雙氣門配氣機構(gòu)布置方法的應(yīng)用與測試研究

劉芳,楊連亞

（安徽航瑞航空動力裝備有限公司,安徽蕪湖 241000）

0 引言

發(fā)動機配氣機構(gòu)是定時開啟和關(guān)閉氣門，使新鮮的可燃混合氣或空氣得以及時進(jìn)入氣缸，廢氣得以及時從氣缸排出的一種機構(gòu)，是發(fā)動機中重要且復(fù)雜的部件之一。而柴油機雙氣門的配氣機構(gòu)較單氣門來說，增加了氣門橋結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，試驗證明，若配氣機構(gòu)尺寸布置不當(dāng)，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的運行不穩(wěn)定，降低系統(tǒng)零部件的壽命及發(fā)動機的性能，造成氣門橋磨損、導(dǎo)管偏磨、氣門傾斜、燃燒室內(nèi)渦流混亂、進(jìn)排氣不暢等。因此對于雙氣門的柴油機配氣系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要。

本文提供了一種發(fā)動機雙氣門配氣機構(gòu)布置方法，以運動學(xué)為理論基礎(chǔ)，建立配氣系統(tǒng)布置設(shè)計模型，進(jìn)行發(fā)動機配氣機構(gòu)運動特性的解析[1-2]，并以某活塞發(fā)動機的配氣機構(gòu)為案例，使用本文提出的雙氣門配氣機構(gòu)布置方案并結(jié)合運動學(xué)解析及動力學(xué)測試與原方案進(jìn)行了對比，對比結(jié)果顯示本文所提出的方案要優(yōu)于原方案。

1 分析方法構(gòu)建

1.1 雙氣門配氣機構(gòu)布置

雙氣門配氣機構(gòu)包括雙氣門、凸輪軸、挺柱、氣門橋、推桿和搖臂，搖臂包括與氣門橋連接的第一臂部和與推桿連接的第二臂部，雙氣門是指設(shè)置兩個氣門，兩個氣門的軸線相平行，氣門橋與兩個氣門相連接，搖臂為可旋轉(zhuǎn)的設(shè)置于發(fā)動機缸蓋上，搖臂的一端與推桿相連接，搖臂的另一端與氣門橋相連接，氣門橋是用于將搖臂的運動規(guī)律傳遞給兩個氣門，推桿位于搖臂的下方，推桿與挺柱相配合，且挺柱位于推桿和凸輪軸之間，挺柱與凸輪軸相接觸，如圖1所示。

圖1 雙氣門配氣機構(gòu)布置簡圖

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)圖1下置式配氣機構(gòu)的布置圖，本文發(fā)動機雙氣門配氣機構(gòu)布置方法包括如下步驟：1）確定雙氣門和凸輪軸的位置；2）確定氣門中心線與推桿中心線之間的初始夾角γ；3）確定搖臂的旋轉(zhuǎn)中心位置線；4）設(shè)定搖臂的旋轉(zhuǎn)中心與缸蓋的上表面之間的距離H2；5）計算搖臂的旋轉(zhuǎn)中心與氣門中心線之間的垂直距離Pb及搖臂的旋轉(zhuǎn)中心與推桿中心線之間的垂直距離Pa；6）計算搖臂與氣門橋的運動軌跡及相對滑移速度；7）確定搖臂的第一臂部的長度Lb及角度β；8）評估計算結(jié)果是否滿足預(yù)期設(shè)計指標(biāo)，如果不滿足，重新執(zhí)行步驟3）～步驟8），直到滿足預(yù)期設(shè)計指標(biāo)；9）計算搖臂的第二臂部的長度La及角度βv；10）最終確定各零件的尺寸及位置關(guān)系。

根據(jù)步驟1）所述，首先根據(jù)發(fā)動機的氣道設(shè)計及布置空間，先確定雙氣門的位置及凸輪軸的位置。

在上述步驟2）中，根據(jù)推桿的可布置空間確定氣門中心線與推桿中心線之間的初始夾角γ，以推桿與氣門運動方向相交為負(fù)，反之為正。

在上述步驟3）中，根據(jù)初始搖臂比R0的大小，一般經(jīng)驗值取1.5～1.7，通過解析方法計算出搖臂的旋轉(zhuǎn)中心位置線的位置。

a.當(dāng)γ≠0時，則有

式中：λ為搖臂的旋轉(zhuǎn)中心位置線與氣門中心線之間的夾角；φ為搖臂的旋轉(zhuǎn)中心位置線與推桿中心線之間的夾角，γ=λ+φ,φ＞0，搖臂的旋轉(zhuǎn)中心位置線與氣門中心線和推桿中心線相交于一點。

