摘要:為滿足日益嚴(yán)苛的油耗和排放法規(guī)，汽車廠商開始大量采用新技術(shù)以降低汽車油耗和尾氣排放物。作為節(jié)能新技術(shù)之一，閥系停缸機構(gòu)是一套利用復(fù)雜搖臂控制部分工況氣門常閉的裝置，通過氣門常閉實現(xiàn)部分汽缸的停缸功能。該機構(gòu)存在兩種狀態(tài)，即工作狀態(tài)和停缸狀態(tài)。本文使用Simpack軟件完成某四缸機閥系停缸機構(gòu)兩種狀態(tài)的動力學(xué)仿真，確定該機構(gòu)的動力學(xué)可靠性滿足要求，并對搖臂鎖銷間隙帶來的氣門升程影響進行了比較。

關(guān)鍵詞: 節(jié)能新技術(shù), 閥系停缸機構(gòu), 動力學(xué)仿真

1  引言

閥系停缸機構(gòu)能夠讓車輛在需求扭矩較低時使汽油機工作在最佳油耗區(qū)，在減少缸內(nèi)燃燒熱量損失的同時也能夠降低閥系摩擦損失。根據(jù)車型、停缸數(shù)量和工況匹配的不同，一般可以節(jié)油2%~5%。由于關(guān)鍵零件搖臂的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其體積相對傳統(tǒng)搖臂增加明顯，并且為了實現(xiàn)停缸需要額外的油路控制搖臂鎖銷的動作，所以閥系停缸機構(gòu)的運用對缸蓋的布置提出了嚴(yán)格的要求，這在缸蓋設(shè)計上是一個挑戰(zhàn)。此外，出于成本的考慮一般選擇部分缸停缸，所以實際產(chǎn)品上會同時出現(xiàn)傳統(tǒng)搖臂和停缸搖臂的使用。本文只針對停缸搖臂進行分析。

停缸搖臂的結(jié)構(gòu)見圖1，其存在兩種運動狀態(tài)：

①     工作狀態(tài)，鎖銷鎖止，滾子部分與搖臂體固接，當(dāng)凸輪驅(qū)動滾子運動時，搖臂整體繞液壓挺桿球頭作旋轉(zhuǎn)運動，滾子部分與搖臂體共同作用壓迫氣門運動。

②     停缸狀態(tài)，鎖銷脫開，滾子部分與搖臂體由固接變?yōu)榕せ蛇B接，當(dāng)凸輪驅(qū)動滾子運動時，滾子部分繞氣門側(cè)的鉸接點作旋轉(zhuǎn)運動，此時氣門保持靜止。

  圖1.  停缸搖臂結(jié)構(gòu)

在動力學(xué)分析中，通過關(guān)注零部件的位移和受力來判斷機構(gòu)是否存在可靠性風(fēng)險。對于閥系機構(gòu)，一般可能存在的可靠性風(fēng)險有：零部件飛脫、氣門反跳、彈簧并圈等。

2  動力學(xué)模型

使用Simpack軟件對搖臂結(jié)構(gòu)進行了詳細(xì)建模，主要涉及扭簧、氣門側(cè)鉸接點和鎖銷接觸的模擬。其他零件，凸輪、液壓挺桿、氣門、氣門彈簧、氣門導(dǎo)管以及座圈在模型中都進行了模擬。

圖 2.  閥系停缸機構(gòu)仿真模型

3  仿真工況

根據(jù)該汽油機的設(shè)計目標(biāo)，汽油機的轉(zhuǎn)速范圍為800~5500rpm，即閥系停缸機構(gòu)工作狀態(tài)時的轉(zhuǎn)速范圍是800~5500rpm；整機油耗仿真反饋汽油機轉(zhuǎn)速在1000~4000rpm時停缸油耗最優(yōu)，因此閥系停缸機構(gòu)停缸狀態(tài)時轉(zhuǎn)速范圍為1000~4000rpm。閥系工作時高轉(zhuǎn)速工況風(fēng)險大于低速工況，因此，動力學(xué)仿真工況如表1所示。

表1.動力學(xué)仿真工況

 

4  仿真工況

閥系動力學(xué)分析結(jié)果主要關(guān)注氣門升程、凸輪力、液壓挺桿力和氣門落座力。其他結(jié)果如驅(qū)動扭矩、赫茲應(yīng)力以及搖臂擺角等也可以作為特定分析需求的評估參考。

閥系機構(gòu)工作狀態(tài)動力學(xué)結(jié)果

閥系機構(gòu)工作狀態(tài)時，搖臂鎖銷鎖止，搖臂滾子及其支撐部件與搖臂本體形成一個整體，當(dāng)凸輪驅(qū)動搖臂滾子，那么搖臂整體繞液壓挺桿球窩旋轉(zhuǎn)，通過搖臂弧面推動氣門運動。該過程由于搖臂慣量相對傳統(tǒng)搖臂增加很多，所以容易發(fā)生搖臂接觸飛脫的情況。                          

