順序控制滑動凸輪轉(zhuǎn)換氣門升程

滑動凸輪技術(shù)的特點在于其機(jī)械可靠性和循環(huán)實時工作原理，不過這種系統(tǒng)由于缺乏轉(zhuǎn)換所必需的邊界條件或由于成本原因而無法應(yīng)用。蒂森克虜伯公司采用順序滑動凸輪（PSSC）系統(tǒng)成功解決了滑動凸輪技術(shù)與簡單控制之間的目標(biāo)沖突。

0 前言

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多年來，滑動凸輪技術(shù)已應(yīng)用于各種不同的發(fā)動機(jī)平臺，凸輪升程的換檔過程能在凸輪軸1次旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)完成，并具有較高可靠性。這種系統(tǒng)能根據(jù)使用狀況轉(zhuǎn)換氣門升程或保持氣門升程不變，且與機(jī)油壓力無關(guān)，通常使用2個電機(jī)操縱的圓柱銷來撥動凸輪。

這種工作原理的前提條件是每個滑動元件各自要配備1個或2個執(zhí)行器，并安裝在附近相應(yīng)的凸輪軸上，而在氣缸蓋內(nèi)的結(jié)構(gòu)空間需要用于曲軸箱通風(fēng)或毗鄰的新鮮空氣管道。另1個挑戰(zhàn)是發(fā)動機(jī)電控單元要能在短時間提供最大的電流，用于精確地控制每個氣缸的換檔升程凸輪，以便在凸輪軸1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換凸輪廓線。

但是，因為缺乏轉(zhuǎn)換所必需的邊界條件，或控制成本等因素，這種系統(tǒng)很難實現(xiàn)。蒂森克虜伯公司在保持傳統(tǒng)滑動凸輪技術(shù)優(yōu)點的情況下已開發(fā)出1種新的設(shè)計方案（圖1），僅用1個執(zhí)行器就可以順序控制幾個氣缸的滑動凸輪。

圖1 PSSC系統(tǒng)裝配總成

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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這種結(jié)構(gòu)方案成功地實現(xiàn)了機(jī)械組合各個滑動元件的轉(zhuǎn)換過程，使用1個執(zhí)行器就能實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過程，其所需的零部件都集成在氣缸蓋上，并且在氣缸蓋罩外無需附加的結(jié)構(gòu)空間。

這種被命名為PSSC的系統(tǒng)原則上適用于至少有2個氣缸的直列式內(nèi)燃機(jī)，對于3缸直列式發(fā)動機(jī)（R3）及其氣缸數(shù)加倍的機(jī)型（R6、V6和V12發(fā)動機(jī)），因點火順序錯開因而能獲得更好的效果。下面將進(jìn)一步探討PSSC在R3發(fā)動機(jī)上的具體應(yīng)用。

為了集成這種系統(tǒng)，雙頂置凸輪軸（DOHC）發(fā)動機(jī)需要1個執(zhí)行器、1個主動凸輪、2個被動凸輪、1個帶有聯(lián)動銷的轉(zhuǎn)換滑桿和1個擋盤（圖2）。

圖2 PSSC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其零部件

在PSSC系統(tǒng)中仍采用了傳統(tǒng)系統(tǒng)中凸輪組軸向移動的原理，在凸輪軸旋轉(zhuǎn)期間通常由電磁操縱的執(zhí)行器撥銷在規(guī)定的時間點起作用，通過與導(dǎo)向滑槽的接觸使花鍵軸導(dǎo)向的主動凸輪實現(xiàn)軸向移動。

由撥銷-滑槽接觸實現(xiàn)的主動凸輪軸向運動借助于附加的環(huán)形滑槽和轉(zhuǎn)換滑桿上的聯(lián)動銷來傳遞，而轉(zhuǎn)換滑桿支承在氣缸蓋中的1個導(dǎo)軌上。為了在工作位置上保持無負(fù)荷狀態(tài)，例如滑動凸輪這些元件是由1個限位元件定位的。

被動凸輪的順序轉(zhuǎn)換是相對于主動凸輪相位錯開的點火順序進(jìn)行的，其中轉(zhuǎn)換滑桿上的聯(lián)動銷與被動凸輪的控制滑槽接觸，這些聯(lián)動銷僅沿著凸輪軸軸向移動，而其徑向位置是不變的。被動凸輪滑槽的輪廓在主動凸輪和轉(zhuǎn)換滑桿期間不發(fā)生力的傳遞，因而被動凸輪的轉(zhuǎn)換力不會反過來傳遞到主動凸輪上。

