平銀生 朱國(guó)華 郝曉偉 李偉軍 李沖霄 李兆建

中國(guó)燃油耗法規(guī)與排放法規(guī)的不斷發(fā)展，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗和排放都提出了更高的要求?？勺儦忾T(mén)升程技術(shù)可以有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗和排放。介紹了1種由上汽集團(tuán)技術(shù)中心自主研發(fā)的兩級(jí)智能可變氣門(mén)升程（I-VVL）系統(tǒng)。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的仿真分析，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。開(kāi)發(fā)了一整套適用于該系統(tǒng)的零件加工工藝，并完成了配氣機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該I-VVL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)周邊零部件影響小，功能性和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。汽油機(jī);兩級(jí)智能可變氣門(mén)升程;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);工藝開(kāi)發(fā);試驗(yàn)驗(yàn)證

0 前言

為了應(yīng)對(duì)能源環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了一系列更加嚴(yán)格的燃油耗與排放法規(guī)[1]?？勺儦忾T(mén)升程技術(shù)能夠通過(guò)改變氣門(mén)升程以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的工況，從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的目的，是近些年汽油機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

目前，市場(chǎng)上搭載可變氣門(mén)升程技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)均由國(guó)外廠商開(kāi)發(fā)[2-5]。其中，通用公司推出了可變滾子搖臂（SRFF）技術(shù)，其技術(shù)核心是應(yīng)用1個(gè)特殊搖臂，低升程時(shí)以滾子驅(qū)動(dòng)，高升程時(shí)以搖臂殼體驅(qū)動(dòng)。大眾公司開(kāi)發(fā)了可變氣門(mén)升程（AVS）技術(shù)，首先應(yīng)用在奧迪車型的V8發(fā)動(dòng)機(jī)上，并陸續(xù)搭載到了EA888和EA211等發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型上。寶馬公司推出了“Valvetronic”電子氣門(mén)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可變氣門(mén)升程，可以通過(guò)調(diào)節(jié)偏心軸角度，改變中間大搖臂的位置，實(shí)現(xiàn)了氣門(mén)升程的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

由于國(guó)外可變氣門(mén)升程技術(shù)專利壁壘的封鎖，加上國(guó)內(nèi)排放和燃油耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于自主開(kāi)發(fā)1種全新的可變氣門(mén)升程系統(tǒng)的要求迫在眉睫。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)需求，上汽集團(tuán)技術(shù)中心全新設(shè)計(jì)了1套能夠?qū)崿F(xiàn)升程切換功能的可變氣門(mén)升程系統(tǒng)，對(duì)核心部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)適用于新型結(jié)構(gòu)的加工工藝，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了可變氣門(mén)升程系統(tǒng)的功能性、耐久性及可靠性。

1 可變氣門(mén)升程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型

本文研究的可變氣門(mén)升程技術(shù)基于上汽集團(tuán)技術(shù)中心最新的2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)同步進(jìn)行開(kāi)發(fā)。發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，上汽集團(tuán)技術(shù)中心對(duì)可變氣門(mén)升程系統(tǒng)提出3個(gè)要求：（1）響應(yīng)速度快;（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，利于布置;（3）對(duì)其他周邊零件或系統(tǒng)的影響較小。

可變氣門(mén)升程可分為多級(jí)可變氣門(mén)升程和連續(xù)可變氣門(mén)升程。技術(shù)人員研究認(rèn)為：分段式的可變氣門(mén)升程在能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃油耗要求的前提下，相對(duì)連續(xù)可變氣門(mén)升程在結(jié)構(gòu)和成本上具有較大的優(yōu)勢(shì)，所以初步確定采用進(jìn)氣側(cè)兩級(jí)式可變氣門(mén)升程方案。

配氣機(jī)構(gòu)主要包括調(diào)相器、凸輪軸、搖臂滾子、氣門(mén)等部件，采用凸輪切換的方式可實(shí)現(xiàn)氣門(mén)升程切換，能夠盡可能減小對(duì)周邊零部件的影響。升程切換執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般分為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要重新布置油路結(jié)構(gòu)，對(duì)周邊零部件的影響較大，而且響應(yīng)速度比較慢。采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅布置相對(duì)靈活，而且規(guī)避了液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不足，所以選擇電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

