基于多连杆机构的连续可变气门驱动装置设计

屈小贞，陈双

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

基于多连杆机构的连续可变气门驱动装置设计

屈小贞，陈双

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

文章介绍了一种连续可变气门驱动装置，通过在第一凸轮与挺杆之间加装一套多连杆机构。该多连杆机构由减速电机控制其偏心套筒轴心位置变化而改变其自身几何形状，进而改变第二凸轮型线与挺杆之间的接触位置。最终实现气门升程和气门相位的连续可变，以满足发动机不同工况下的行车需求。

可变气门；多连杆；第二凸轮；气门升程

Abstract:In this paper, a continuously variable valve actuation is presented. A multi-linkage mechanism acts between the first cam and tappet. The geometry of the multi-linkage mechanism is actuated by the gear motor controlling the axle position of offset bushing, and then the contact position between the second cam and tappet is varied. The continuously variable valve lift and valve phase is obtained to satisfy the demand of engine under different working conditions.

Keywords: Variable valve; Multi-linkage; Second cam; Valve lift

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-58-03

前言

传统发动机气门机构是将气门升程及气门持续开启时间设计为定值，只能保障发动机在某一特定转速下才处于最佳配气状态，兼顾了发动机低速时的稳定性和高速时的动力性。而可变气门机构是根据发动机的不同工况而选择最佳气门升程来控制进入气缸内的气体体积，使气门升程和相位始终处于理想状态，兼顾到发动机低负荷时的燃油经济性和高负荷时的动力性[1-2]。在低负荷时，利用较小的气门升程，减小充气过程中进排气的相互影响，使气门流过的气流速度较快，进而改善燃烧过程，达到有效控制排放[3]；在高负荷时，利用较大的气门升程，提高充气效率，改善发动机的动力性。

目前市场上非连续可变气门升程装置的气门升程单一，不能兼顾发动机的大部分工况，节油效果不明显。而现有的连续可变气门升程装置多数结构较为复杂，对发动机缸盖的设计要求难度较大，且气门升程调节过程不易控制。因此，本文设计了一种新型连续可变气门装置，其结构较为简单、稳定性好，易于装配在发动机中实现气门升程及相位的连续可控。

1 连续可变气门驱动装置的结构设计

一种新型连续可变气门驱动装置的结构布置如图 1所示。该连续可变气门驱动装置是基于传统直动式气门机构，在第一凸轮与挺杆之间加装一套多连杆机构实现的。如图 2所示的多连杆机构是由连杆、摆臂、第二凸轮等部件构成的。该多连杆机构是由减速电机控制其偏心套筒轴心位置变化而改变其自身几何形状，进而改变第二凸轮型线与挺杆的接触位置。

结构图1中所示的凸轮轴和控制轴固定在汽缸盖中保持位置不变。当第一凸轮随凸轮轴转动时，第一凸轮驱动多连杆机构中的连杆摆动，多连杆机构中的连杆通过摆臂及滚子轴承结构驱动第二凸轮摆动，再由摆动的第二凸轮驱动挺杆上下运动，进而实现气门的开启和闭合。

多连杆机构中的摆臂与第二凸轮的一端铰接，连杆顶部与摆臂的顶部铰接，在铰接点处设置有销，使连杆能够绕着销相对与摆臂旋转。连杆上端与摆臂上端通过销连接，连杆随第一凸轮转动时绕销在一定范围内摆动。当第一凸轮的凸起沿逆时针方向转过连杆接触面时，连杆在扭转弹簧的作用力下会随第一凸轮型线逐渐恢复到初始位置。

图1 连续可变气门驱动装置的结构布置图

图2 多连杆机构

依据该连续可变气门驱动装置中多连杆机构的结构特征，为满足第二凸轮随第一凸轮转动时而摆动的运动轨迹要求，故把第二凸轮的凸轮升程型线设计成如图3中所示的曲线。图2中所示第二凸轮型线上的D点为凸轮基圆与凸轮升程的分界点，其中第二凸轮型线上D点与挺杆的接触位置是由多连杆机构位置控制的。

多连杆机构中的偏心套筒与控制轴采用非同心轴布置结构，二者之间通过花键连接，而偏心套筒与摆臂采用同心轴布置结构，摆臂能够绕着偏心套筒旋转。偏心套筒的轴心位置是由减速电机通过控制轴转动实现的，其转动角度大小是由发动机控制单元根据发动机工况来控制的。当偏心套筒绕控制轴转动时，摆臂会随同心轴布置的偏心套筒摆动而改变初始位置，通过摆臂上固定的销带动连杆和第二凸轮发生位置偏转，进而改变第二凸轮型线上D点与挺杆的接触位置，即第二凸轮型线上D点与挺杆上端面的位置远近。

图3 第二凸轮升程型线

2 连续可变气门驱动装置的运动特性分析

该连续可变气门驱动装置是通过减速电机改变偏心套筒的轴心位置而改变多连杆机构的几何形状，进而改变气门挺杆的上下运动行程，以满足发动机不同工况下所需的气门升程和相位连续可变。

图4 偏心套筒绕控制轴轴心位置变化图

图5 连续可变气门装置的高低升程位置图

图6 可变气门位移曲线

如图4所示，当偏心套筒绕控制轴以逆时针方向转动时，即相当于偏心套筒的圆心点P绕控制轴的圆心点C做圆周运动，其运动半径为CP。当偏心套筒圆心位于点P1时，其对应的连续可变气门驱动装置处于低气门升程位置，如图 5(a)所示。此时第二凸轮型线上的D点相对于挺杆上端面向左偏移，由于第二凸轮型线特征使第二凸轮在摆动时驱动挺杆产生较小的上下往复运动，即对应较低的气门升程。当偏心套筒圆心位于点 P2时，其对应的连续可变气门驱动装置处于中高气门升程位置，如图5(b)所示。此时第二凸轮型线上的D点相对于挺杆上端面向右偏移，使第二凸轮在摆动时驱动挺杆产生较大的上下往复运动，即对应较高的气门升程。在偏心套筒圆心点P随控制轴圆心点C转动的过程中，可变的多连杆机构位置发生改变，即生成对应不同的气门升程位置，其对应的可变气门升程和气门持续开启时间逐渐增大，形成连续可变的气门位移曲线如图6所示。

3 结论

本文设计的一种新型连续可变气门驱动装置相对现有的连续可变气门机构其结构较为简单、稳定性好，易于装配在发动机中实现气门升程及相位的连续可控。同时基于机构中采用滚子轴承的接触方式更能有效降低系统传动的噪音。因此该连续可变气门驱动装置对发动机新技术的发展研究，有着重要的实际意义和应用前景。

[1] S. Takemura and S. Aoyama, A study of a multiple-link continuously variable valve event and lift System [C], SAE Paper, 2008,01.

[2] Qu Xiaozhen, Kim Dojoong. Kinematic Design and Analysis of a Four-bar Linkage-type Continuously Variable Valv Actuation Mecha nism[J], mechanism and machine theory, 2012, 57:111-125.

[3] 周能辉,谢辉,王立彪,赵华.全可变气门机构闭环控制试验研究[J],机械工程学报,2006,42:132-137.

The Design of a Multi-linkage Continuously Variable Valve Actuation Mechanism

Qu Xiaozhen, Chen Shuang
（School of Automobile & Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Liaoning Jinzhou 121001）

U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-58-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.021

屈小贞，就职于辽宁工业大学，博士，讲师，发动机动力学研究。项目基金：*辽宁省自然科学基金（20170540449）资助。