发动机配气机构环境适应性及可靠性新技术：凸轮型线DoE优化设计

凌红芳，罗文水，许莹莹

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 510640)

发动机配气机构环境适应性及可靠性新技术：凸轮型线DoE优化设计

凌红芳，罗文水，许莹莹

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 510640)

汽车发动机作为汽车的核心部件，其环境适应性及可靠性尤为重要。本文应用先进的DoE理论，基于EXCITE Timing Drive模型，对国内某款1.6L VCT汽车发动机配气机构凸轮型线进行优化设计，优化后发动机环境适应性及可靠性有了显著提升。

发动机优化；凸轮型线；试验设计；环境适应性；可靠性

引言

汽车发动机技术是衡量主机厂是否具有自主研发能力的关键核心技术。其工作环境异常恶劣，如何提高发动机的环境适应能力，改善发动机工作工况，增长发动机寿命，成为个大主机厂争相研究的主题。

配气机构是发动机的重要组成部分，配气机构性能的好坏直接影响到发动机的环境适应性（经济性、动力性、排放特性）及可靠性，并对发动机的噪声与振动产生直接影响。优化配气机构的力学性能（动力学及运动学特性）对提升整机性能，提高发动机对环境的适应能力十分关键。近年来随着发动机技术的高速发展，其性能要求日益严苛：整机必须在各种复杂环境中平稳、可靠地运行，这对配气机构的力学特性提出了更高的要求。

为了在日新月异的汽车市场中占有一席之地，各大汽车公司必须在有限的时间内推出高质量的产品，而提高了动机的环境适应性才能确保其能在各种工况下工作，性能稳定，质量才能体现。此时DoE技术不可避免地成为当代汽车设计中必不可少的工具。DoE技术不仅能够呈现出参数间的相互关系，有效进行优化设计，还能大幅节省实验室阶段研发费用，缩短产品开发周期，提高产品环境适应性。

DoE技术在发动机设计应用领域涵盖、凸轮应力、冷起动排放控制、进排气门设计、可变配气机构的优化等。在发动机设计时采用DoE技术不仅能够提高产品环境适应性，还能降低成本的同时缩短新产品投放市场的周期，对于中国企业自主研发能力的提升十分关键。

本文优化目标为最大凸轮接触应力、最大跃度及丰满系数。最大跃度及丰满系数，对发动机的环境适应能力十分重要，最大凸轮接触应力对发动机的可靠性十分关键。

1.动机配气机构模型的建立

根据某企业1.6L VCT发动机配气机构结构特征，在Excite Timing Drive中建立模型如图1和图2所示。

此运动学模型包括六个模块，分别为凸轮型线、润滑单元、液压挺柱、气门杆、气门阀面和气门弹簧。

此动力学模型包括十个模块，分别为旋转激励、凸轮轴、径向轴承、相位单元、凸轮型线、润滑单元、液压挺柱、气门杆、气门阀面和气门弹簧。

2.k析因设计

2.1.点方案设计及仿真试验

仿真试验分析p、q、r、s、C4及半包角对最大凸轮接触应力、最大跃度及丰满系数的影响，要求：

1） 0.1 < C4< 0.4

2） 8≤p < q < r < s≤60，且均为偶数

3） 59 (°CA)≤半包角≤ 64 (°CA)

根据2k析因法取各因素最高、最低水平需进行26共计64次仿真试验，按照布点进行仿真试验。

2.2.感性分析

如最大跃度方差分析表1所示，r、s的t检验显著性系数Sig值并不小于0.05，即r、s对最大跃度的影响不显著；而p值的F检验回归系数F值最大，因而根据方差分析p值对最大跃度的影响最为显著。

如最大凸轮接触应力方差分析表2所示，只有p的t检验显著性系数Sig值小于0.05，即涉列的6个参数中仅p值对最大凸轮接触应力的影响显著。

表2 最大凸轮接触应力方差分析表

如丰满系数方差分析表3所示，只有半包角的t检验显著性系数Sig值不小于0.05，即涉列的6个参数中仅半包角对丰满系数的影响不显著；而p值的F检验回归系数F值最大，因而根据方差分析p值对丰满系数的影响最为显著。

在p、q、r、s、C4及半包角6个参数中，p值对最大跃度、最大凸轮接触应力及丰满系数的影响最为显著，应重点分析。

3.轮应力优化

3.1.点方案设计及仿真试验结果

仿真试验布点应选取具备统计意义的各参数最大值点、最小值点、上1/4分位点、下1/4分位点及中点作为仿真试验布点。考虑到半包角及C4对目标参数影响呈线性，为使建模更为准确，重点研究半包角为62°CA，C4为0.1时p、q、r及s对最大凸轮接触应力、最大跃度及丰满系数的影响，按照布点方案进行仿真试验。