通過方程求解，可以解析出初始的λ及φ值，從而可以確定搖臂旋轉(zhuǎn)中心位置線。

b.當(dāng)γ=0時，則有

其中，Pa+Pb=L，L為凸輪軸的軸線到氣門中心線之間的距離。

可以解析出初始的Pa及Pb，從而可以確定搖臂旋轉(zhuǎn)中心位置線。

如圖1所示，在上述步驟5）中，

a.當(dāng)γ≠0時，通過解析計算，得到：

式中：H為凸輪軸到氣門桿端的距離；H1為缸蓋的上表面到氣門桿端的垂直距離；H2為缸蓋的上表面與搖臂的旋轉(zhuǎn)中心的垂直距離；

b.當(dāng)γ＝0時，見公式（2）。

在上述步驟6）中，根據(jù)運動學(xué)關(guān)系，得出

氣門橋上與搖臂的第一臂部的端面（也即搖臂的第一端的端面）相接觸的第一接觸點的位移為

式中：h為氣門的升程函數(shù)；β為氣門開啟過程中任一瞬時的位置角（即搖臂的第一臂部的長度方向和搖臂的旋轉(zhuǎn)中心與氣門中心線的垂線之間的任一瞬時的位置角）；βv為當(dāng)凸輪軸凸輪的基圓部的外圓面與挺柱接觸時搖臂的第一臂部的長度方向和搖臂的旋轉(zhuǎn)中心與氣門中心線的垂線之間的位置角。

a.當(dāng)搖臂的第一臂部上與氣門橋相接觸的端面為圓弧面（也即搖臂的第一端的端面為圓弧面）時，搖臂的第一臂部的端面與氣門橋的相對滑移速度為

式中：θ為凸輪軸轉(zhuǎn)角；Δs為第二觸點的位移；Δx為第一觸點的位移。

第一接觸點為氣門橋頂面上的一點，第二接觸點為搖臂的第一臂部的圓弧面上的一點，第二接觸點與氣門橋相接觸，繼而，

其中，ρ為搖臂的第一臂部的圓弧面的半徑。

進(jìn)一步，對式（5）求導(dǎo)，得出

式中：θ為凸輪軸轉(zhuǎn)角；Vh為氣門的速度。

對式（6）、式（8）求導(dǎo)，得出：

將式（10）、式（11）代入式（7），得

將式（9）代入式（12），得

進(jìn)一步，可以求出滑移中心（在搖臂每次向下或向上擺動過程中，第一臂部相對于氣門橋進(jìn)行滑動，第二接觸點具有一個起點位置和一個終點位置，第二接觸點的起點位置和終點位置的連線的中點即為滑移中心）到氣門中心線的距離P為

為使雙氣門的每一個氣門升程盡可能一致，氣門橋上的受力點盡可能不要偏離氣門中心線過多。因此，接觸點在氣門橋上的移動范圍宜對稱于氣門中心線，故P盡可能接近0。為了減少搖臂的第一臂部上與氣門橋相接觸的端面與氣門橋的磨損，盡量降低滑移速度。

b.當(dāng)搖臂氣門側(cè)配有象腳結(jié)構(gòu)時，象腳與氣門橋的滑移速度為

滑移中心到氣門中心線的距離根據(jù)式（14）計算。

在上述步驟7）中，根據(jù)步驟6）的計算結(jié)果，確定搖臂的第一臂部的長度Lb及角度β。

在上述步驟8）中，根據(jù)發(fā)動機的布置空間，調(diào)整參數(shù)，使得結(jié)果最優(yōu)化。

在上述步驟9）中，計算搖臂的第二臂部的長度La及角度βv；由于推桿的中心線可能與挺柱的中心線不同心，故根據(jù)挺柱的位置及尺寸，結(jié)合步驟8）的結(jié)果，計算出推桿的最終長度及位置角度。

在上述步驟10）中，根據(jù)步驟8）及9）的結(jié)果，最終確定各零件的尺寸及位置關(guān)系，畫出配氣機構(gòu)的布置圖。

2 應(yīng)用實例

在配氣機構(gòu)前期設(shè)計中，設(shè)計師一般都是參考比較成熟的產(chǎn)品，加以修改，或根據(jù)發(fā)動機的布置空間進(jìn)行配氣機構(gòu)的尺寸布置，然后通過運動學(xué)和動力學(xué)仿真對配氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計校核[3-6]，對于設(shè)計完成的機構(gòu)布置是否合理，并沒有一定的指標(biāo)去判斷，最后通過后期的動力學(xué)試驗及可靠性試驗[7-9]，不斷對機構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，直到滿足要求，這樣不僅設(shè)計周期長，而且設(shè)計成本大大增加。本文以某活塞發(fā)動機為例，用前文提出的方法對配氣機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 發(fā)動機配氣機構(gòu)原方案的分析

