一种凸轮直驱式气门连续可变升程机构的设计

1 引言

汽车作为人们日常生活中重要的出行工具，给人们生活带来了很大的便利。随着社会经济的发展，国内汽车行业迅猛发展，2021年1至11月国内累计汽车生产2317.2万辆

，其中燃油车占比87%，尽管新能源汽车的发展势头很猛，但是传统燃油发动机依然是主流汽车的首选目标，且随着科技的飞速发展，传统发动机依然还有很大的发展空间。由于日益严格的排放以及油耗法规要求，各大汽车公司正开发各种各样的发动机相关技术以提高发动机的综合性能，例如增压、缸内直喷、可变气门正时(VVT)、连续可变气门升程(CVVL)、米勒循环、废气再循环、高压缩比等

。其中CVVL技术可以使汽油机在高速区和低速区都可获得需求的气门升程，从而能够提高汽油机的动力性、改善燃油经济性，并可以降低汽车尾气排放，目前是汽油机最有发展前景的技术之一。

多年来国外各大汽车公司不断发展CVVL技术，例如2000年宝马的Valvetronic系统、2007年日产的VVEL系统、2008年丰田的Valvematic系统、2009年菲亚特的Multi-Air系统等等。但国内对于CVVL技术的研究起步较晚，与国外相比有一定的差距，目前在国内汽车自主品牌中，仅长城汽车在2019年推出首款商业化的CVVL系统。目前市面上CVVL技术主要应用于中高端的车型上，可见CVVL技术的应用门槛很高，且依然存在一些难题，但是随着国内外汽车厂家研发投入的不断增加，CVVL技术仍然具有较高的发展潜力。

因此，本文首先简述了可变气门升程技术的原理以及在汽油机上的实现方式，然后提出一种用于实现汽油机气门升程连续可变的凸轮直接驱动式配气机构，可以对提高汽油机的热效率、改善汽油机的综合性能、实现节能减排有着指导意义。

2 汽油机中可变气门升程实现方式简述

发动机气门的升程即气门完全开启时相比气门关闭时，气门沿轴向的位移，表明气门的最大开启程度。如图1(a)所示，传统的发动机气门结构简单，由单一角度凸轮和单一种类摇臂构成，故发动机在运行过程中气门升程是固定的。研究表明，发动机的功率损失主要来自于发动机进气以及排气过程导致的功率损失，传统发动机为了尽可能兼顾汽车所有的运行工况，气门升程的大小通常是折中选择，因而在汽车动力需求较低时，发动机处于低速区，此时气门的升程偏大，导致发动机的经济性变差。而在汽车动力需求较高时，发动机处于高速区，此时气门升程偏小，导致发动机动力性不佳。为了改善这种情况，气门升程可变技术应运而生。

2006～2016年，内江市环境监测中心站和隆昌市环境监测站对古宇庙水库饮用水取水口进行了水质监测，监测项目包括《地表水环境质量标准》(GB3939—2002)表1中的24项地表水环境质量基本项目及根据《水和废水监测分析方法》(第四版)监测分析的叶绿素a和透明度。

电液式连续可变气门升程结构是通过液压驱动进气门的方式来改变气门升程，以菲亚特的Multi-Air系统为代表

，如图2(b)所示，该系统由高压电磁阀、储能器、供油活塞、挺柱、凸轮轴等机构组成。Multi-Air系统首次打破了传统汽油机气门的滚轮摇臂加上液压机械调节器结构，并取消了汽油机的进气凸轮和节气门，只保留了排气凸轮，使得电液式系统的结构相对简单。Multi-Air系统工作原理是根据汽车不同运行工况，控制单元接收到信号后，直接通过电磁阀驱动液压油，改变液压腔内的油压和油的体积来实现气门的升程连续可变。实现方式为：高压电磁阀接收到电子控制单元的信号后，立即向液压腔内充入液压油，根据运行工况调节液压腔内的油压和油体积，动作完成后关闭电磁阀，气门升程发生变化，此时由于预紧弹簧的作用，进气门保持关闭。当排气凸轮开始工作后，排气凸轮转动可以驱动供油活塞内的液压油，使得进气门跟随运动。与传统汽油机相比，Multi-Air系统可以在降低10%的燃油消耗率的同时，提高了15%的最大扭矩和10%的最大功率。电液式连续可变气门升程可变结构改进了电机械式系统的结构复杂、机动性差等缺点，取消了进气凸轮和节气门后，电液控制系统更为灵活精准，且大大提高了发动机的响应速度。但是缺点是由于每个气缸的进气门处都需设立一套液压机构，成本高。同时该技术受液压油的影响较大，液压油存在泄漏的风险，并且环境温度的变化会导致液压油的含气量、粘度以及流动特性发生变化，使得控制极为复杂，可靠性低，这些因素极大的限制了电液式连续可变气门升程可变结构的推广。

