某連續(xù)可變氣門升程機構(gòu)的解鎖功能優(yōu)化設(shè)計

贠海

關(guān)鍵詞：連續(xù)可變氣門;升程CVVL;解鎖特性;優(yōu)化設(shè)計

近年來，隨著以米勒、阿特金森循環(huán)為代表的過膨脹循環(huán)技術(shù)在小排量增壓發(fā)動機上的廣泛使用，為同時獲得理想的氣門升程減小與進氣門提前關(guān)閉（EIVC）、氣門升程增大與進氣門推遲關(guān)閉（LIVC）效果，連續(xù)可變氣門升程（CVVL）技術(shù)受到越來越多主機廠的重新關(guān)注。

典型的應(yīng)用在某日式汽油機上的VVEL技術(shù)，能夠使用電機驅(qū)動偏心凸輪，改變與從動件接觸的輸出凸輪的擺幅，讓氣門升程在1.3-8.4mm.持續(xù)期在20-260°CA間連續(xù)調(diào)整。應(yīng)用在寶馬N系列汽油機上的Valvetronic技術(shù)，能夠使用電機驅(qū)動扇形齒輪，改變中間推桿足部擺幅，讓氣門升程在0.2-9.7mm，持續(xù)期在0-250°CA間連續(xù)調(diào)整。此外還有菲亞特Tigershark發(fā)動機上的MultiAir和觀致Qamfree發(fā)動機上的Freevalve，在取消傳統(tǒng)凸輪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用壓縮液體或壓縮氣體為介質(zhì)，靈活地控制氣門開閉時刻，為氣門運動規(guī)律的改變提供了全新的解決方案。

某小型增壓直噴汽油機采用了可變壓縮比與連續(xù)可變氣門升程技術(shù)組合，提高了熱效率，改善了發(fā)動機中小負荷區(qū)域特征點油耗。在該發(fā)動機進氣側(cè)，一款軸套軸式的多滾輪搖臂機構(gòu)被用來改變氣門運動特性，實現(xiàn)了發(fā)動機需求的連續(xù)可變氣門升程功能。

1軸套軸式CVVL機構(gòu)

1.1結(jié)構(gòu)與工作原理

上文提到的CVVL機構(gòu)（圖1）由軸套軸凸輪軸、上下?lián)u臂以及內(nèi)外軸驅(qū)動器等零件組成。在每一缸中設(shè)置有三個凸輪，其中位于中間位置的運動凸輪與凸輪軸內(nèi)軸固聯(lián)，位于兩側(cè)的固定凸輪與凸輪軸外軸固聯(lián)。上搖臂的兩個滾輪分別與運動凸輪和固定凸輪接觸，凸輪轉(zhuǎn)動時兩個滾輪中心點產(chǎn)生的位移向量在上下?lián)u臂連接處合成，使下?lián)u臂繞固定支點擺動，驅(qū)動氣門開閉。

該機構(gòu)氣門的開閉有別于傳統(tǒng)的配氣機構(gòu)，該CVVL系統(tǒng)氣門的開閉是由運動、固定凸輪分開控制。氣門開啟段，運動凸輪始終處于最大升程狀態(tài)，此時，固定凸輪逐漸由基圓轉(zhuǎn)動到大升程，接觸力以運動凸輪側(cè)為支點頂開氣門;氣門關(guān)閉段，固定凸輪始終處于最大升程狀態(tài)，此時，運動凸輪逐漸由大升程轉(zhuǎn)動到基圓，彈簧力以固定凸輪側(cè)為支點關(guān)閉氣門。

機構(gòu)升程和持續(xù)期變化可以通過調(diào)整運動凸輪和固定凸輪的夾角來實現(xiàn)。如上文所述，氣門升程曲線的開啟段與關(guān)閉段是交替出現(xiàn)的，當(dāng)關(guān)閉段出現(xiàn)在開啟未完全完成之前，氣門將無法達到設(shè)計最大升程，而當(dāng)關(guān)閉段出現(xiàn)在開啟完全完成之后，氣門將能夠達到設(shè)計最大升程，甚至在最大升程位置持續(xù)開啟一段時間（圖2）。

2 CVVL機構(gòu)的解鎖卡滯

2.1卡滯現(xiàn)象與原因分析

在項目性能與排放開發(fā)階段，對上文所述CVVL系統(tǒng)進行初始標定時，電控工程師發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速小于1200r/min的部分工況，內(nèi)軸驅(qū)動器容易鎖死在初始位置，導(dǎo)致內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子不能跟隨PWM信號運動至目標相位，使機構(gòu)失去改變氣門升程與持續(xù)期的效果（圖3）。