表3 丰满系数方差分析表

3.2.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s对最大跃度的SPSS优化分析

经初步数据分析发现最大跃度随p、q、r、s的变化趋势呈现出一致性，即最大跃度值随p、q、r、s值的增加严格递增，为体现这一规律并体现p、q、r、s的共同作用规律选择p+q+r+s及p*q*r*s作为影响参数重点分析。

3.2.1.+q+r+s对最大跃度的影响

如表4所示，SPSS提供的11种常用拟合函数中Cubic函数对数据拟合程度最高，选择Cubic函数建立回归方程。

根据图3中Cubic函数参数估计值写出回归方程：Y= 348.706-2.473x-0.016x2， 调 用 Mathematica解 方 程得Y<1000 mm/rad3时，x<138.77，即p+q+r+s取值小于138.77时最大跃度值不超过1000 mm/rad3。由于8 < p

表4 p+q+r+s 最大跃度SPSS曲线分析总表

3.2.2.*q*r*s对最大跃度的影响

如表5所示，SPSS提供的11种常用拟合函数中Cubic函数对数据拟合程度最高，选择Cubic函数建立回归方程。

根据图4中Cubic函数参数估计值写出回归方程：Y= 408.053+0.001x-1.3*10-10x2+6.63*10-18x3， 调 用Mathematica解方程得Y<1000 mm/rad3时，x<644109.0，即p*q*r*s取值小于644109.0时最大跃度值不会超过1000 mm/rad3。由于 8 < p < q < r < s < 60，且 p、q、r、s均为偶数，为使最大跃度值不超过1000 mm/rad3，p的取值应小于24。

3.3.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s对丰满系数的SPSS优化分析

经初步数据分析发现丰满系数随p、q、r、s的变化趋势呈现出一致性，即丰满系数值随p、q、r、s值的增加严格递增，为体现这一规律并体现p、q、r、s共同作用规律选择p+q+r+s及p*q*r*s作为影响参数重点分析。

3.3.1.+q+r+s对丰满系数的影响，如表6所示，SPSS提供的11种常用拟合函数中Cubic函数对数据拟合程度最高，选择Cubic函数建立回归方程。

根据图5中Cubic函数参数估计值写出回归方程：Y= 0.443+0.001x+9.01*10-7x2-7.1*10-9x3， 调用Mathematica解方程得Y > 0.55时，x > 105.23，即p+q+r+s取值大于105.23时丰满系数值不低于0.55，且p+q+r+s取值越大丰满系数值亦越大。

3.3.2.*q*r*s对丰满系数的影响

如表7所示，SPSS提供的11种常用拟合函数中Power函数对数据拟合程度最高，选择Power函数建立回归方程。

根据图6中Power函数参数估计值写出回归方程：Y=0.335x0.038， 调用Mathematica解方程得Y>0.55时，x>241517.0，即p*q*r*s取值大于241517.0时丰满系数值不低于0.55，且p*q*r*s取值越大丰满系数值亦越大。

3.4.于EXCITE Timing Drive模型的 p、q、r、s对最大凸轮接触应力的SPSS优化分析

仿真试验数据SPSS分析得出以下结论：

1） 仿真试验数据显示，最大凸轮接触应力随p、q、r及s值的增大而减小为使最大凸轮接触应力值小，p、q、r及s取值应尽可能较大。

2） p、q、r及s值相差增大时最大凸轮接触应力增大，为使最大凸轮接触应力值小p、q、r及s取值应尽可能最小差距。

3.5.于EXCITE Timing Drive模型的凸轮应力多目标SPSS优化结果

基于EXCITE Timing Drive模型的凸轮型线多目标SPSS优化分析得出4点结论：

在p、q、r、s、C4及半包角6个参数中，p值对最大跃度、最大凸轮接触应力及丰满系数的影响最为显著。

为同时满足最大跃度及丰满系数要求p、q、r、及s的取值范围应为 241517.0 < p*q*r*s < 644109.0，即p的取值范围为18 < p < 24。