不稳定性心绞痛(unstable angina pectoris)为冠心病的一种重要分型,临床表现上介于劳累性稳定型心绞痛与急性心肌梗死和猝死之间,若治疗不及时,随时有心肌梗死甚至猝死的危险。目前临床上西医常见治疗以钙离子拮抗剂、口服阿司匹林、硝酸酯类等抗凝、抗血小板聚集、改善心肌供血、降低心肌耗氧量等药物治疗为主[1],近年来研究显示,中西医结合治疗本病优越性较好。复方丹参滴丸是中成药中治疗冠心病的代表药物之一,将其与常用西药联用是否可提高疗效尚不可知。为此本文选取老年不稳定型心绞痛患者64例,分析中西联用治疗效果,报告如下:

相较于其他发动机技术，气门升程可变技术发展较为缓慢。在20世纪80年代，国外本田公司首先研发出VTEC系统实现了分段式气门可变升程，如图1(b)所示，该系统是一个凸轮切换机构，由两种不同角度凸轮和两种不同摇臂组成，当发动机处于中低转数工况时(低于4500rpm)，采用低转数凸轮；当发动机处于高转数工况时(高于4500rpm)，VTEC系统切换为高转数凸轮，类似于阶跃响应，随后发动机的动力会爆发出来，产生强大的后加速阶段。早期的VTEC系统只能实现气门升程的两段式可调，2002年后，本田改进了技术，实现了气门升程三段式可调，发动机的性能也得到了很大的提高。随后各大公司也纷纷推出各自的气门升程可变系统，例如奥迪的AVS、保时捷的CariocamPlus等系统。虽然这些系统只能实现汽油机气门升程的分段式可调，还不能充分发挥发动机的性能，但是分段式可调技术的出现极大的推动了气门升程可变系统的发展。

电机械式连续可变气门升程结构是通过纯机械的驱动方式来改变气门的升程，以宝马公司的Valvetronic系统为代表

，如图2(a)所示，该系统由电机、蜗杆、涡轮、偏心轴、摇臂、中间推杆、进气凸轮轴等机构组成，这是世界上第一个取消了汽油机节气门并商用化的技术。该系统保留了传统汽油机的滚轮摇臂加上液压机械调节器，并增加了一个过渡摇臂装置，中间推杆的顶部滚轮始终与偏心凸轮保持接触。该系统的工作原理是通过改变系统的摇臂比，从而连续调节气门的升程。实现方式为：控制单元发出信号后，电机驱动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮上偏心轴在0-170度范围内的转动，从而改变偏心轴上偏心凸轮的转动角度，调整摇臂的摆动中心。当偏心凸轮的基圆与摇臂的顶部滚轮接触时，汽油机可获得最小的气门升程；当偏心凸轮的工作圆弧与摇臂接触时，可获得最大的气门升程。Valvetronic系统使汽油机在不改变进气凸轮的情况下，实现气门升程在一定范围内的无极可变，系统的优点是响应速度快，且相较于传统汽油机，可以降低10%的燃油消耗率，有效的提升了汽车的燃油经济性。但是Valvetronic系统存在机械结构复杂，机动性差，可靠性低，成本较高等问题，且需要配合宝马公司专门设计的VANOS可变气门正时系统，才能满足发动机的全工况运行。另外一款日产的VVEL电机械式连续可变气门升程系统，也是通过改变摇臂旋转中心的方式连续改变气门升程，虽取消了扭簧等回位结构，但依然存在结构复杂、成本高等问题，这些因素限制了电机械式连续可变气门升程结构的广泛应用。

随着各大汽车公司以及高校研发的不断投入，人们研究出了气门升程连续可变系统，相较于分段式升程可变系统，CVVL技术可以通过连续改变气门升程、开启持续期和气门正时来控制发动机的进气量以及负荷，极大地降低了汽油机的泵气损失，从而提高了热效率。随着CVVL技术不断发展，目前市场上主要存在两种结构形式，分别是电机械式连续可变气门升程结构和电液式连续可变气门升程结构。