根據(jù)以往液壓式可變配氣正時（VVT）機構(gòu)開發(fā)經(jīng)驗，該問題有較大可能是由內(nèi)軸驅(qū)動器解鎖失敗造成的，針對此現(xiàn)象，設(shè)計人員重點對硬件與工作條件兩方面開展了檢查。

經(jīng)檢查，故障機構(gòu)內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷的解鎖與排油油道通暢，驅(qū)動器的解鎖壓力小于0.6bar，鎖銷間隙在0.3-0.7°區(qū)間內(nèi)，完全滿足設(shè)計定義。機油控制閥的閥芯與閥套間未出現(xiàn)卡滯，功能正常。通過接出的傳感器信號可以判斷，在解鎖失效時刻，機油控制閥P口前油壓遠大于鎖銷解鎖壓力，PWM信號通暢。驅(qū)動器并不存在解鎖失敗的客觀條件。

從內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷解鎖的動態(tài)過程分析，鎖銷在解鎖過程（圖4）中同時進行著兩個獨立的運動：a.在解鎖油壓推動下鎖銷體克服彈簧力，推動鎖銷體向彈簧座方向位移的解鎖運動;b.在驅(qū)動器葉片帶動下，鎖銷體向鎖銷孔邊緣位移的繞軸轉(zhuǎn)動。

解鎖運動以鎖銷頂面完全落入轉(zhuǎn)子端面，鎖止功能失效為結(jié)束標志;繞軸轉(zhuǎn)動則以鎖銷運動至鎖銷孔邊緣，倆零件發(fā)生剛性接觸為結(jié)束標志。如解鎖運動先于繞軸轉(zhuǎn)動結(jié)束，機構(gòu)可正常解鎖，實現(xiàn)功能;如繞軸轉(zhuǎn)動先于解鎖運動結(jié)束，倆零件接觸時，鎖銷尚未完成落鎖，摩擦力將阻止鎖銷繼續(xù)下行，帶來解鎖卡滯問題。

根據(jù)以上分析，兩種運動的結(jié)束時刻直接決定了驅(qū)動器轉(zhuǎn)子能否順利完成解鎖過程。因此，計算出不同工況下解鎖運動和繞軸轉(zhuǎn)動的速度，對影響解鎖特性的參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，對卡滯問題的解決和解鎖功能的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

AMESIM是一款應(yīng)用于機電液多個學(xué)科領(lǐng)域的成熟的一維仿真軟件，通過將內(nèi)軸驅(qū)動器和與其匹配的三位四通閥適當(dāng)抽象簡化，可以通過調(diào)取液壓庫、機械庫和信號庫中的子模型，對兩種運動的特性進行建模計算。

2.2解鎖運動的建模

圖5是用于計算機構(gòu)解鎖特性的子系統(tǒng)模型，可以看到，機構(gòu)內(nèi)軸驅(qū)動器的解鎖油路與提前腔油路接通，液壓油經(jīng)過單向閥后進入液壓缸上部，在解鎖油壓作用下，柱塞克服彈簧力與摩擦力向下運動。模型中為鎖銷設(shè)置了限位塊，當(dāng)鎖銷位移超過解鎖行程后，運動停止，判定完成解鎖。

模型中油壓通過MAP測試獲得，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油溫直接關(guān)聯(lián)（表1）.機油控制閥可根據(jù)需求接受階躍或斜率信號，機油控制閥最大流量和保持點流量也與實際產(chǎn)品特性保持一致。由于單向閥和液滴容積模型的存在，解鎖運動的起閥時間和液壓油充滿密閉容積的時間在結(jié)果中也會得到體現(xiàn)。

2.3繞軸轉(zhuǎn)動的建模

原理上內(nèi)軸驅(qū)動器是一個受信號閉環(huán)控制的液壓馬達系統(tǒng)（圖6），研究其繞軸轉(zhuǎn)動特性的模型，主要考慮了轉(zhuǎn)子葉片尺寸以及作用在其上的凸輪軸力矩、油壓力矩和彈簧力矩負載，由于本文主要關(guān)注內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷在鎖銷間隙內(nèi)的運動過程，此段時間內(nèi)鎖銷結(jié)構(gòu)不對轉(zhuǎn)子和定子間的相對角運動產(chǎn)生阻礙，模型中對離合器輸入常開信號，驅(qū)動器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動不受限制。A71FB338-585B-462C-814E-4AF91C1994EB

模型中的轉(zhuǎn)子數(shù)量和尺寸決定了驅(qū)動器在受到單位油壓推動時所能產(chǎn)生的驅(qū)動力矩的大小。由于該CVVL機構(gòu)為實現(xiàn)功能，內(nèi)軸上的運動凸輪需要在較大的角度范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，因此需要減少驅(qū)動器葉片數(shù)量，為轉(zhuǎn)子的運動留出充足空間。繞軸轉(zhuǎn)動特性主要參數(shù)見表2。