在凸輪軸上安裝1個擋盤，它承受由轉(zhuǎn)換滑桿傳遞的被動凸輪的轉(zhuǎn)換力，而擋盤軸向支承氣缸蓋上時，直接引出這些力。為了確保在主動凸輪運動期間轉(zhuǎn)換滑桿的移動，在擋盤上預(yù)先設(shè)置了1個相應(yīng)缺口。

所有滑動凸輪的轉(zhuǎn)換在凸輪軸1個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)完成。因為主動凸輪的常規(guī)電動執(zhí)行器能通過轉(zhuǎn)換撥銷的反射向電控單元發(fā)送信號，且整個轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是被機(jī)械強(qiáng)制控制的，因此所有氣門的轉(zhuǎn)換過程都能通過電控系統(tǒng)來進(jìn)行采集和處理。

在系統(tǒng)設(shè)計時，除了考慮各個零部件的耐久性和磨損之外，特別需要考慮到與擋盤有關(guān)的轉(zhuǎn)換過程的時間順序。與滑動凸輪系統(tǒng)相比，各個滑動元件可使用的轉(zhuǎn)換角度不僅受到滑動元件基圓相位的影響，還受到擋盤的通過范圍或阻擋范圍的影響。圖3示出了3缸發(fā)動機(jī)氣門升程轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換圖。

圖3 PSSC系統(tǒng)轉(zhuǎn)換圖

在主動凸輪和轉(zhuǎn)換滑桿自身的移動過程期間，轉(zhuǎn)換滑桿的運動會被傳遞。這種運動一結(jié)束，轉(zhuǎn)換滑桿在軸向上就被擋盤阻擋，并發(fā)生了被動凸輪的轉(zhuǎn)換過程。此時，滑動元件的轉(zhuǎn)換過程至少可使用120 °凸輪轉(zhuǎn)角。

根據(jù)凸輪廓線的長度與2個被動凸輪轉(zhuǎn)換范圍有針對性的重疊，每個凸輪元件可利用的轉(zhuǎn)換角度就能增大到約160 °凸輪轉(zhuǎn)角，因此就能降低轉(zhuǎn)換力和提高系統(tǒng)的極限轉(zhuǎn)速。

可2 設(shè)計和計算優(yōu)化

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在滑動凸輪系統(tǒng)的設(shè)計中使用了多體模擬（MKS），其目的是評價有關(guān)轉(zhuǎn)換方案功能可靠性的系統(tǒng)動力學(xué)、確認(rèn)臨界負(fù)荷狀態(tài)以及查明臨界誤差的大小。運用傳統(tǒng)滑動凸輪系統(tǒng)設(shè)計方面的經(jīng)驗建立有關(guān)模型，并按照試驗臺試驗的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，為進(jìn)一步應(yīng)用模擬作好準(zhǔn)備。

MKS模型具有下列自由度：（1）凸輪軸轉(zhuǎn)角；（2）主動凸輪、被動凸輪和轉(zhuǎn)換滑桿的軸向位置；（3）使用的所有定位鎖球（或定位凹口）的徑向位移。

對于這些自由度，各個滑動凸輪、轉(zhuǎn)換滑桿和定位鎖球都被看作是具有質(zhì)量的物體，其中執(zhí)行器或轉(zhuǎn)換滑桿的撥銷與所屬的轉(zhuǎn)換滑槽、定位鎖球與定位凹坑輪廓，以及各個凸輪與軸承套之間存在著與行程和速度相關(guān)的受力規(guī)律。

與速度相關(guān)的摩擦分別發(fā)生在嚙合、定位和軸承內(nèi)，以及凸輪與凸輪隨動件之間，其中運動質(zhì)量、撥銷-轉(zhuǎn)換滑槽的接觸剛度、系統(tǒng)摩擦和由所有止動產(chǎn)生的軸向力對所描述的系統(tǒng)動力學(xué)具有重大的影響。為了獲得執(zhí)行器結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到接近實際狀況的參數(shù)，考慮了先前項目得出的力-行程測量結(jié)果。

圖4示范性地表示出了在具有代表性的轉(zhuǎn)速時，主動凸輪和被動凸輪模擬計算的軸向移動和轉(zhuǎn)換力。因為被動凸輪的運動質(zhì)量比主動凸輪小，傳遞到撥銷-轉(zhuǎn)換滑槽接觸上的力較小，因此與在主動凸輪上的情況不同，加快與轉(zhuǎn)換滑桿的接觸，可以消除其與擋盤的間隙。