經(jīng)過(guò)研究，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)確定采用以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)滑移式可變氣門(mén)升程方案，即全新自主開(kāi)發(fā)1套兩級(jí)智能可變氣門(mén)升程（I-VVL）系統(tǒng)，并初步確立以下I-VVL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路：（1）滑移式套筒與芯軸采用標(biāo)準(zhǔn)花鍵連接;（2）行程切換執(zhí)行器為4個(gè)雙銷電磁閥;（3）電磁閥銷子伸入套筒溝槽以驅(qū)動(dòng)套筒移動(dòng)，自主設(shè)計(jì)切換溝槽形狀;（4）套筒軸向位置采用鋼球限位，自主設(shè)計(jì)鋼球槽型線;（5）套筒設(shè)計(jì)分為A型套筒和B型套筒，2種套筒在升程切換時(shí)運(yùn)動(dòng)方向相反。

如圖1所示，I-VVL系統(tǒng)的凸輪軸一共布局有4個(gè)滑移套筒。1缸和3缸為A型套筒，2缸和4缸為B型套筒，每個(gè)套筒對(duì)應(yīng)1個(gè)電磁閥執(zhí)行器。如圖2所示，A型套筒與B型套筒的區(qū)別是高低升程凸輪位置相反。在凸輪軸初始狀態(tài)下，搖臂滾子處于高升程狀態(tài)，所以當(dāng)套筒從高升程切換到低升程的過(guò)程中，A型套筒向左移動(dòng)，B型套筒向右移動(dòng)，從而起到平衡軸向力的作用。

2 I-VVL系統(tǒng)滑移式凸輪軸設(shè)計(jì)

2.1 芯軸的結(jié)構(gòu)

凸輪軸芯軸的示意圖如圖3所示。凸輪軸芯軸與套筒采用花鍵配合的方式，共分4段花鍵，每段花鍵長(zhǎng)度均相等，長(zhǎng)度由套筒結(jié)構(gòu)尺寸和套筒切換行程而決定?；ㄦI采用標(biāo)準(zhǔn)花鍵DIN 5480-2 May 2006。每段花鍵后有1個(gè)彈簧孔，孔徑稍大于彈簧大徑和鋼球直徑。彈簧孔有2個(gè)作用：一是限制彈簧與鋼球的軸向位置，二是約束彈簧使其向鋼球提供徑向推力。

止推鋼球需要具有較高的硬度和耐磨性。為保證零件可靠性，降低零件成本，技術(shù)人員直接選用標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸承鋼球，參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/308-2002。鋼球彈簧選用標(biāo)準(zhǔn)柱狀彈簧，參照芯軸和套筒的設(shè)計(jì)邊界，根據(jù)對(duì)彈簧性能參數(shù)的需求，完成彈簧選型。

2.2 滑移套筒的結(jié)構(gòu)

如圖4所示，滑移套筒由3部分組成：凸輪段，軸頸段和螺旋槽切換段。高低升程凸輪、軸頸和螺旋槽切換段是1個(gè)套筒整體，通過(guò)內(nèi)花鍵和凸輪軸芯軸的外花鍵配合，套筒花鍵參數(shù)與芯軸相同。實(shí)現(xiàn)套筒滑移的結(jié)構(gòu)為螺旋槽。當(dāng)電磁閥銷子伸入螺旋槽時(shí)，銷子位置固定。在螺旋槽的限制下，套筒隨著轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生軸向位移，從而實(shí)現(xiàn)高低升程的切換。

螺旋槽型線設(shè)計(jì)如圖5所示，沿徑向方向可將螺旋槽分為下沉段、基圓段和上升段。螺旋槽下沉深度可表示為h，在軸向方向上可將螺旋槽分為進(jìn)入段、切換段和退出段。切換段行程可表示為s，完全處于基圓段內(nèi)。

