）在缸蓋分裝線測(cè)量結(jié)果為24.031 5 mm；M5測(cè)量結(jié)果為28.471 5 mm；K11為排氣側(cè)氣門間隙名義值，0.465 mm；K105為排氣側(cè)5號(hào)氣門系統(tǒng)補(bǔ)償值，-0.015 mm。最終計(jì)算得出T5＝3.0388 mm，軟件根據(jù)挺柱等級(jí)表查詢此發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)5號(hào)氣門應(yīng)該安裝第18等級(jí)的機(jī)械挺柱，并將此信息寫入計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)。至此，根據(jù)機(jī)械挺柱的準(zhǔn)確選配就保證了氣門間隙在工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2 氣門升程測(cè)量方法研究

2.1 可變氣門升程技術(shù)簡(jiǎn)介

氣門升程開(kāi)度的范圍直接影響氣缸的進(jìn)氣量，特別是采用氣門升程控制技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在低速小負(fù)荷時(shí)使用較小的氣門升程，有利于增強(qiáng)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，提高燃燒速度，增加發(fā)動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)矩，改善冷起動(dòng)和降低油耗；高速大負(fù)荷時(shí)使用較大的氣門升程，可以增大功率輸出，減少氣門節(jié)流損失，提高充氣效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低有害物的排放；所以高性能發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下對(duì)氣門升程開(kāi)度的準(zhǔn)確性要求非常嚴(yán)格，它直接反映了發(fā)動(dòng)機(jī)氣門管理系統(tǒng)的可靠性［5］。現(xiàn)以某采用可變氣門升程技術(shù)的1.6T發(fā)動(dòng)機(jī)為例，介紹氣門升程在線測(cè)量方法。

此1.6T發(fā)動(dòng)機(jī)主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)氣門上方布置了一套通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)由復(fù)位彈簧、導(dǎo)線塊、1/2齒輪＋偏置軸、與伺服電機(jī)連接的蝸桿、氣門、進(jìn)氣凸輪軸、中間滾子搖臂、搖臂、液壓挺柱部件等組成，其外形結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)進(jìn)氣凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪軸會(huì)驅(qū)動(dòng)中間滾子搖臂和搖臂來(lái)完成氣門的開(kāi)啟和關(guān)閉，其中液壓挺柱在機(jī)油壓力的作用下將氣門搖臂的滾輪與中間滾子搖臂的底部接觸、氣門搖臂與氣門端部接觸并保持零間隙。當(dāng)伺服電機(jī)工作時(shí)，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)會(huì)首先驅(qū)動(dòng)偏置軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，然后中間滾子搖臂和搖臂會(huì)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，偏置軸旋轉(zhuǎn)的角度不同（0°～170°），最終凸輪軸通過(guò)中間滾子搖臂和搖臂頂動(dòng)氣門產(chǎn)生的升程也會(huì)不同。在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)氣門的升程可實(shí)現(xiàn)從0.25～9.70 mm之間的無(wú)級(jí)變化［6-7］。

圖7 可變氣門升程發(fā)動(dòng)機(jī)

2.2 氣門升程計(jì)算方法介紹

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，1.6T可變氣門升程發(fā)動(dòng)機(jī)主要是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)氣門升程最小開(kāi)度下的線性范圍，氣門升程測(cè)量單元有8個(gè)直線位移傳感器，測(cè)量進(jìn)氣端8個(gè)氣門的升程變化，8個(gè)直線位移傳感器采集對(duì)應(yīng)8個(gè)氣門運(yùn)動(dòng)時(shí)升程最小開(kāi)度的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)數(shù)據(jù)（旋轉(zhuǎn)5圈采集3 600個(gè)點(diǎn)），共53個(gè)測(cè)量項(xiàng)。測(cè)量項(xiàng)和計(jì)算公式如表1所示。其中1、3、5、7號(hào)氣門（奇數(shù)）屬于相同氣門升程，2、4、6、8號(hào)氣門（偶數(shù)）屬于相同氣門升程，同時(shí)為保證進(jìn)氣凸輪軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，氣門升程測(cè)量單元對(duì)測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確控制，還增加1個(gè)仿形面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)進(jìn)氣凸輪軸的旋轉(zhuǎn)角度，并實(shí)時(shí)反饋給凸輪軸驅(qū)動(dòng)單元的角度編碼器，以確定進(jìn)氣凸輪軸旋轉(zhuǎn)角度正確。