同時，被動凸輪在這個階段尚未被移動，從而產(chǎn)生了轉(zhuǎn)換延遲。在設(shè)計期間，借助于轉(zhuǎn)換滑桿與主動凸輪及轉(zhuǎn)換滑桿與擋盤之間裝配間隙的敏感性分析，對這種轉(zhuǎn)換延遲進(jìn)行了試驗研究。根據(jù)所得的容差和軸與罩蓋之間熱膨脹或形狀與位置誤差來進(jìn)行選擇，即被動凸輪的移動不會對主動凸輪的軸向動力學(xué)產(chǎn)生影響。

圖4 PSSC系統(tǒng)的模擬轉(zhuǎn)換特性

基于MKS的模擬結(jié)果，由執(zhí)行器撥銷許可的最大轉(zhuǎn)換力和轉(zhuǎn)換滑桿最大可傳遞的力來確定系統(tǒng)的極限轉(zhuǎn)速。正是在撥銷-轉(zhuǎn)換滑槽接觸中轉(zhuǎn)換力引起了高的赫茲壓力，它與滑動接觸中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的相對速度組合可能導(dǎo)致接觸副表面的疲勞。

1個摩擦穩(wěn)定的系統(tǒng)的依靠的是最佳的轉(zhuǎn)換滑槽的設(shè)計，這種設(shè)計可以減小撥銷上的最大法向接觸力和由此產(chǎn)生的赫茲壓力，這樣就能在轉(zhuǎn)換延遲和可供使用的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)實現(xiàn)導(dǎo)向滑槽較小的坡度。

除了撥銷-轉(zhuǎn)換滑槽之間持久的摩擦磨損之外，因脈沖式的力傳遞在轉(zhuǎn)換滑桿中產(chǎn)生強(qiáng)烈的交變應(yīng)力狀態(tài)，因此應(yīng)在疲勞強(qiáng)度證據(jù)框架下來評估這些狀況，以確保轉(zhuǎn)換滑桿的疲勞強(qiáng)度。

3 功能樣品

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基于中目前用于4缸發(fā)動機(jī)的量產(chǎn)氣缸蓋罩蓋，研究人員對用于3缸發(fā)動機(jī)凸輪軸的氣門升程轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了試驗，其中第1缸氣門升程凸輪隨動件運行。圖5示出了耐久運轉(zhuǎn)結(jié)束后的功能樣品。2根DOHC的滑動凸輪元件用于凸輪升程和停缸的2種凸輪廓線，僅用2個執(zhí)行器就能使氣缸蓋上的所有氣門停止工作。

擋盤的軸向支承是通過采用軸承框架與氣缸蓋罩蓋之間的1個附加鋁合金零件實現(xiàn)的，在這種應(yīng)用場合因針對用戶氣缸蓋罩蓋進(jìn)行匹配而需要附加這種鋁合金軸向軸承。在最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計情況下，該零件可由氣缸蓋罩蓋或氣缸蓋本身來承擔(dān)，從而無需附加零件。

轉(zhuǎn)換滑桿的導(dǎo)向由凸輪軸軸承附近的滑槽來承擔(dān)，并由該范圍內(nèi)的1個鋁合金滑塊予以輔助，否則無法確保轉(zhuǎn)換滑桿具有足夠的導(dǎo)向。為了在轉(zhuǎn)換過程中使轉(zhuǎn)換滑桿保持其方位，集成了1個與彈性定位機(jī)理組合的附加軸向擋板。

需要強(qiáng)調(diào)的是，凸輪軸表面結(jié)構(gòu)并無變化。這種系統(tǒng)安裝在現(xiàn)有的曲軸箱通風(fēng)裝置狀況下，無需調(diào)整就能廣泛應(yīng)用。此外，為了對這種系統(tǒng)進(jìn)行試驗，已安裝了數(shù)個傳感器。

圖5 基于量產(chǎn)中現(xiàn)有氣缸蓋罩蓋的功能樣品

4 可靠性試驗

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在蒂森克虜伯公司凸輪軸產(chǎn)品開發(fā)框架中，預(yù)先對傳統(tǒng)的滑動凸輪系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的試驗研究，再根據(jù)產(chǎn)品認(rèn)可過程的要求對PSSC系統(tǒng)進(jìn)行試驗，并在標(biāo)準(zhǔn)試驗裝置的框架中環(huán)繞附加測量點擴(kuò)展了相應(yīng)的測試點。

試驗裝置相當(dāng)于1種無氣缸體曲軸箱的倒拖氣缸蓋試驗臺（圖6），用1根軸替代曲軸直接傳動到配氣機(jī)構(gòu)，以便將大部分的實際運行條件和發(fā)動機(jī)正時傳動皮帶的回行段力傳遞到凸輪軸上。