套筒鋼球槽與止推鋼球配合以固定套筒軸向位置。鋼球槽中鋼球球心理論位置距離為Z，鋼球槽呈對(duì)稱形狀。鋼球槽深度受鋼球彈簧并圈長(zhǎng)度和彈簧力的制約。當(dāng)鋼球在最低位置時(shí)，技術(shù)人員要確保彈簧無(wú)并圈風(fēng)險(xiǎn)，另外要保證切換過(guò)程中彈簧力處于合適的范圍，使鋼球能夠給予套筒合適的軸向推力。初步確定的套筒鋼球槽型線如圖6所示。

3 電磁閥的開(kāi)發(fā)

3.1 電磁閥的設(shè)計(jì)

電磁閥采用上汽集團(tuán)與國(guó)內(nèi)優(yōu)秀供應(yīng)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)的1種響應(yīng)速度快，反應(yīng)精度高的雙銷電磁閥，突破了國(guó)外技術(shù)的壁壘（圖7）。

如圖8所示，電磁閥的驅(qū)動(dòng)核心為螺旋線管和磁芯。當(dāng)內(nèi)螺旋線管通電后，會(huì)在周邊介質(zhì)中產(chǎn)生磁通，電磁閥銷子在縮回狀態(tài)時(shí)，磁芯與螺旋線管周圍的導(dǎo)磁材料之間存在氣隙，氣隙部分磁阻較大，導(dǎo)致氣隙兩端產(chǎn)生較大的磁勢(shì)，從而產(chǎn)生電磁力，拉動(dòng)磁芯向下運(yùn)動(dòng)，直到磁芯與下殼體接觸，氣隙消失。在磁芯向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，克服彈簧力，并推動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，完成閥芯的伸出動(dòng)作。

電磁閥的2個(gè)銷子分為A、B銷。2個(gè)銷子的工作狀態(tài)是通過(guò)電磁閥自身反饋信號(hào)傳遞給ECU的。如圖9所示，采用單獨(dú)的霍爾傳感器對(duì)銷子狀態(tài)進(jìn)行診斷，這種診斷擁有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路，不受電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的影響，因而具有更高的診斷精度?；魻杺鞲衅魍ㄟ^(guò)感應(yīng)A、B銷上磁環(huán)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，輸出反饋電壓信號(hào)。

當(dāng)銷子位移發(fā)生變化時(shí)，磁環(huán)與傳感器的距離會(huì)發(fā)生變化，霍爾傳感器感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化?；诨魻栃?yīng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化會(huì)引起電勢(shì)差的變化，即反饋電壓的變化。如圖10所示，二者呈線性關(guān)系。

如圖11所示，電磁閥銷子回位首次采用了回位彈簧設(shè)計(jì)。套筒在完成切換后，電磁閥斷電，閥芯在彈簧力的作用下回到初始位置。銷子在螺旋槽退出段依靠彈簧回位，槽底上升段起到保證回位作用，有效降低了銷子底部的磨損。另外，回位彈簧提高了銷子抵抗振動(dòng)加速度的能力，避免了在車輛路況顛簸時(shí)，銷子在振動(dòng)加速度作用下出現(xiàn)異常伸出現(xiàn)象。

3.2 電磁閥的仿真分析

如圖12所示，借助電磁閥電磁仿真計(jì)算，技術(shù)人員對(duì)磁場(chǎng)分布進(jìn)行了優(yōu)化，提升了電磁力，同時(shí)降低了磁阻、氣阻、油阻等阻力，最終實(shí)現(xiàn)了超越國(guó)外量產(chǎn)產(chǎn)品的響應(yīng)性能（圖13）。

在套筒在切換過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，套筒切換時(shí)對(duì)銷子的沖擊也就越大。選定nmax作為銷子受力的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）計(jì)算條件，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。電磁閥銷子受到最大沖擊力為F1 <Fmax。其中，F(xiàn)max為銷子能承受的最大側(cè)向力，可以認(rèn)為銷子具有足夠的強(qiáng)度。

