摩托车发动机三维凸轮可变配气机构的研究

耿爱农，李辛沫，王大承，李建春

（1. 五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2. 江门市硕普科技开发有限公司，广东 江门 529000）

摩托车发动机三维凸轮可变配气机构的研究

耿爱农1，李辛沫1，王大承1，李建春2

（1. 五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2. 江门市硕普科技开发有限公司，广东 江门 529000）

为了拓宽摩托车发动机配气机构的最佳工作区间，提出一种基于三维凸轮的发动机新型可变配气机构，该机构控制的进气门相位及升程凸轮具有连续光顺变化的三维型面，能根据发动机不同的运行工况选择与之相匹配的工作型线. 研究表明，采用三维形式的进气凸轮不仅可以方便地调控进气门的启闭相位，而且还能在一定的幅值范围内调节进气门的升程，从而可将配气机构的最佳工作参数从标定工况的狭窄区域延展至发动机的常用工况区域.

摩托车发动机；可变配气机构；三维凸轮

摩托车发动机运行区间的变动范围很大，其最高工作转速与最低工作转速之比可达 8:1以上，而通常摩托车发动机配气机构的参数是按照标定工况进行设计的，即最佳气门定时和气门升程对应的是高转速区域. 因此，在中低转速区域，配气机构难以提供最佳匹配的工作参数是导致摩托车常用工况性能欠佳的一个主要原因. 为解决这一难题，近十年来出现了一批旨在拓宽摩托车发动机配气机构参数适应范围的可变气门技术[1-9]，如德国卡赛公司（KSAT）提出的双进气凸轮气门相位控制系统（VTC），日本本田公司（HONDA）开发的多档凸轮进气系统（VTEC），日本铃木公司（SUZUKI）、意大利比阿桥公司（PIAGGIO）以及我国重庆大学研发的各种可变气门正时系统装置（VVT），这些系统和装置利用高低速两档或高中低速三档凸轮的结构配置方案，较好地处理了配气机构与不同运行工况的匹配问题. 然而，由于上述可变配气机构采用的是有级调节的调控策略，因此配合参数存在突变区域，不能做到全局较优. 鉴于此，本文提出一种新的解决方案：利用一个包含不同工作型线的三维凸轮去调控进气门的相位与升程，使之能根据发动机的实际工况选择最佳的工作参数. 此方案可满足标定工况和常用工况对摩托车进气系统的差异性要求，由此拓宽了配气机构的最佳匹配区域.

1 新型可变配气机构的布局与原理

本文提出的三维凸轮的轮廓型线沿凸轮的轴向呈连续光滑变化，且与发动机的不同工况相对应.进气门的启闭相位及升程规律完全由该三维凸轮控制，一方面三维凸轮受正时链轮的驱动而转动（其工作转速为发动机曲轴转速的1/2），另一方面三维凸轮依照发动机的转速变化而在操控机构的驱使下做出相应幅度的轴向移动. 为了调控三维凸轮的工作位置，专门设置一个可以摆动的摆臂、一个可以转动的齿杆以及一个可以往复移动的齿条，其中摆臂与齿杆紧固连接或为一体结构，齿杆上开设齿轮与齿条啮合配合，三维凸轮上开设有花键与正时链轮滑动配合. 具体情形是由摆臂拨动齿杆转动，齿杆再通过其上的齿轮驱动齿条作往复移动，齿条则通过一个轴向推力轴承驱动三维凸轮产生相应的轴向位移，从而调节三维凸轮与适调块接触的工作型线，最后通过适调块驱动气门的启闭. 图 1为新型可变配气机构布局示意图，其主要零部件包括气门、气门弹簧、适调块和一个能改变进气门升程及启闭时刻的三维凸轮，其中进气门的启闭时刻即气门相位，它包括进气门早开角（IVO）和进气门晚关角（IVC）. 在图1中，气门的关闭主要依靠气门弹簧来完成，这一点与传统配气机构的气门关闭方式完全相同.另外，为了保证三维凸轮轴向复位，在三维凸轮的轴端头设置有一个复位弹簧、一个顶珠和一个调节杆，利用其产生的轴向力促使三维凸轮复位，其中调节杆用以预调复位轴向力的大小.

图1 三维凸轮型发动机可变配气机构布局示意图

不同的发动机运行工况对进气系统的工作要求是不一样的. 在发动机的高速及大负荷工况区域，要求配气机构能提供最大的进气门升程和进气门晚关角，以改善充气效率获得最大的发动机输出功率；而在中低速区域，则要求配气机构提供较小的气门升程和较小的进气门晚关角. 本文提出的三维凸轮配气机构，可以非常方便地实现上述要求：1）当发动机运转在高转速区域时，三维凸轮相应地亦处在高转速区段，此时的凸轮型线是专门针对高转速而设计的型线，并将因此获得最大的进气门升程和最大的进气门晚关角；2）当发动机处在中低转速区间运行时，三维凸轮则会按照指令做出一定的轴向位移，此时凸轮的工作部位转移至中低速区段，所对应的凸轮型线将是专门针对发动机中低转速设计的型线，由此产生的气门升程及进气门晚关角相应地向着变小的方向转进.