滑動凸輪軸向動力學(xué)的重要測量參數(shù)是氣門升程、主動凸輪執(zhí)行器支座上與方向相關(guān)的轉(zhuǎn)換力、轉(zhuǎn)換滑桿的軸向行程、轉(zhuǎn)換滑桿與被動凸輪元件之間的接觸力，以及凸輪軸轉(zhuǎn)角等。MKS對執(zhí)行器撥銷與主動凸輪之間接觸力的模擬比較給出了關(guān)于對系統(tǒng)預(yù)料不到的影響。

在傳統(tǒng)滑動凸輪系統(tǒng)借助于執(zhí)行器上的電阻應(yīng)變片測量力得到的試驗結(jié)果并不可靠，因而為了能產(chǎn)生可測量的信號，執(zhí)行器結(jié)構(gòu)不得不減弱轉(zhuǎn)換力，由此轉(zhuǎn)換滑槽中執(zhí)行器撥銷的承載狀況明顯惡化。

因此，在開發(fā)工作框架中開發(fā)了1種壓電式力測量方法。這種方法無需修改執(zhí)行器，因而測量系統(tǒng)的剛度與執(zhí)行器的真實安裝狀況相當(dāng)。在軸向動力學(xué)測量結(jié)束后，系統(tǒng)要經(jīng)受持續(xù)的耐久性運行，并必須完成從怠速直至設(shè)計極限轉(zhuǎn)速的各種不同轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速下的幾百萬次轉(zhuǎn)換。除此之外，還要進(jìn)行超轉(zhuǎn)速試驗，以便即使對于無法預(yù)料到的轉(zhuǎn)換狀況也能確保足夠的安全性。

耐久性運行結(jié)束后再重新進(jìn)行軸向動力學(xué)測量，以便能查明系統(tǒng)摩擦中磨損條件的變化。在最終鑒定零部件時，要研究摩擦接觸副功能臨界的磨損狀況，此外還要借助于靜態(tài)檢驗方法檢驗彈性球限位的軸向力，并與新狀態(tài)進(jìn)行比較。

根據(jù)動力學(xué)測量結(jié)果就能確定相對于理論設(shè)計的良好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖7示出了在執(zhí)行器上測得轉(zhuǎn)換力與MKS模擬結(jié)果的比較。在緊接著動力學(xué)測量后的超過700萬次轉(zhuǎn)換直至按計劃試驗終了的過程中該系統(tǒng)一直運行正常，并且沒有出現(xiàn)異常的摩擦磨損情況。

圖6 帶有PSSC系統(tǒng)的倒拖氣缸蓋試驗臺

圖7 在圖4所選擇的范圍中執(zhí)行器轉(zhuǎn)換力模擬和試驗結(jié)果的比較

5 結(jié)論和展望

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PSSC系統(tǒng)成功地將可靠的滑動凸輪技術(shù)與非常簡單的控制方法組合起來，這種結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)能很容易地集成到現(xiàn)有的氣缸蓋結(jié)構(gòu)中，從而能獲得最佳的不連續(xù)的氣門升程轉(zhuǎn)換，所展示的功能樣機(jī)已證實了其所具有的良好性能，因此無需發(fā)動機(jī)前置的凸頭結(jié)構(gòu)型式，這種系統(tǒng)同樣能集成到氣缸蓋中。

與應(yīng)用傳統(tǒng)的滑動凸輪系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)節(jié)省結(jié)構(gòu)空間、質(zhì)量、電纜和密封件，并降低了對發(fā)動機(jī)電控單元的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計、模擬和試驗等開發(fā)階段就已滿足了對滑動凸輪系統(tǒng)的要求，從而為這種系統(tǒng)的推廣應(yīng)用作好了準(zhǔn)備。

所試驗的系統(tǒng)配置能使氣缸蓋上的所有氣門不工作，顯示出用于P0或P1混合動力車在車輛滑行階段不進(jìn)行換氣的可能性，這樣就能使電機(jī)具有更高的回收功率。這種策略的另1個效果是在車輛倒拖階段無需為廢氣后處理裝置供應(yīng)新鮮空氣。

其他的配置方式，如氣門升程轉(zhuǎn)換僅用于1根凸輪軸或者應(yīng)用1種三級氣門升程轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，同樣也具有一定優(yōu)點，但同樣會受到傳統(tǒng)滑動凸輪系統(tǒng)的限制。目前正在研究進(jìn)一步的設(shè)計方案，例如采用減少執(zhí)行器數(shù)量來實現(xiàn)停缸，或者在4缸和8缸發(fā)動機(jī)上應(yīng)用PSSC技術(shù)。

編輯：jq