发动机滑动式凸轮轴系统

摘 要：文章主要针对发动机滑动式凸轮轴系统的相关内容进行了介绍，并指出其技术难点，还对发动机滑动式凸轮轴系统的市场前景做出了展望，希望可以为相关人员提供帮助。

关键词：凸轮轴；发动机；工作原理

1 系统介绍

凸轮轴是内燃机的一个重要部件，它的主要作用是控制气门的开启和闭合。传统的凸轮轴通常采用冷激铸铁或锻造的方式制造毛坯，然后采用车削和磨削的方式加工而成。另外一种方式是装配式凸轮轴，是采用压装的方式将凸轮片、信号轮等各种组件装到钢管上，然后采用与铸造或锻造凸轮轴类似的加工工艺加工而成。滑动式凸轮轴是一种新型的凸轮轴设计，它能够根据发动机的负载调整气门升程以及关闭气门，从而实现节省燃油的目的。该技术的最大优势是节省燃油，测试结果显示，使用滑动式凸轮轴可以节省约8%的燃油消耗，如果增加了停缸功能，则油耗节省将更加明显。

2 凸轮轴系统构成和工作原理

滑动式凸轮轴系统由两部分组成，一个是机械部分，即滑动式凸轮轴。另外一部分是电磁驱动器。滑动式凸轮轴是由中间的芯轴、凸轮块及其他连接部件组成。凸轮块和芯轴是采用花键连接，凸轮块可以在芯轴上滑动。一个凸轮块上有两组凸轮，每组凸轮上各有一个高角度凸轮和一个低角度凸轮。在凸轮块的两端各有一个螺旋沟槽，如图1所示。

当发动机在怠速或低载工况下运行时，低角度凸轮与气门挺杆结合，气门处于低升程状态。当发动机处于高负荷时，如重载或加速时，汽车ECU会发送信号给电磁驱动器，电磁驱动器中的金属销弹出，插入凸轮块上的螺旋沟槽中。凸轮块在旋转过程中，凸轮块在电磁驱动器插销的推动下，切换到高角度凸轮上，增大了气门的升程，这样就能提供给燃烧室最佳的进气流量和进气流速，实现更加强劲的动力输出，满足车辆的加速或重载要求。同样的工作原理，当发动机处于部分负荷时，为了追求发动机的节油性能，电磁驱动器会将凸轮块推到低角度凸轮侧，从而减少气门升程，减少功耗和燃油消耗。

滑动式凸轮轴通过变形设计，可以和发动机停缸技术结合起来。当发动机处于部分负载状态下时，电磁驱动器可以将凸轮块推到零升程位，即轴颈位置，这时气门停止运动，ECU发出指令让喷油嘴停止喷油，发动机停止点火，汽缸停缸。使用该系统，四缸机可以实现两缸、三缸和四缸运行，从而大大节省在怠速工况下的燃油节省，但如果要实现单数缸运行，为了减少发动机振动，需要配上平衡轴系统，并实现在双数缸运行时的离合装置。另外，为了防止凸轮块在芯轴上的轴向窜动，在芯轴上还设计了一个锁止机构，如图2所示。

这个锁止机构是在芯轴内装了一个弹簧加载钢球，用于在部分负载和全负载位置给凸轮块定位。

3 技术难点

第一，滑动式凸轮轴系统的结构简单，对发动机的改动量小，但难点在系统集成，需要在防发动机ECU上集成一个控制模块，并根据车辆开发的场景假设进行系统标定。

第二，电磁驱动的响应时间要极其快速而精确，要求从接收到指令到插销插入螺旋沟槽的时间要低于10ms，完成整个升程切换的时间要低于20ms，图3为电磁驱动器的工作原理图。

螺旋沟槽（剖面图）绿色部分是电磁驱动器销轴安全插入区；销轴必须在这段区域内完成销轴入槽，否则将可能插不入槽，甚至发生撞击，从而损坏电磁驱动器。销轴在安全区域插入螺旋沟槽后，将在芯轴的旋转作用下推动滑动块在轴向移动，完成高低角度凸轮的切换。图中粉红区域就是凸轮块的滑动区域，高低角度凸轮的须在这段时间内完成。白色区域是螺旋沟槽将电磁驱动器销轴顶回原位的区域。这时电磁驱动器销轴在内部弹簧和永磁铁的双重作用下，将销轴保持在原位，不至于在发动机振动和车辆颠簸时，掉下来发生意外。