2 三维凸轮的构造和设计分析

2.1 三维凸轮的构造原则

由于新型配气机构采用了三维形式的进气凸轮，因此与传统的二维凸轮相比结构更加复杂. 为方便操控与制作，三维凸轮的构造应遵从如下基本原则：1）凸轮在全区段拥有相同的基圆半径，以保证气门在任何工况下均能保持良好的落座特性和开启特性；2）高速段与低速段的最大气门升程差值不宜过大，以减小因凸轮坡度降低而派生出的轴向窜动力，从而保证三维凸轮的工作稳定性；3）三维凸轮各型线的过渡应连续光顺，以避免工况变换时产生大的冲击.

根据上述原则，在设计三维凸轮时先按照发动机的标定转速g()n 和最低工作转速d()n 分别构造出其的高速端和低速端，然后以它们型线的各特征点（如发动机的上止点TDC和下止点BDC）和相应的功能段，按凸轮转角一一拉深出三维凸轮的中间段线型. 高速端和低速端的凸轮型线均以TDC的特征点作为构造的基准线（或基准面），并在三维凸轮的高速端和低速端各预留出一小段缓冲段（见图2）.

2.2 三维凸轮的设计分析

发动机的凸轮设计是一项十分复杂的工作，涉及到多个因素并有多种构造方法[1-2,10-17]. 参照文献[1-2]，本文以JH125型发动机作为比对原型机，选取三维凸轮的结构参数如表1所示. 考虑到采用凸轮直接驱动进气门，故表1中的最大凸轮升程即为进气门的有效升程.

为了让凸轮具有较好的性能，本文中三维凸轮选择5项式高次方凸轮型线，其中高速端工作型线和低速端工作型线均采用相同规律的高次方多项式函数进行构造，且均采用对称的型线，二者除基圆半径相等外，其他工作参数略有不同.

图2 三维凸轮各区段工作型线构造方法示意图

表1 三维凸轮高速端型线和低速端型线结构参数表

1）凸轮工作段升程曲线方程

设凸轮转角为α，在凸轮工作段始点α=0时气门升程h=0，凸轮最大升程为hmax. 另外设凸轮工作段型线的半包角为αs，令x=1-α/αs，则5项式高次方凸轮的升程h可描述为[14-15]

上式中的幂指数p、q和r可以自由选取. 为了获得较大的凸轮丰满系数、较大的凸轮最小曲率半径以及对称的凸轮工作型线，根据文献[14]的研究成果，取 p=8，q=32，r=52. 式（1）中的另外 4个待定系数c2、cp、cq和cr则可以采用文献[15]给出的公式加以确定. 于是根据表1给出的参数可得高速端气门升程函数hg和低速端气门升程函数hd：

图3为依据式（2）和式（3）绘制的发动机高速工况和低速工况时的气门升程曲线，图中横坐标按惯例已转换为曲轴转角（°CA）. 某中速 n工况下气门升程曲线的构成方法是，首先按照发动机的标定转速ng、最低转速nd和当前转速n确定出三维凸轮的工作位置，该位置与标定转速工作位置的距离为Ln=L(ng-n)/(ng-nd)，然后根据表1的参数用插值法确定出凸轮型线的各相位值和最大凸轮升程，再依照前述方法构造出对应该发动机转速 n的凸轮工作型线. 不难发现，由三维凸轮控制的气门相位和气门升程可以先规划好，运行时只需按照发动机的转速适时调控三维凸轮选择工作位置，凸轮即可按照发动机的实际运行工况输出较佳的气门定时和气门升程，从而使得发动机的性能始终保持有较优的状况. 需要指出的是，依照表1的参数，基于三维凸轮的调控，本文配气机构的进气门升程可以调控在5.825～7.825 mm，进气门的早开角（IVO）可以调控在12～14 °CA，进气门晚开角（IVC）则可以调控在16～44 °CA. 可见，最佳配气相位参数和气门升程参数均已获得有效扩展.

