【文章內(nèi)容簡介】 配氣正時(shí)恰當(dāng)。與此同時(shí)，配氣機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力性能，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音較小，不發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊磨損等現(xiàn)象，這就要求配氣機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件具有良好的運(yùn)動(dòng)加速度變化規(guī)律，以及合適的正、負(fù)加速度值。隨著汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對配氣機(jī)構(gòu)也提出了更高的要求，其相關(guān)新技術(shù)也得到了發(fā)展。 現(xiàn)代汽車配氣機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀隨著內(nèi)燃機(jī)高功率、高速化發(fā)展，人們對其性能指標(biāo)的要求更高，這給配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及制造工藝增加了難度。目前廣泛采用的是氣門－凸輪式配氣機(jī)構(gòu)，它具有保證氣缸密封性的優(yōu)點(diǎn)。配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)研究內(nèi)容歸納起來主要有兩個(gè)方面，一方面是零部件的設(shè)計(jì)，包括凸輪型線，氣門搖臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，氣門彈簧及氣門等零部件的設(shè)計(jì)，其中又以凸輪型線的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，這是因?yàn)橥馆喿鳛檎麄€(gè)機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件，它直接控制整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。另一方面是機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題，而對于機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的研究，又主要集中在氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上。國外對配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)模型、摩擦及配氣相位和可變氣門正時(shí)等的研究有一些報(bào)道。國內(nèi)也在致力于研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱副的動(dòng)力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等問題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）設(shè)計(jì)了許多性能優(yōu)良的凸輪型線；（2）配氣機(jī)構(gòu)由剛性設(shè)計(jì)發(fā)展為彈性設(shè)計(jì)；（3）由孤立研究凸輪設(shè)計(jì)發(fā)展到配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)燃機(jī)配氣凸輪的研究已經(jīng)涉及到配氣機(jī)構(gòu)性能的各個(gè)方面，包括型線、挺柱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、氣門振動(dòng)模型、挺柱與凸輪的接觸應(yīng)力、摩擦應(yīng)力等。在研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱副的動(dòng)力潤滑、非對稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等方面上，國內(nèi)外都有很大的發(fā)展。 配氣凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì)方法配氣凸輪是影響配氣機(jī)構(gòu)工作狀況的關(guān)鍵零件，如何設(shè)計(jì)和加工出具有合理外形的凸輪軸是整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的問題。對內(nèi)燃機(jī)氣門通過能力的要求，實(shí)際上是對由凸輪外形所決定的氣門位移規(guī)律的要求，氣門開閉迅速就能增大時(shí)面值，但這將導(dǎo)致氣門機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的加速度和慣性負(fù)荷增大，沖擊、振動(dòng)加劇，機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性變差。因此，對氣門通過能力的要求與機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性的要求間存在一定矛盾，應(yīng)視所設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速、性能要求、配氣機(jī)構(gòu)剛度大小等，主要在凸輪外形設(shè)計(jì)中兼顧解決。配氣凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)就是在確保配氣機(jī)構(gòu)能可靠工作的前提下尋求最佳的凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)。凸輪型線的設(shè)計(jì)己從靜態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)展到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖圖2 分別為雙質(zhì)量運(yùn)動(dòng)學(xué)模型與多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形，可更精確地描述配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力情況，并統(tǒng)一考慮機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)與凸輪型線，從而實(shí)現(xiàn)凸輪型線優(yōu)化設(shè)計(jì)。 靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將配氣機(jī)構(gòu)看作絕對剛體，不考慮它在運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈性變形。用靜態(tài)方法設(shè)計(jì)的圓弧凸輪，容易引起較大的振動(dòng)和噪音。轉(zhuǎn)速增高時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生飛脫和反跳，不僅加劇了內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)、噪音和零件間的磨損，還會(huì)使充氣性能有所下降。 