還應(yīng)注意的是，由于該CVVL系統(tǒng)氣門的開閉是由運動、固定凸輪分開控制，氣門開啟壓縮彈簧時，兩組凸輪中僅有固定凸輪發(fā)生凸輪升程變化，受到彈簧的阻力;當(dāng)氣門運動至關(guān)閉段，彈簧力由阻力變?yōu)橹r，兩組凸輪中又僅有運動凸輪發(fā)生凸輪升程變化，受到彈簧的助力。在一個完整的工作循環(huán)中，凸輪軸力矩對外軸轉(zhuǎn)動始終起到阻礙而內(nèi)軸轉(zhuǎn)動始終起到促進的作用。

圖7是1000r/min時，計算出分別作用在凸輪軸內(nèi)外軸上的凸輪軸力矩。對于內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子而言，阻力矩曲線的正值部分能夠和油壓一起，推動轉(zhuǎn)子向遠離初始位置的目標位置運動，而負值部分作用相反。可以看出，與常規(guī)VVr機構(gòu)相比，作用在該CVVL機構(gòu)內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子上的凸輪軸力矩不會對轉(zhuǎn)子遠離初始位置方向的運動產(chǎn)生阻礙。

2.4計算結(jié)果與分析

為了尋找解鎖卡滯現(xiàn)象與兩種運動結(jié)束時刻之間的關(guān)系，本文選取了試驗過程中解鎖失敗率較高的1000r/min工況，研究不同油溫下鎖銷間隙和解鎖信號對CVVL機構(gòu)解鎖功能的影響。

計算結(jié)果如圖8和圖9所示，解鎖運動和繞軸轉(zhuǎn)動分別用虛線和實現(xiàn)標識。解鎖運動位移達到解鎖行程時，記錄時間f.，繞軸轉(zhuǎn)動角度達到鎖銷間隙時，記錄時間機構(gòu)順利解鎖;t-t>0，出現(xiàn)解鎖卡滯。

2.5鎖銷間隙對卡滯現(xiàn)象的影響

鎖銷間隙是內(nèi)軸驅(qū)動器在初始狀態(tài)轉(zhuǎn)子被前端扭簧推向一側(cè)時，鎖銷側(cè)壁與鎖銷孔側(cè)壁在另一側(cè)的相對夾角。鎖銷間隙主要由零件制造公差和裝配工藝確定，其大小會對繞軸轉(zhuǎn)動的完成時刻造成影響。

從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)內(nèi)軸驅(qū)動器鎖銷間隙名義值為0.5°時，在1000r/min，各油溫油壓下，機構(gòu)均存在解鎖卡滯風(fēng)險;鎖銷間隙名義值為0.7°時，在1000r/min和90。C油溫附近，時間差值曲線部分進入了安全解鎖區(qū)域;當(dāng)鎖銷間隙名義值增大到0.9°時，在工作油溫范圍內(nèi)機構(gòu)均能順利完成解鎖（圖10）。

計算中我們還發(fā)現(xiàn)，由于缺少凸輪軸力矩的阻礙作用，1000r/min下內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子繞軸轉(zhuǎn)動速度達到了160-200°CA/s，遠大于常規(guī)VVT機構(gòu)的50-100°CA/s，這也是相同的鎖銷間隙取值下，機構(gòu)前端的外軸驅(qū)動器解鎖功能正常而后端的內(nèi)軸驅(qū)動器出現(xiàn)解鎖卡滯的原因之一。

增大鎖銷間隙能夠改善CVVL機構(gòu)的解鎖卡滯，但是過大的鎖銷間隙會給內(nèi)軸驅(qū)動器NVH和可靠性帶來不良影響，尤其是在發(fā)動機油壓未完全建立的冷起動階段，鎖銷與鎖銷孔的碰撞會帶來起動異響，嚴重時造成鎖銷變形，引發(fā)驅(qū)動器可靠性問題。

2.6解鎖信號對卡滯現(xiàn)象的影響

在此項目最初的EMS開發(fā)中，為使CVVL機構(gòu)具備良好的響應(yīng)性，ECU會給與階躍的PWM信號，控制驅(qū)動器解鎖。階躍信號會使機油控制閥B口迅速打開，機油快速流入相位器遲后腔與鎖銷孔。如果同時減少用于解鎖運動和繞軸轉(zhuǎn)動的機油流量，兩個運動的速度都會受到抑制，但是因為解鎖油腔體積遠小于葉片油腔體積，繞軸轉(zhuǎn)動速度受到的影響將會更為明顯。為驗證上述推測，我們選用斜率不同的解鎖信號進行計算。