表1 氣門升程計(jì)算公式

2.3 氣門升程在線測(cè)量設(shè)備工作原理介紹

檢測(cè)設(shè)備為MARPOSS公司開(kāi)發(fā)的氣門升程在線測(cè)量機(jī)，功能是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在低速小負(fù)荷工況時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)過(guò)程中氣門管理系統(tǒng)的狀態(tài)，驗(yàn)證偏心軸轉(zhuǎn)角與氣門升程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及在線測(cè)量低角度范圍內(nèi)氣門升程的最小開(kāi)度數(shù)值與工藝設(shè)計(jì)數(shù)值的符合性，設(shè)備測(cè)量原理如圖8所示。

圖8 氣門升程測(cè)量原理圖

氣門升程在線檢測(cè)機(jī)包含大、小標(biāo)準(zhǔn)件2個(gè)，用于標(biāo)定設(shè)備的測(cè)量精度，測(cè)量零件之前先用小標(biāo)準(zhǔn)件校準(zhǔn)，校準(zhǔn)合格后機(jī)械手將滾道上待測(cè)零件抓取到測(cè)量工位，壓緊機(jī)構(gòu)下降將零件壓緊，凸輪軸驅(qū)動(dòng)單元將凸輪軸旋轉(zhuǎn)到原位，偏置軸驅(qū)動(dòng)單元將偏置軸旋轉(zhuǎn)到-14.3°，使進(jìn)氣凸輪軸基圓與中間滾子搖臂接觸，處于測(cè)量位置，然后偏置驅(qū)動(dòng)單元將偏置軸抱死，此時(shí)氣門升程為最小開(kāi)度，勾爪拉緊機(jī)構(gòu)通過(guò)氣液增壓缸將液壓挺柱拉住，并鎖緊作用于相應(yīng)液壓挺柱的拉桿，氣門升程測(cè)量單元通過(guò)滑臺(tái)上升到位與氣門座接觸，進(jìn)氣凸輪軸旋轉(zhuǎn)5圈，推動(dòng)中間滾子搖臂、氣門搖臂使氣門在閉合至最小開(kāi)度下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使用MARPOSS公司FP25型號(hào)（行程±2.5 mm，精度0.015μm）直線位移傳感器測(cè)量氣門升程最小開(kāi)度數(shù)值，測(cè)量結(jié)束后氣門升程測(cè)量滑臺(tái)下降，拉桿松開(kāi)，進(jìn)氣凸輪軸旋轉(zhuǎn)到原位，凸輪軸驅(qū)動(dòng)單元滑臺(tái)退回，偏置軸驅(qū)動(dòng)單元將偏置軸回原位后退回，壓緊機(jī)構(gòu)回原位，機(jī)械手將零件抓回滾道上，測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在人機(jī)界面（HMI）上顯示?？紤]到在線測(cè)量系統(tǒng)中存在變量因素，增加了傳感器補(bǔ)償系數(shù)、角度補(bǔ)償系數(shù)和環(huán)境溫度補(bǔ)償系數(shù)，還需通過(guò)計(jì)量校對(duì)來(lái)修正測(cè)量數(shù)據(jù)最終的真實(shí)性。這種可變氣門升程在線測(cè)量方式測(cè)量數(shù)據(jù)較全面，其測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量效率都較高［8］。

3 兩種測(cè)量方案特點(diǎn)分析

根據(jù)前面對(duì)兩種不同排氣量發(fā)動(dòng)機(jī)氣門間隙和氣門升程在線測(cè)量方法的研究，發(fā)現(xiàn)測(cè)量方案的設(shè)計(jì)需要考慮到各種因素，比如測(cè)量鏈的完整性、測(cè)量不確定度的補(bǔ)償、求解精度級(jí)別、工藝檢測(cè)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面，這些因素都會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量控制的有效性，兩種測(cè)量方案特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量方案比較

4 結(jié)論

本文中通過(guò)對(duì)氣門間隙和氣門升程兩個(gè)參數(shù)測(cè)量方法的研究，分析了其數(shù)學(xué)模型公式、測(cè)量原理、在線測(cè)量設(shè)備工作特點(diǎn)等方面內(nèi)容，其主要目的是為監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)在加工和裝配過(guò)程中的加工精度、裝配精度等指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)定工藝標(biāo)準(zhǔn)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下實(shí)現(xiàn)最佳狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放指標(biāo)等滿足消費(fèi)者需求，同時(shí)也是為后續(xù)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)類似系統(tǒng)的測(cè)量選型提供參考依據(jù)。