4 凸輪軸工藝設(shè)計(jì)

I-VVL系統(tǒng)凸輪軸采用全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的凸輪軸加工工藝無(wú)法滿足零件的性能要求。之前，與可變氣門(mén)升程凸輪軸相關(guān)的工藝技術(shù)均掌握在國(guó)外供應(yīng)商手中。通過(guò)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)優(yōu)秀供應(yīng)商一同進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)，雙方共同開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的機(jī)加工和表面處理工藝。

4.1 凸輪軸機(jī)加工工藝

芯軸花鍵的加工精度將直接影響可變氣門(mén)升程凸輪軸凸輪相位的誤差，從而影響I-VVL系統(tǒng)的性能。搓齒工藝屬于冷加工工藝，用于外花鍵加工，是1種高效、高精度，并具有較高材料利用率的新型制造方法[6]。如圖15所示，項(xiàng)目選擇搓齒成型工藝加工芯軸花鍵，有以下幾個(gè)原因：（1）搓齒工藝加工出的花鍵齒側(cè)定位精度高;（2）搓齒板寬度可以根據(jù)花鍵總長(zhǎng)度進(jìn)行定制，選用合適的搓齒板可將4段花鍵一次性加工出來(lái)，避免了分次加工的角位不一致;（3）搓齒加工采用上、下2個(gè)搓齒板對(duì)芯軸進(jìn)行冷擠壓，搓出花鍵，從而不產(chǎn)生廢料，材料利用率高。

4.2 凸輪軸表面處理工藝

凸輪軸芯軸花鍵和鋼球孔區(qū)域需要較高的表面硬度，以降低磨損。離子氮化滲氮具有速度快，氮化層硬度高，層厚深，滲氮組織脆性小，滲氮溫度低，零件變形小等優(yōu)點(diǎn)[7]，故凸輪軸芯軸采用離子氮化工藝。為了降低芯軸氮化變形，采用頭部以固定豎直吊裝的方式入爐氮化，后續(xù)再進(jìn)行自動(dòng)校直，以保證芯軸滿足直線度要求。

滑移套筒上的凸輪寬度較窄，較高的接觸應(yīng)力對(duì)凸輪硬度和硬化層深度有更高的要求。由于高低升程凸輪存在高度差，若采用中頻或高頻淬火工藝會(huì)導(dǎo)致臺(tái)階面處淬火溫度大大降低，從而影響其硬度和硬化層深度（圖16）。

高低升程凸輪的特殊結(jié)構(gòu)對(duì)其淬火工藝提出了更高的要求：必須能夠?qū)ν馆啽砻鎱^(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的淬火。為了解決凸輪淬火問(wèn)題，公司與供應(yīng)商共同開(kāi)發(fā)了1套激光淬火裝置。這也是國(guó)內(nèi)首次將激光淬火技術(shù)應(yīng)用于凸輪軸的表面熱處理工藝。

如圖17所示，在激光淬火工藝中，激光束不動(dòng)，套筒緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，高能激光束掃過(guò)凸輪表面，其表面迅速升溫，而此時(shí)凸輪中心仍處于冷態(tài)，隨著套筒轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)圓周后，激光束停止照射凸輪表面，表面熱量迅速向內(nèi)部傳遞，使表層急速冷卻，實(shí)現(xiàn)自身淬火[8]。激光束照射精準(zhǔn)，可以靈活調(diào)整照射角度，故高低升程凸輪的臺(tái)階不影響激光束的掃射，可滿足淬火硬度和硬化層深的要求。

在激光淬火的過(guò)程中，要嚴(yán)格控制套筒旋轉(zhuǎn)的速度和激光束的能量。這直接影響到硬化層的硬度和深度。經(jīng)過(guò)大量的工藝試驗(yàn)，最終確定了合適的淬火參數(shù)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

在完成樣件制作后，需要通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)初步驗(yàn)證其可靠性和耐久性[9]，并安排相關(guān)配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)，其中包括性能試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)。