圖 3.  閥系機構(gòu)工作狀態(tài)分析結(jié)果

閥系機構(gòu)工作狀態(tài)分析結(jié)果顯示：

①  氣門升程無異常，關(guān)閉后未發(fā)現(xiàn)反跳的情況；

②  凸輪力在氣門關(guān)閉后存在為0的情況，但持續(xù)時間極短（2CA），可以接受；

③  液壓挺桿受力時刻大于0，液壓挺桿與搖臂接觸良好，無飛脫發(fā)生；

④  氣門落座力在氣門關(guān)閉后存在為0的情況，但持續(xù)時間極短（2CA），可以接受。

閥系機構(gòu)停缸狀態(tài)動力學(xué)結(jié)果

閥系機構(gòu)停缸狀態(tài)時搖臂鎖銷脫開，凸輪驅(qū)動搖臂中間滾子及其支撐結(jié)構(gòu)繞氣門側(cè)鉸接點作旋轉(zhuǎn)運動。在滾子旋轉(zhuǎn)運動過程中，液壓挺桿和氣門仍然會承受一定的載荷，當(dāng)載荷過大或過小時極易發(fā)生氣門頂開或搖臂飛脫的情況。所以停缸狀態(tài)需要重點關(guān)注液壓挺桿和氣門的受力。

圖 4.  閥系機構(gòu)停缸狀態(tài)分析結(jié)果

閥系機構(gòu)停缸狀態(tài)分析結(jié)果顯示：

①  氣門無明顯升程，表明氣門密封較好；

②  凸輪力時刻大于0，即凸輪與搖臂滾子接觸良好，無飛脫發(fā)生；

③  液壓挺桿受力時刻大于0，液壓挺桿與搖臂接觸良好，無飛脫發(fā)生；

④  氣門落座力時刻大于0，氣門與座圈接觸良好，無頂開或反跳發(fā)生。

閥系驅(qū)動扭矩

閥系機構(gòu)在停缸狀態(tài)時只需克服搖臂扭簧的載荷，節(jié)省了驅(qū)動氣門機構(gòu)所需的扭矩，所以只要搖臂扭簧設(shè)計合理能夠明顯降低閥系的驅(qū)動扭矩。圖5是發(fā)動機轉(zhuǎn)速3000rpm的閥系驅(qū)動扭矩仿真結(jié)果，停缸狀態(tài)的閥系驅(qū)動扭矩明顯小于工作狀態(tài)的驅(qū)動扭矩。

圖5. 閥系機構(gòu)不同工作狀態(tài)的驅(qū)動扭矩

搖臂鎖銷間隙對氣門升程的影響

分析中考慮了不同搖臂鎖銷間隙輸入計算氣門升程，計算結(jié)果如圖6，升程主要差異點出現(xiàn)在開啟和關(guān)閉初期以及氣門最大升程附近，進氣側(cè)與排氣側(cè)的最大升程差值相同，最大升程差值為搖臂鎖銷間隙差值與搖臂比的乘積（搖臂比1.7）。

圖 6.  不同搖臂鎖銷間隙的氣門升程

氣門升程差異直接關(guān)系到汽油機的性能扭矩，將不同搖臂鎖銷間隙對應(yīng)的氣門升程曲線輸出給發(fā)動機性能仿真，仿真結(jié)果如圖7和圖8，全轉(zhuǎn)速工況下大間隙對應(yīng)的外特性扭矩要高于小間隙的外特性扭矩，最大差值百分比約5%。

圖 7.  發(fā)動機外特性扭矩

圖 8.  發(fā)動機外特性扭矩變化率

5  總結(jié)

本文在對某四缸機型的閥系停缸機構(gòu)進行動力學(xué)分析后，仿真結(jié)果中未出現(xiàn)飛脫和反跳的情況，表明該閥系機構(gòu)可靠性滿足動力學(xué)要求。此外，通過對比閥系驅(qū)動扭矩，確認(rèn)了該閥系機構(gòu)在停缸狀態(tài)下的驅(qū)動扭矩要明顯小于工作狀態(tài)的驅(qū)動扭矩，能夠有效降低閥系摩擦損失。最后，在對搖臂鎖銷間隙對氣門升程的影響分析時發(fā)現(xiàn)，不同鎖銷間隙值氣門升程的差異點主要在氣門開啟和關(guān)閉初期以及最大升程附近，升程最大差值為鎖銷間隙差值與搖臂比的乘積；性能仿真結(jié)果顯示搖臂鎖銷大間隙時的外特性扭矩要高于小間隙時的外特性扭矩，說明搖臂鎖銷間隙會增加發(fā)動機的扭矩散差，這也間接體現(xiàn)了搖臂鎖銷間隙設(shè)計的重要性。

本文來自長安汽車動力研究院SIMULIA2018年用戶大會論文