第三，花键槽的加工和凸轮块的机加，关键尺寸要求加工精度达到微米级，如凸轮型线加工、花键和花键槽的机加工。锁止机构的设计也是一个难点，需要特别注意。

第四，因滑动式凸轮轴要在高速旋转的状态下完成高低角度凸轮的切换，而且切换速度非常快，还有锁止机构参与，如果设计不当或制造精度不够将可能产生NVH问题，需要在系统设计和发动机集成时予以特别关注。

4 市场应用及竞争的技术路线

奥迪和大众从2006年开始量产他们的第一代滑动式凸轮轴系统（AVS），当前使用该滑动式凸轮轴系统的发动机年产量已经超过100万台；奥迪和大众在2012年量产了第二代带停缸功能的滑动式凸轮轴系统，现在正在开发第三代“可变升程+停缸技术”的滑动式凸轮轴系统，预计在2016年前后量产。

戴姆勒公司也已量产了类似的滑动式凸轮轴系统。其他厂家如福特、通用和PSA等对该技术也表现出浓厚的兴趣。世界上很多汽车厂商都有自己的可变升程系统，本田采用的系统是i-vtec，该技术利用一个销子来锁住或脱开第三根摇臂和第三个凸轮来实现变升程的目的。宝马公司的Valvetronic系统在传统的配气相位机构上增加了一根偏心轴，一个步进电机和中间推杆等部件，该系统借由步进电机的旋转，再在一系列机械传动后很巧妙的改变了进气门升程的大小。

5 滑动式凸轮轴系统的市场前景

滑动式凸轮轴系统结构简单，机构的变化主要在凸轮轴上，对发动机系统的改动不大。最大的挑战在系统集成上，主机厂必须具备该系统的集成能力，以发挥该系统的节油优势。当前该技术在大众和奥迪的发动机上的应用已经非常成熟，会逐渐成为他们发动机的一种标准配置。戴姆勒采用类似技术的发动机也已量产，其他厂家如福特、通用和PSA等对该技术也表现出浓厚的兴趣，市场前景广阔。

同时我们也需要看到，混合动力汽车、纯电动汽车及氢燃料电池汽车技术也正在日趋成熟，一旦在动力电池和氢燃料电池的技术和成本上获得突破性进展，则发动机在汽车中的核心地位将被大大减弱，主机厂将不会花更多的人力、物力和资本在滑动式凸轮轴技术的研发上。不过，根据当前的市场分析，未来二十年内，装备有内燃机的汽车仍然是市场的主流。真正对该技术的推广造成的威胁是混合动力汽车，当前的主流厂家基本上都在研发自己的混合动力汽车，特别是重混混合动力汽车、插电式和增程式混合动力汽车。在这些混合动力汽车中，发动机作为传统内燃机汽车中唯一或支配性动力的地位已经被动摇，逐渐沦为配角。相应地，整车系统对其的要求也越来越低，仅仅作为辅助动力。内燃机也将向小型化和低成本方向发展，向滑动式凸轮轴系统这种昂贵的解决方案，注定其只是一个过渡性产品。但我们也必须认识即使是混合动力汽车，要真正成为主流要需要非常长的一个时期，这个过程保守估计也要十五年左右。在此之前，主机厂仍然需要将精力放在节能汽车的潜力挖掘上，滑动式凸轮轴作为一个成熟而高性价比方案，将有十分光明的市场前景。

作者简介：周培良，男，汉，籍贯：四川省成都市大邑县，职务：技术中心主任，学历：大学本科（哈尔滨工业大学，机电控制及自动化专业毕业），单位：宁波圣龙汽车动力系统股份有限公司，研究方向：发动机润滑系统、配气系统、变速器系统、新能源汽车和智能汽车。