5.1 配氣機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)

配氣機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)臺(tái)架如圖18所示。通過(guò)測(cè)量氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻和氣門(mén)升程，以驗(yàn)證I-VVL系統(tǒng)升程切換功能是否正常。在氣門(mén)升程切換的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電磁閥通電，銷子伸出后，氣門(mén)升程發(fā)生變化。氣門(mén)升程切換結(jié)果如圖19所示。從圖中可以看到，無(wú)論低轉(zhuǎn)速（n0）還是高轉(zhuǎn)速（nmax）切換，氣門(mén)升程曲線平滑，切換功能均正常。這說(shuō)明該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 配氣機(jī)構(gòu)耐久試驗(yàn)

在實(shí)際運(yùn)行中，為避免頻繁切換升程造成系統(tǒng)零件的失效，對(duì)I-VVL系統(tǒng)的耐久性進(jìn)行了配氣臺(tái)架試驗(yàn)。以整車50萬(wàn)km為考核指標(biāo)，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)。配氣機(jī)構(gòu)耐久試驗(yàn)臺(tái)架如圖20所示。

在試驗(yàn)結(jié)束后，技術(shù)人員對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行了評(píng)估。以肉眼觀察，芯軸止推面無(wú)異常磨損，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行尺寸測(cè)量，結(jié)果合格。這說(shuō)明凸輪軸在軸向力方向受力均衡，滿足設(shè)計(jì)要求。肉眼可見(jiàn)，在凸輪表面有搖臂滾子痕跡，并對(duì)凸輪表面輪廓度和粗糙度進(jìn)行測(cè)量，均滿足要求。試驗(yàn)人員將滑移套筒剖開(kāi)，檢測(cè)鋼球槽輪廓度，其磨損在可接受范圍內(nèi)。試驗(yàn)人員對(duì)滑移套筒螺旋槽工作面進(jìn)行輪廓度測(cè)量，磨損情況滿足預(yù)設(shè)要求。試驗(yàn)人員觀察電磁閥銷子，無(wú)明顯的摩擦痕跡，銷子與殼體之間間隙也在可控范圍內(nèi)，銷子伸出退回動(dòng)作流暢無(wú)卡滯。電磁閥耐久考核通過(guò)。

經(jīng)過(guò)對(duì)I-VVL系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)后進(jìn)行評(píng)估，技術(shù)人員認(rèn)為該系統(tǒng)能夠在保證基本性能的同時(shí)滿足可靠性要求。

6 總結(jié)

上汽集團(tuán)技術(shù)中心自主開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首個(gè)兩級(jí)智能可變氣門(mén)升程系統(tǒng)，突破了國(guó)外相關(guān)技術(shù)的封鎖。相關(guān)研發(fā)要點(diǎn)如下。

（1）技術(shù)人員以需求為導(dǎo)向，經(jīng)過(guò)充分的理論論證和技術(shù)儲(chǔ)備，結(jié)合CAE仿真分析，完成了I-VVL系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，對(duì)周邊機(jī)體結(jié)構(gòu)影響小，有利于零部件的通用化，降低了開(kāi)發(fā)成本。

（2）技術(shù)人員全新開(kāi)發(fā)了1種氣門(mén)升程切換的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)——可變氣門(mén)升程電磁閥。該電磁閥響應(yīng)速度快，安全性高，具有智能自我診斷功能，提高了整機(jī)的電氣化水平。

（3）針對(duì)I-VVL凸輪軸特殊的結(jié)構(gòu)和功能，上汽集團(tuán)技術(shù)中心與國(guó)內(nèi)供應(yīng)商聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一整套加工工藝流程，完全掌握了核心加工技術(shù)，在保證零件達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，大大降低了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本。

（4）通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)I-VVL系統(tǒng)進(jìn)行性能和耐久性驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的功能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012―2020年）的通知[EB]. 國(guó)發(fā)（2012）22號(hào)， 2012（1）.

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