計算時鎖銷間隙取0.50，從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)解鎖信號斜率為2000時，在1000r/min和90°C油溫附近，時間差值曲線部分進入了安全解鎖區(qū)域。繼續(xù)壓低解鎖信號斜率，在斜率低于1500后，各工況下機構(gòu)均能順利完成解鎖（圖11）。

解鎖信號越平緩，兩運動時間差值越偏離0線，解鎖的安全系數(shù)也逐步增加。在同時降低解鎖運動與繞軸轉(zhuǎn)動速度的情況下，抑制解鎖過程的機油流量，對內(nèi)軸驅(qū)動器繞軸轉(zhuǎn)動的減速效果更為明顯。

由于解鎖時間在內(nèi)軸驅(qū)動器整個運動過程占比很小，僅在解鎖階段降低B口流量，對整個運動過程的繞軸轉(zhuǎn)動速度影響不大，經(jīng)核算，在2.3bar油壓和90°C油溫下，使用斜率為1500的解鎖信號，較使用階躍解鎖信號，內(nèi)軸驅(qū)動器從0°CA運動至40°CA僅變慢4.6ms，斜率信號對繞軸轉(zhuǎn)動速度影響可以忽略。

3優(yōu)化設(shè)計測試驗證

3.1解鎖功能的優(yōu)化設(shè)計

為徹底解決解鎖卡滯問題，工程師在硬件和軟件方面對此CVVL機構(gòu)都實施了優(yōu)化。硬件上，通過調(diào)整內(nèi)軸驅(qū)動器子零件配合公差，在鎖銷間隙上限0.7°不變的情況下，將鎖銷間隙下限由0.3°上調(diào)為0.5°，避免過小的鎖銷間隙降低解鎖安全系數(shù);軟件上，通過使用斜率信號取代階躍信號控制機構(gòu)解鎖，同步降低繞軸轉(zhuǎn)動速度和解鎖運動速度，提高機構(gòu)安全解鎖的可能性。

3.2解鎖功能驗證

如圖12所示，驗證臺架由電機、外接機油控制裝置、裝有CVVL的缸蓋總成和內(nèi)外軸相位傳感器等構(gòu)成。工作時，電機模擬曲軸，拖動進氣凸輪軸轉(zhuǎn)動，外接機油控制裝置將目標溫度和壓力的機油分別從缸蓋前后端油道送入，內(nèi)軸驅(qū)動器電磁閥接收開發(fā)ECU傳遞的PWM信號，驅(qū)動CVVL機構(gòu)完成解鎖與調(diào)相功能。由于鎖銷結(jié)構(gòu)處于內(nèi)軸驅(qū)動器內(nèi)部，測試中難以將其運動信號直接導(dǎo)出，因此本次測試中，以內(nèi)軸實際相位與理論相位的一致性作為解鎖的判定。

圖11結(jié)果顯示出，保持0.5°鎖銷間隙不變，Step信號下各油溫均出現(xiàn)解鎖卡滯問題，換為Slope1000或Slope1500信號，卡滯現(xiàn)象出現(xiàn)改善，我們嘗試通過測試將此現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。表3和表4為預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對比，每個工況測試5次，1次解鎖失敗即判定NG。

4結(jié)語

本文通過系統(tǒng)的分析一種特殊的CVVL機構(gòu)工作原理，將其在部分轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)解鎖卡滯的原因鎖定為：

a.凸輪軸力矩對內(nèi)軸驅(qū)動器轉(zhuǎn)子運動只促進不阻礙，以及階躍的解鎖信號使得驅(qū)動器轉(zhuǎn)子繞軸轉(zhuǎn)動速度過快。

b.鎖銷間隙下限過小，導(dǎo)致部分工況下，解鎖運動不能在繞軸轉(zhuǎn)動之前完成。

針對故障現(xiàn)象，工程人員對CVVL解鎖及關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進行了建模與計算，根據(jù)計算分析結(jié)果提出上調(diào)鎖銷間隙下限值，以及改用斜率信號控制解鎖的軟硬件優(yōu)化對策。通過搭建缸蓋倒拖臺架，對仿真結(jié)果的一致性與優(yōu)化對策效果進行了實測驗證。經(jīng)驗證，鎖銷間隙在0.5°-0.7°之間，采用斜率<1500的Slope信號控制后，機構(gòu)解鎖順暢，解鎖卡滯問題得到了妥善解決。

本文提出的解鎖功能優(yōu)化設(shè)計方法，能夠在類似的葉片式液壓馬達系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，為此類系統(tǒng)的解鎖特性研究和關(guān)鍵參數(shù)定義提供較大便利。A71FB338-585B-462C-814E-4AF91C1994EB