某兩缸柴油機采用下置式配氣機構(gòu)，且進(jìn)排氣側(cè)為同一布置，搖臂與氣門橋接觸面為pad面（圓弧面），如圖2所示。

圖2 配氣機構(gòu)示意圖

2.1.1 原方案布置校核計算

圖2為某兩缸柴油機配氣機構(gòu)示意圖，根據(jù)氣門的運動學(xué)升程及配氣機構(gòu)的部分參數(shù)（如表1），對原配氣機構(gòu)方案進(jìn)行部分解析。

表1 原配氣機構(gòu)部分參數(shù)表

通過解析得到搖臂與氣門橋接觸點的滑移軌跡及滑移速度，結(jié)果如圖3所示。

圖3 原方案計算結(jié)果

計算結(jié)果表明：搖臂與氣門橋接觸點的運動學(xué)滑移軌跡分布不合理，偏向氣門橋的一側(cè)，滑移中心離氣門的中心有2.08 mm，在高速下，由于搖臂與氣門橋是線面接觸，會引發(fā)氣門橋在運動過程中有較大角度的傾斜；最大運動學(xué)滑移速度為5.22 mm/rad，明顯偏大，會加劇氣門搖臂及氣門橋的磨損。

2.1.2 原方案動力學(xué)測試

對原柴油機配氣機構(gòu)方案開展升速動力學(xué)測試。發(fā)動機缸體缸蓋安裝在配氣機構(gòu)測試系統(tǒng)的臺架上[10-12]。變頻電動機通過傳動軸聯(lián)接配氣機構(gòu)的凸輪軸，發(fā)動機缸蓋水平放置，氣門水平運動，易于布置激光傳感器[13-15]，如圖4所示。

圖4 V型兩缸柴油機的單缸動力學(xué)測試圖

本實驗凸輪軸轉(zhuǎn)速從500 r/min開始，以100 r/min為步長，逐漸增大至凸輪軸最大轉(zhuǎn)速1600 r/min，圖5為1600 r/min轉(zhuǎn)速下的進(jìn)排氣動力學(xué)氣門升程曲線圖。從圖中可以看出，進(jìn)排氣側(cè)氣門升程一致性較差，氣門升程的相位相差10°，最大值相差1 mm（其中in1為靠近推桿的氣門升程，以此類推）。這將對發(fā)動機性能、油耗及排放一致性有較大影響。因此此配氣機構(gòu)的布置須優(yōu)化。

圖5 原方案動力學(xué)氣門升程曲線圖

2.2 搖臂的優(yōu)化分析

原方案配氣機構(gòu)布置不合理，搖臂與氣門橋的接觸點滑移軌跡偏向一側(cè)，且離氣門中心較遠(yuǎn)，導(dǎo)致氣門橋在運動過程中有較大傾斜?；谂錃鈾C構(gòu)零部件較多，重新布置周期較長，因此優(yōu)化方向考慮改變搖臂氣門側(cè)的尺寸。

2.2.1 優(yōu)化搖臂匹配計算

保持原有的總體布置不變，僅改變搖臂氣門側(cè)的長度及初始角度βv。計算得到的優(yōu)化方案如圖6所示。與圖3的原方案對比可知：搖臂與氣門橋的接觸點滑移中心與氣門的中心基本重合；氣門的滑移范圍縮短到原來的7.4%；最大滑移速度降到原來的14%。故優(yōu)化搖臂氣門側(cè)長度為39.3 mm，初始角βv為6.2°。

圖6 優(yōu)化方案計算結(jié)果

2.2.2 優(yōu)化方案的動力學(xué)測試

圖7為其配氣機構(gòu)動力學(xué)氣門升程圖。從圖中可以看出，進(jìn)排氣動力學(xué)氣門升程一致性較原方案有了較高的提升，除去凸輪桃尖附近及緩沖段有較小差別外，其他的位置基本能重合。

圖7 優(yōu)化方案動力學(xué)氣門升程曲線圖

3 結(jié)論

1）通過分析配氣機構(gòu)的運動學(xué)關(guān)系，提出了一種配氣機構(gòu)布置設(shè)計的方法。

2）配氣機構(gòu)的動態(tài)特性最終需要通過動力學(xué)測試驗證。本文試驗證明：通過仿真得到的優(yōu)化方案可以有效地改善雙氣門的動態(tài)特性，提高了氣門的一致性；將氣門動態(tài)升程控制在可接受范圍內(nèi)。