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮彈性變形，把配氣機(jī)構(gòu)看作是彈性系統(tǒng)。用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的凸輪有多項(xiàng)動(dòng)力凸輪、正弦拋物線凸輪、n 次諧波凸輪等。多項(xiàng)動(dòng)力凸輪從彈性變形角度出發(fā)設(shè)計(jì)凸輪外形，未考慮配氣機(jī)構(gòu)的彈性振動(dòng)，沒有從根本上解決配氣系統(tǒng)的振動(dòng)等問題。動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然考慮了配氣機(jī)構(gòu)的彈性變形和振動(dòng)問題，但僅僅只是單純地設(shè)計(jì)凸輪，沒有從整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀況出發(fā)，未明確指出配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)和凸輪型線之間有系統(tǒng)優(yōu)化問題，有一定的局限性?，F(xiàn)在己出現(xiàn)針對系統(tǒng)優(yōu)化的模型，將凸輪型線與配氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為統(tǒng)一考慮。這種模型較為全面地評(píng)價(jià)了對配氣系統(tǒng)的各種要求，達(dá)到了較好的效果。 簡化閥系雙質(zhì)量運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 配氣機(jī)構(gòu)多自由度動(dòng)力學(xué)模型 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)將配氣凸輪型線與配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)（剛度和質(zhì)量）統(tǒng)一考慮在內(nèi)，進(jìn)行凸輪型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。配氣凸輪型線、凸輪轉(zhuǎn)速和配氣機(jī)構(gòu)參數(shù)之間有一個(gè)最優(yōu)化匹配關(guān)系，即系統(tǒng)優(yōu)化問題。而實(shí)際上配氣機(jī)構(gòu)剛度、質(zhì)量和凸輪型線的試驗(yàn)成本太高，進(jìn)行多方案研究成本更高，就出現(xiàn)了用單質(zhì)量模型及其它各種動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了計(jì)算。為了使動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)際相符，先用試驗(yàn)結(jié)果考核動(dòng)力學(xué)模型，待兩者得到的結(jié)果相近后，才做匹配和優(yōu)化計(jì)算。3 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)采用的技術(shù)主要有以下三方面。 頂置凸輪軸技術(shù)氣門－凸輪式配氣機(jī)構(gòu)具有保證氣缸密封性的優(yōu)點(diǎn)，尤其是進(jìn)排氣門能夠持久地保證燃燒室的密封性，四沖程內(nèi)燃機(jī)大多采用氣門—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)。氣門—凸輪式配氣機(jī)構(gòu)按氣門布置分為側(cè)置氣門和頂置氣門機(jī)構(gòu)。頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)，內(nèi)燃機(jī)的充氣系數(shù)較高，燃燒室比較緊湊，內(nèi)燃機(jī)有較好的性能指標(biāo)，是側(cè)置氣門機(jī)構(gòu)所不能達(dá)到的，故側(cè)置氣門機(jī)構(gòu)己被淘汰。頂置氣門配氣機(jī)構(gòu)又由凸輪軸的放置位置分成凸輪軸下置型和頂置凸輪軸型。絕大部分柴油機(jī)采用凸輪軸下置型，但這種機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力和振動(dòng)及噪聲，消耗較大的動(dòng)力。目前的趨向是把凸輪軸放在氣門上方，省去了推桿、挺柱，稱頂置凸輪軸型（OHC）；還有些機(jī)構(gòu)將頂置凸輪軸放在氣門室罩里，凸輪直接作用于氣門上，這種機(jī)構(gòu)省去了搖臂，高速時(shí)氣門工作良好，零件慣性力極小，工作平穩(wěn)。頂置凸輪軸型（OHC）又可分成SOHC 型和DOHC 型。前者只用一根凸輪軸來驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門；而后者采用兩根凸輪軸來分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣門。這種結(jié)構(gòu)適用于進(jìn)、排氣門呈v 形排列的內(nèi)燃機(jī)。凸輪軸的傳動(dòng)類型有三種：正時(shí)齒輪傳動(dòng)、正時(shí)鏈輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)。其中，正時(shí)齒輪傳動(dòng)主要用于要求長壽命和大載荷的內(nèi)燃機(jī)，如船用、商用車和賽車內(nèi)燃機(jī)；正時(shí)鏈輪傳動(dòng)，廣泛應(yīng)用于轎車內(nèi)燃機(jī)，一般來說，它比正時(shí)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪音?。候?qū)動(dòng)帶傳動(dòng)或齒形帶傳動(dòng)是最新出現(xiàn)的傳動(dòng)方式，主要用于頂置凸輪軸內(nèi)燃機(jī)上。 多氣門技術(shù) 配氣機(jī)構(gòu)的最新發(fā)展是改善燃料經(jīng)濟(jì)性，其關(guān)鍵在于如何提供更多的新鮮空氣，多氣門內(nèi)燃機(jī)很早就已經(jīng)出現(xiàn)了，但僅用于賽車，目的是減輕排氣門的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，但并未能在內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)得到推廣。意大利布加奇公司首先創(chuàng)出具有四個(gè)排氣門和一個(gè)進(jìn)氣門的內(nèi)燃機(jī)。促進(jìn)多氣門內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)量迅速提高的原因在于自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和生產(chǎn)的工藝水平越來越高，可以充分發(fā)揮多氣門配氣方案的優(yōu)越性，保證內(nèi)燃機(jī)在整個(gè)負(fù)荷和速度范圍內(nèi)形成最佳混合氣，并適時(shí)適度送入氣缸。多氣門內(nèi)燃機(jī)優(yōu)點(diǎn)很明顯，如圖3 用2 個(gè)進(jìn)氣門取代1個(gè)進(jìn)氣門，流通截面加大30%～35%以上，可大大改進(jìn)充氣系數(shù)。因此，多氣門內(nèi)燃