由于很多学生都是独生子女，长期受到父母和长辈的溺爱，存在严重的叛逆心理，主观意识较强，不愿意受到管束，许多学校由于受传统教育及管理思想的影响，在学生犯下错误需要进行管理的时候，更多的是进行训斥，缺少正常沟通，一味说教，挫伤了学生的自尊心，导致学生在违反校规校纪时，对学生的管理只会适得其反，对教师产生厌恶，直接导致学习成绩下降。大多数的管理制度都太系统化，导致学生和学校的矛盾纠纷越来越多。因此，管理制度应该坚持以人为本，以人为本的制度理念可以增加学生的学习自主性，构建良好的校园风气，为校园发展提供正能量。

3 一种用于凸轮直驱式气门的升程连续可调机构

通过对分段式可变、电机械式连续可变和电液式连续可变气门升程技术的实现方式简述以及对比，可以发现，CVVL技术相较于分段式气门升程可变技术，虽然存在成本高，可靠性低等缺点，但是可以实现更加灵活的气门升程控制，在改善汽油机的燃油经济性以及提高动力性方面有着明显的优势，发展潜力也更大。故针对CVVL技术设计一种用于凸轮直驱式气门的升程连续可调机构，以改善CVVL技术目前存在的缺陷。

（3）态势评估：根据已经确定的指标体系，定性定量的分析网络当前的安全状态，寻找薄弱环节，并给出相应的解决方案。

3.1 机构的结构组成

本文设计的气门连续可调机构为电机械式连续可变气门升程结构。如图3所示，由电机、主动齿轮、从动齿轮、蜗杆、滑块、基圆轮、凸轮轴等机构组成，保留传统汽油机气门调节结构的同时，在气门与凸轮轴之间设计了一个升程调节机构，该机构集成在气门内。在凸轮两侧设计有对称基圆轮，直径与凸轮的基圆直径相等，用于避免气门冲击，保证在任何气门升程下该配气机构能够平稳运转。蜗杆与从动齿轮固联以保证力的传递，滑块内侧的螺纹与蜗杆啮合以实现滑块的轴向运动。设计的机构中使用的凸轮轴虽然相比于传统汽油机的凸轮轴增加了基圆轮，但凸轮轴制造方式没有变化，因而不会明显增加这方面的成本。该装置比起目前市场上主流的商用化连续可变气门升程产品，结构更加简单紧凑，传动稳定性高，工作更为可靠，成本也足够低廉。相较于宝马Valvetronic系统的电机械式结构，省去了大量机械杆件，反应更快，可以很好地适配高转速发动机，也不会存在电液式机构的泄漏液压油等问题，后期修护方便

。

3.2 机构的工作原理

设计的机构工作原理为：当发动机的转数发生变化时，ECU单元发出信号，通过驱动电机带动主动齿轮旋转，主动齿轮带动从动齿轮转动，实现了单级减速，同时可以放大电机的驱动扭矩。和从动齿轮固连的蜗杆与从动齿轮同步旋转，从而带动与蜗杆通过螺纹啮合的滑块沿着滑槽做直线运动，滑块上表面与凸轮轴上的凸轮接触，进而可以改变气门升程。因此通过控制滑块沿滑槽的上下运动，改变滑块的相对位置即可实现无级调节气门的升程。此外，凸轮两侧设计的基圆轮，与连续升程调节机构外壳的上表面接触，可以保证配气机构传动平稳，避免了冲击。图4为汽油机气门完全开启时机构的状态，如图4(a)所示，滑块在电机驱动下沿着滑槽运动至最高点，即滑块上表面与升程调节机构的上表面齐平，此时气门升程达到最大值。图4(b)为滑块在电机驱动下运动至最低点，滑块下表面与升程调节机构下表面接触，此时气门升程达到最小值。

4 结语

本文先介绍了市场上主流的可变气门升程机构的结构以及实现方式，发现CVVL系统作为汽油机最有前景的技术之一，这些系统目前普遍存在结构复杂、成本高、维护难等问题，故本文在此基础上提出了一种用于凸轮直驱式气门的连续可调机构。保留汽油机原有配气机构的同时，仅在气门与凸轮轴之间增加了一个升程调节机构，相较于市场上已广泛使用的CVVL产品，该机构结构更加简单紧凑、成本较低、响应速度快、可靠性高以及维护方便，在提高汽油机动力性的同时能够实现节能减排。本文的设计可以为汽油机CVVT技术的发展提供指导作用。

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