一种连续可变气门升程机构的动力学仿真

张宗澜， 熊锐， 吴坚， 周鑫， 曾恩山

(1. 广东工业大学机电工程学院， 广东 广州 510006； 2. 广州汽车集团有限公司汽车工程研究院， 广东 广州 510640)



一种连续可变气门升程机构的动力学仿真

张宗澜， 熊锐， 吴坚， 周鑫， 曾恩山

(1. 广东工业大学机电工程学院， 广东 广州 510006； 2. 广州汽车集团有限公司汽车工程研究院， 广东 广州 510640)

设计了一种连续可变气门升程(CVVL)机构，气门升程可在0～9.5 mm连续可变，为该CVVL机构设计计算了凸轮型线和中间摇臂型线。利用GT-Power对该机构进行了动力学仿真，结果表明：在所有气门升程下，气门具有相同的开启、落座缓冲段，气门动力学性能良好；凸轮与滚轮接触应力偏大，分析了应力偏大的原因，并指出优化方向。

可变气门升程； 凸轮型线； 动力学； 仿真

连续可变气门升程(CVVL)是一种车用汽油机的节油技术，它能够根据发动机转速与负荷，匹配最佳的气门升程，甚至可以取代节气门的作用[1]，实现对汽油机负荷的控制。研究表明，低速低负荷工况下，一方面，CVVL机构能够降低泵气损失[2-6]，另一方面，在较小的气门升程下，配气机构需要的驱动扭矩更小[7-8]，因此能够有效降低汽油机的燃油消耗。目前汽车市场也有相关的应用，例如宝马的Valvetronic[9-10]、日产的VVEL[11]和现代的CVVL[12]。

虽然CVVL技术具有一定的节油潜力，但是其技术相对复杂，凸轮型线和摇臂型线的确定是难点，国内相关研究较少。本研究在某2.0T汽油机进气机构的基础上，设计了一种连续可变气门升程机构，解决了凸轮型线设计和中间摇臂型线计算的难点，并对该机构进行了动力学仿真。

1 CVVL机构及型线

1.1 机构原理

本研究设计的CVVL机构在原2.0T汽油机配气机构的基础上增加了一中间摇臂(见图1)，两个机构的气门相关参数完全相同。

图2示出了CVVL机构的原理。中间摇臂的转动支点由控制机构改变，转动支点以气门摇臂滚轮中心为圆心，以半径R可向左转动。用中间摇臂转动支点与气门摇臂滚轮中心的连线与竖直方向的夹角β来定位转动支点的位置，不同的转动支点定位角β对应不同的气门升程。图2中实线的中间摇臂为最大升程位置，虚线为最小升程位置。中间摇臂在回位弹簧的作用下，始终保持与凸轮接触，凸轮使中间摇臂来回摆动，中间摇臂型线驱动气门摇臂，进而产生气门升程。

图1 CVVL机构与2.0T配气机构结构对比

图2 CVVL机构原理

气门升程曲线由凸轮型线、中间摇臂型线共同决定，因此型线设计是关键。根据该CVVL结构特点，本研究采用设计自由度大的分段多形式的方法设计了凸轮型线：

L=a0+a1x+ a2x2+ a3x3+ a4x4+ a5x5。

(1)

式中：L为凸轮升程；ai为多项式系数。

凸轮型线见图3。凸轮型线的设计目标是保证在不同升程下，气门都具有相同的开启、落座缓冲段，使气门开启、落座速度稳定，减小气门的落座冲击，保证气门的使用寿命。

图3 凸轮型线

为了使气门达到目标升程曲线的要求，结合CVVL结构和凸轮型线，用递推方法计算了中间摇臂型线，结果见图4。可以看出，型线具有很好的连续性。在凸轮的驱动下，中间摇臂型线的升程特性直接决定了气门升程曲线的特性。

图4 中间摇臂型线

凸轮型线与摇臂型线确定以后，气门运动学升程特性(见表1)基本与2.0T配气机构一致，说明型线设计合理。

表1 CVVL气门升程特性对比

2 动力学模型

在GT-Power中建立了该CVVL机构的动力学模型，模型见图5。输入凸轮型线及中间摇臂型线，进行动力学仿真。在回位弹簧作用下，凸轮与滚轮保持接触(见图2)，定位夹角依次设定为5°，6°，7°，8°，9°和10°，6个不同转动支点的位置，对应6种不同的气门升程，发动机转速设定为6 000 r/min。