由于丰满系数取值对充气效率影响较大，多目标优化时应保证最大跃度不超过1000 mm/rad3同时使丰满系数尽可能最大，即p取值应尽可能接近理论最大值24。

由于最大凸轮接触应力随p、q、r、s值的增大而减小，应使p的取值尽可能接近理论最大值24并使p、q、r、s之间差值较小从而获得较小的最大凸轮接触应力。

综合以上四点结论，最大凸轮接触应力、最大跃度及丰满系数的最优p、q、r、s取值方案及仿真试验结果如表8中所示。

新丰满系数值的减小是受最大跃度值的限制，如将最大跃度放大至原水平（1469 mm/rad3），经优化后，丰满系数提升0.22%。最大凸轮接触应力能够减小40.4%。从优化数据来看，原模型已经接近最大跃度值为1469 mm/rad3时的理论最大丰满系数，不存在大幅提升空间，而最大凸轮接触应力存在较大缩减空间。

4.论

凸轮型线力学性能（动力学、运动学特性）的提升，对于优化配气机构及发动机的环境适应性及可靠性具有十分重要的指导意义。本文研究结果表明：

1）在p、q、r、s、C4及半包角6个参数中，p值对最大跃度、最大凸轮接触应力及丰满系数的影响最显著。

2）由于丰满系数的取值对充气效率影响较大，多目标优化时应保证最大跃度不超过1000 mm/rad3的同时使丰满系数尽可能最大，即p的取值应尽可能接近理论最大值24。

表8.、q、r、s取值方案及仿真试验结果

3）由于最大凸轮接触应力随p、q、r、s值的增大而减小，应使p的取值尽可能接近理论最大值24并使p、q、r、s之间差值较小从而获得较小的最大凸轮接触应力。

4）DoE技术不仅能够大幅缩减试验样本容量节省试验经费及时间，亦能够达到理想的优化效果，即丰满系数提升0.22% 最大凸轮接触应力能够减小40.4%。大大的提高了发动机环境适应性。

丰满系数的提升及凸轮接触应力的降低对于提升凸轮型线的动力学运动学特性十分关键，对于提升整机的环境适应能力及可靠性具有十分重要的价值和意义。

[1] 臧权同. 综述现代设计理论和方法在机车发动机上的应用. 内燃机工程，1993（2）：30～37

[2] 王建人，宋钦海. 浅谈正交试验设计在小型二冲程汽油机设计中的应用.小型内燃机，1998（5）：47～49

[3] 翁红林，周宝焜. R175柴油机排气消声器的正交试验设计. 福建农业大学学报，1999(3)：367～371

[4] 孙思祥，臧桂平. 8240ZJ型柴油机DLC10-62-00-1冷却水泵正交试验设计. 四机科技， 1999（2）：13～15

[5] 孙建民，孙凤英，杨清梅等. 提高进口发动机气缸耐磨性的试验研究. 哈尔滨工程大学学报，2001（1）：72～74

[6] 王志明，徐秀兰. 农用SD195柴油机直喷化改造的研究 .农业机械学报，2002（4）：11～16

[7] 熊伟. 发动机悬置隔振性能及优化研究： [硕士学位论文]. 重庆：重庆大学汽车学院，2003

[8] 刘晶郁，全秋红，张永. 绿色汽油机油抗氧剂复合性能分析研究. 润滑与密封，2004（6）：69～73

[9] 王晓瑜，陈国华，蒋炎坤. 2k析因试验设计及其在发动机排放中的运用.内燃机工程，2004（2）：18～22

[10] 田羽中. 应用Isight集成Boost对发动机的性能进行优化. 2007年APC联合学术年会论文. 天津：2007. 308～313

[11] 谢辉，陈礼勇. 电控柴油机标定中空间填充试验设计的应用研究. 小型内燃机与摩托车，2008（3）：67～70

The Environmental Worthiness and Reliability New Technology of Vehicle Engine Valve Train: the Cam Prof i le DoE Optimization Design

LING Hong-fang，LUO Wen-shui，XU Ying-ying
（Guangzhou Automobile Group CO., LTD Automotive Engineering Institute，Guangzhou 510640）

The enviromenttal worthiness and reliability of the engine which is the key part of the vehicle is very important.This paper applied Advanced DoE theory which base on EXCITE Timing Drive model to the optimization design of domestic 1.6L VCT gasoline engine valve train cam profile. The result show that engine Environmental worthiness and reliability have a remarkably improvement after the optimization.

engine optimization；cam profile；test design；enviromenttal worthiness；reliability

TK421

A

1004-7204（2012）03-0039-06

凌红芳、出生年月：1984.1、性别：女，籍贯：广西宜州、民族：汉、职称：工程师，所获学位：学士，目前主要从事整车集成工作，研究整车总布置。