汽油機(jī)智能可變氣門升程系統(tǒng)的開發(fā)

平銀生 朱國華 郝曉偉 李偉軍 李沖霄 李兆建

中國燃油耗法規(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)智能可變氣門升程;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);工藝開發(fā);試驗(yàn)驗(yàn)證

0 前言

為了應(yīng)對(duì)能源環(huán)境問題日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，我國陸續(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升程技術(shù)能夠通過改變氣門升程以適應(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，市場上搭載可變氣門升程技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)均由國外廠商開發(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)。大眾公司開發(fā)了可變氣門升程（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”電子氣門技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可變氣門升程，可以通過調(diào)節(jié)偏心軸角度，改變中間大搖臂的位置，實(shí)現(xiàn)了氣門升程的無級(jí)調(diào)節(jié)。

由于國外可變氣門升程技術(shù)專利壁壘的封鎖，加上國內(nèi)排放和燃油耗法規(guī)的日益嚴(yán)苛，國內(nèi)企業(yè)對(duì)于自主開發(fā)1種全新的可變氣門升程系統(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)新開發(fā)適用于新型結(jié)構(gòu)的加工工藝，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了可變氣門升程系統(tǒng)的功能性、耐久性及可靠性。

1 可變氣門升程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選型

本文研究的可變氣門升程技術(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)的開發(fā)過程中，上汽集團(tuán)技術(shù)中心對(duì)可變氣門升程系統(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。

可變氣門升程可分為多級(jí)可變氣門升程和連續(xù)可變氣門升程。技術(shù)人員研究認(rèn)為：分段式的可變氣門升程在能夠滿足發(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、氣門等部件，采用凸輪切換的方式可實(shí)現(xiàn)氣門升程切換，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)過研究，開發(fā)團(tuán)隊(duì)確定采用以電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)滑移式可變氣門升程方案，即全新自主開發(fā)1套兩級(jí)智能可變氣門升程（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，每段花鍵長度均相等，長度由套筒結(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)人員要確保彈簧無并圈風(fēng)險(xiǎn)，另外要保證切換過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 電磁閥的開發(fā)

3.1 電磁閥的設(shè)計(jì)

電磁閥采用上汽集團(tuán)與國內(nèi)優(yōu)秀供應(yīng)商聯(lián)合開發(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^感應(yīng)A、B銷上磁環(huán)的磁場強(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)到的磁場強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生變化?；诨魻栃?yīng)，磁場強(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)了超越國外量產(chǎn)產(chǎn)品的響應(yīng)性能（圖13）。

在套筒在切換過程中，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法滿足零件的性能要求。之前，與可變氣門升程凸輪軸相關(guān)的工藝技術(shù)均掌握在國外供應(yīng)商手中。通過技術(shù)團(tuán)隊(duì)與國內(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，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題，公司與供應(yīng)商共同開發(fā)了1套激光淬火裝置。這也是國內(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。通過測(cè)量氣門開啟時(shí)刻和氣門升程，以驗(yàn)證I-VVL系統(tǒng)升程切換功能是否正常。在氣門升程切換的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電磁閥通電，銷子伸出后，氣門升程發(fā)生變化。氣門升程切換結(jié)果如圖19所示。從圖中可以看到，無論低轉(zhuǎn)速（n0）還是高轉(zhuǎn)速（nmax）切換，氣門升程曲線平滑，切換功能均正常。這說明該系統(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，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，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)作流暢無卡滯。電磁閥耐久考核通過。

經(jīng)過對(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)中心自主開發(fā)了國內(nèi)首個(gè)兩級(jí)智能可變氣門升程系統(tǒng)，突破了國外相關(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，降低了開發(fā)成本。

（2）技術(shù)人員全新開發(fā)了1種氣門升程切換的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)——可變氣門升程電磁閥。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)中心與國內(nèi)供應(yīng)商聯(lián)合開發(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，大大降低了開發(fā)和生產(chǎn)成本。

（4）通過臺(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]. 國發(fā)（2012）22號(hào)， 2012（1）.

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