图3 高速端和低速端工作型线的气门升程曲线图

2）三维凸轮轴向窜动力计算

三维凸轮沿其轴线呈现一定的坡度或者锥度，当凸轮型线运行在非基圆的工作段时，气门弹簧的作用力必然会派生出沿凸轮轴轴线方向的轴向窜动力；而当凸轮型线运行至基圆段时（此时气门处于关闭状态），凸轮的坡度趋于零，上述轴向窜动力又会消失：因此，轴向窜动力是一个周期性变化的力，其最大值出现在凸轮高速端的穹顶处，容易推算出它的大小为

式中 Fkmax为气门弹簧产生的最大弹力，经计算取 Fkmax=850 N；θmax为三维凸轮的最大坡度夹角，其大小与高速端最大气门升程 hgmax、低速端最大气门升程 hdmax以及凸轮最大轴向位移 L有关，本文中的L=20 mm、最大坡度夹角θmax=5.74°，则最大轴向窜动力Fcmax=85.44 N.

为了防止轴向窜动力导致的轴向窜动，本文将三维凸轮的大端（高速端）布置在朝向操控机构的一侧，利用摆臂的自锁设计抵御凸轮的轴向窜动力. 另外，为了保证凸轮轴在变换工况时能够可靠地复位，同时为了阻止凸轮轴可能出现的向小端的随机窜动，本配气机构专门在三维凸轮的低速端设置了一套基于弹簧的维稳复位装置.

3）适调块接触应力计算

为适应三维凸轮工作型面的变化，适调块采用活动弧形块结构，并通过双弧块自适应地与凸轮保持两点接触以降低接触应力. 与文献[18-19]的情形相似，按弹性力学理论，适调块与凸轮表面在触点处的接触区域实际上呈椭圆状，本文参照文献[19]的公式换算出最大赫兹接触应力σHmax如下

式中，k为载荷系数，本案中取 k=1；FN为钢珠与凸轮在接触点处的法向接触力，它出现在凸轮高速端的穹顶处，FN=Fkmax/cosθmax；r1为凸轮在高速端穹顶处的主曲率半径（r1=7.96 mm），r2为适调块在接触点处的主曲率半径（r2=14.2 mm），它比凸轮基圆半径（r0=14 mm）略大；E1、E2分别为凸轮和适调块材料的弹性模量，可取E1=E2=2.05×105MPa；μ1、μ2分别为凸轮和适调块材料的泊松比，可取μ1=μ2=0.3. 可以计算出最大赫兹接触应力σHmax=927.3 MPa. 本文凸轮可以采用激冷铸铁制作并进行表面高频淬火，淬火硬度 HRC50～65，其许用接触疲劳应力[σH]≥950 MPa，能基本满足要求. 进一步，也可以采用40Cr或者40CrNi作为三维凸轮的材料，同样对凸轮进行表面淬火处理，其许用接触疲劳应力值更高（[σH]≥1 350 MPa）.

3 结束语

本文三维凸轮的设计步骤是先设计出凸轮高速端和低速端的型线，然后以它们的型线作约束拉深出三维凸轮中间段的型线（面），以此获得连续光顺的三维凸轮型面. 在设计三维凸轮时，应保持全区段具有相同的基圆半径，且三维凸轮的锥度也不宜过大. 依照本文方法设计的三维凸轮，其进气门的升程可以在5.825～7.825 mm进行任意调控，其IVO可以在12～14°CA、IVC可以在16～44°CA按需无级调节，可实现改善摩托车发动机常用工况性能的目的. 经计算，此方案能保证标定工况下进气门具有较大的升程和进气门晚关角，同时还能在中速和低速区域使配气机构保持有较好匹配的工作参数.

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Three-dimensional Cam Variable Valve Actuating Mechanism of Motorcycle Engine

GENG Ai-nong1, LI Xin-mo1, WANG Da-cheng1, LI Jian-chun2
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. Shuopu Science and Technology Development Co. Ltd., Jiangmen 529020, China)

s: In order to broaden the best working area of the motorcycle engine valve train, a kind of new engine variable valve actuating mechanism based on the three-dimensional cam is proposed. The cam, which has a three-dimensional fairing surface controlling valve phase and lift, can determine the matching work-type line by different operating conditions in engine. The results indicate that the three-dimensional cam is advantage to control the opening and closing phase of the intake valve and adjust the inlet valve lift in the certain amplitude range. The best working parameters of valve actuating mechanism are extended from rated condition to common conditions.

motorcycle engine; variable valve actuating mechanism; three-dimensional cam

耿爱农（1961—），男，广西北海人，副教授，硕士，研究方向为内燃机进排气系统仿真和压缩机减摩防漏.

1006-7302（2012）04-0027-06

TK413.4

A

2012-06-13

广东省教育部产学研结合项目（2008B090500229）；广东省重大科技专项计划项目（2009A080201009）；广东高校工程技术研究中心计划项目（GCZX-A1008粤教科函[2010]118号）

韦 韬]