凸轮的磨损情况一般用接触应力来评价，相同材料的线接触应力计算公式为

(2)

式中：F为凸轮与滚轮的接触法向力；R1，R2别为凸轮与滚轮在接触点的曲率半径；E为材料的弹性模量；w为接触宽度。

低于12.2米的普通脚手架搭设仅需专业脚手架工在脚手架主管监督下搭设、更改及拆除即可，超过12.2米及其他的特殊脚手架搭设则需经过阿美批准的专业脚手架承包商进行。

凸轮与滚轮的接触宽度通常受到布局和质量的限制，其尺寸往往较小。所有构件材料均为钢，常规钢与钢滚动接触时，其接触应力范围一般为pmax<1 500 MPa。

图5 CVVL机构动力学模型

3 仿真结果与分析

3.1 气门动力学特性

气门动力学升程曲线见图6。所有气门升程曲线具有很好的光滑性，而且气门没有出现反跳现象，表明配气机构工作平稳，动力学性能良好。当中间摇臂转动支点定位角增大时，气门升程逐步减小，开启持续期也相应减小。气门最大升程为9.5 mm，表明该CVVL机构可实现气门升程在9.5 mm范围内连续可变。

随着气门升程的减小，气门开启时刻相应推迟，为了实现气门正时可控，可加入VVT技术，实际产品中通常也是同时采用可变气门升程和可变气门正时技术，以适应转速变化对进、排气流通特性的要求[13-14]。

图6 气门升程

气门动力学速度曲线见图7。所有升程下，气门都存在相同的缓冲段，气门落座速度均为0.29 m/s，落座速度相同，从而保证在所有升程下，气门落座的平稳性，说明凸轮型线与中间摇臂型线设计合理，实现了预期的设计要求。气门速度曲线在气门开启和落座后存在一定波动，是由于气门开启与落座时有一定的冲击，使气门加速度产生较大波动。由图8可见，气门速度与加速度曲线有很好的一致性。

图7 气门速度

图8 气门加速度(最大升程时)

3.2 凸轮与滚轮接触法向力

气门升程越大，气门弹簧力越大；发动机转速越大，配气机构惯性力越大。因此，只计算气门升程为9.5 mm、发动机转速为6 000 r/min时，凸轮与滚轮、中间摇臂与滚轮的接触法向力与接触应力，用于判断凸轮的磨损以及是否存在飞脱的情况。

接触法向力见图9。F1，F2分别为凸轮与滚轮、中间摇臂与滚轮的接触法向力。显然有F1>0，F2>0，因此两个接触点没有出现飞脱的情况；法向力走向与气门加速度基本一致，因为配气机构在高速状态时，惯性力占主导地位。最大接触法向力分别为1 312 N，2 276 N，F1整体比F2大，是由于中间摇臂存在一定的摇臂比，加上回位弹簧弹力及中间摇臂惯性力，3个因素叠加使F1增大，说明CVVL从结构上决定了F1比F2大，优化空间较小。

图9 接触法向力

3.3 凸轮与滚轮接触应力

接触应力见图10，p1，p2分别为凸轮与滚轮、中间摇臂与滚轮的接触应力。由图可见p1>0，p2>0，进一步说明接触部位没有出现飞脱现象，其中p2变化比较平稳，没有突变，最大值为656 MPa，在材料的许用范围内。p1存在两个较大的峰值，与F1趋势一致，均出现在气门加速段，其最大值为1 322 MPa，在材料的许用应力边沿，接触应力偏大。

图10 接触应力

由式(2)可知，当材料选定、接触宽度不变时，接触应力p1与法向力F1成正向关系，与凸轮曲率半径R1成反向关系。由图11可见，最大接触法向力与最大曲率半径相错开，使气门加速段所对应的凸轮型线段的曲率半径较小，从而导致p1出现两个较大峰值。在周期性较大接触应力的反复作用下，将引起两个工作表面出现较快的磨损，降低凸轮的使用寿命。动力学仿真结果说明，该机构还需进一步优化结构，以降低凸轮与滚轮的接触应力。

研究发现[15]，通过增加一个摇臂来实现气门升程的连续可变，是一种比较常用的方法，但这种结构会导致凸轮与滚轮接触法向力增大；由于受到接触宽度和曲率半径的限制，相应的接触应力也会增大。这是此类CVVL机构共同存在的问题，需要优化中间摇臂的结构来减小其摇臂比，但是这种方法的优化空间较小，可能还需要结合材料选用以及热处理工艺，共同寻找解决方案。

图11 凸轮曲率半径与法向力

4 结论

a) 设计的CVVL机构的气门升程可在0～9.5 mm连续可变，气门没有出现反跳，动力学性能良好；

b) 设计的凸轮型线及计算的中间摇臂型线满足气门升程要求，且在所有气门升程下，气门落座速度均为0.29 m/s，气门具有相同的开启和落座缓冲段；

c) 凸轮与滚轮最大接触应力为1 322 MPa，略大于1 300 MPa，分析了应力较大的原因，并指出此类CVVL机构接触应力的优化方向。

[1] 胡顺堂，谢辉，陈韬,等. 可变进气门升程对汽油机泵气损失的控制及燃烧过程的影响[J].燃烧科学与技术，2011(1)：29-34.

[2] Ha K，Han D，Kim W.Development of Continuously

Variable Valve Lift Engine[C].SAE Paper 2010-01-1187.

[3] Tong S，Li X，Liu S， et al.Effect of Two-Stage Valve Lift for Fuel Economy and Performance on a PFI Gasoline Engine[C].SAE Paper 2014-01-2874.

[4] 张华，吕世亮，李冲霄,等.连续可变气门升程汽油机的试验研究[J].车用发动机，2013(2)：62-63.

[5] Stephan S，Din W，Gerd K.Fully Variable Valve Train and Variable Compression Ratio[J].MTZ，2009,70：8-12.

[6] David C，Gerald S.Unthrottled Engine Operation with Variable Intake Valve Lift Duration and Timing[C].SAE Paper 2007-01-1282.

[7] Hermes Fernandez.Development of Continuously Variable Valve Lift Mechanism for Improved Fuel Economy[C].SAE Paper 2012-01-0163.

[8] 武涛，张华，高兢，等.连续可变升程气门机构的试验研究[J].上海汽车，2010(7)：38-44.

[9] 徐涛，詹樟松，吴学松,等.可变气门升程技术现状及发展趋势[J].内燃机，2013(6)：3-5.

[10] Johann S，Rainer D.BMW V8 Gasoline Engine with Turbocharging Direct Injection and Fully Variable Valve Gear[J].MTZ，2013,74：20-25.

[11] Shinichi Takemura，Shunichi Aoyama，Seinosuke Hara，et al.A study of a multiple-link continuously variable valve event and lift(VVEL) system[C].SAE Paper 2008-01-1719.

[12] Ha K.Development of Nu 2.0 L CVVL Engine[C].SAE Paper 2014-01-1635.

[13] 王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.

[14] Wayne M，Matthew F，Kevin H.Engine Efficiency Improvements Enabled by Ethanol Fuel Blends in a GDi VVA Flex Fuel Engine[C].SAE Paper 2011-01-0900.

[15] Flierl R，Lauer F.Mechanically Fully Variable Valvetrain and Cylinder Deactivation[J].MTZ，2013,67：50-57.

[编辑： 姜晓博]

Dynamic Simulation of Continuous Variable Valve Lift Mechanism

ZHANG Zonglan1， XIONG Rui1， WU Jian1,2， ZHOU Xin1， ZENG Enshan1

(1. School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China；2. Automotive Engineering Institute， GAC， Guangzhou 510640， China)

A continuous variable valve lift (CVVL) mechanism was designed and the valve lift could be adjusted in 0～9.5 mm. The cam profile and middle rocker profile for CVVL mechanism were designed and calculated. The dynamic simulation was carried out for the mechanism by using GT-Power. The results showed that the valve had the same buffer zone for opening and closing within the largest lift and had good dynamic performance. However, the contact stress between cam and roller was a little large. The reason for the large contact stress was analyzed and the optimization strategy was pointed out.

continuous variable valve lift(CVVL)； cam profile； dynamics； simulation

2015-09-05；

2015-12-22

国家自然科学基金项目(51405087)

张宗澜(1986—)，男，硕士，主要研究方向为汽车节能与排放控制；13760720078@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.01.006

TK413.43

B

1001-2222(2016)01-0033-04