连续可变摇臂式气门驱动装置的设计分析

屈小贞，陈双，李妮，张忠洋

（1.辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001；2. 庄河渔港监督，辽宁 庄河 116400）

连续可变摇臂式气门驱动装置的设计分析

屈小贞1，陈双1，李妮2，张忠洋1

（1.辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001；2. 庄河渔港监督，辽宁 庄河 116400）

文章介绍了一种连续可变摇臂式气门驱动装置。该连续可变摇臂式驱动装置是基于传统指状摇臂式气门机构，利用可滑动的滑块总成结构取代传统摇臂中的滚子结构。滑块总成结构通过驱动机构控制，使其在摇臂空腔内沿滑槽左右滑移，以改变凸轮与滑块总成中滚子的接触位置，进而改变摇臂的摆动幅度，从而实现气门升程的连续可变。该气门驱动装置的结构布置紧凑及其动力传递路线短，便于满足发动机总布置的设计要求。

连续可变；可变摇臂；滑块总成；驱动机构

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-20-03

前言

传统发动机气门机构的气门位移曲线是固定不变的，设计时需综合考虑发动机低速和高速时的工况，兼顾发动机在低负荷和高负荷时的整体工作性能。因此传统气门机构的固定气门升程导致了发动机在低速时的燃油经济性和高速时的动力性能均达不到最佳效果。

连续可变气门机构是根据发动机不同工况而选择合理的气门升程和气门相位，使气门升程和相位始终处于理想状态。连续可变气门机构通过选择合理的气门升程来控制进入气缸内的气体体积总量，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]。相对市场上现有的连续可变气门机构，本文提出了一种基于传统指状滚子摇臂式气门机构的连续可变摇臂式气门驱动装置。

1 连续可变摇臂式气门驱动装置的结构设计

本文设计的一种连续可变摇臂式气门驱动装置[3]的结构布置如图1所示。该连续可变摇臂式气门驱动装置是基于传统指状摇臂式气门机构设计的，利用可滑动的滑块总成结构取代传统摇臂中的滚子结构。滑块总成结构通过驱动机构控制其在摇臂内空腔中的滑槽上左右滑动，以改变凸轮转动时与滑块总成结构中滚子的接触位置，进而改变摇臂绕挺杆的摆动幅度，从而改变摇臂驱动气门上下运动的开启深度。因此该驱动装置具有结构简单、稳定性好，且动力传递路线短，各部件运动惯性小，易于满足发动机总布置的设计要求等特点。

图1 连续可变摇臂式气门驱动装置结构图

图2 连续可变摇臂式气门驱动装置剖视图

图3 滑块总成结构

如图2所示的结构剖视图中，摇臂为空腔结构，其空腔前后两侧壁上设置有两个圆弧滑槽。滑块总成结构是基于支撑座与摇臂内的空腔底部接触，且与弧线成相切位置，保障支撑座能在空腔内平顺滑动。支撑座内设置有贯穿其前后两侧壁的圆柱销及其绕圆柱销自由转动的滚子结构如图 3所示。贯穿其两侧壁的圆柱销两端落座在空腔两侧的两个圆弧滑槽内，圆柱销两端通过滚子轴承与圆弧滑槽配合。支撑座随圆柱销在滑槽内左右滑移时，滚子始终与凸轮基圆处于相切位置。为防止滑块总成结构在滑槽内向右端滑移角度较大时，滚子与凸轮接触位置产生侧滑而影响摇臂正常工作时的上下摆动。在凸轮轴上基于凸轮两侧布置两个凸轮轴轴肩如图2所示，其凸轮轴轴肩位置正对应于摇臂的两侧圆弧，且凸轮轴轴肩的外径与摇臂两侧圆弧相切。

如图3所示，为保障滑块总成结构处在滑槽内某一位置相对固定时，通过一方形扭簧作用在滑块总成上端面与滑槽的上表面。方形扭簧的一端与支撑座一端固定，其两侧分别设置在左右两侧的滑槽内。方形扭簧利用滑槽的形状使支撑座与摇臂内腔结构吻合且能在滑槽上某一位置保持相对稳定静止状态。

滑块总成结构在摇臂空腔中的滑动是通过驱动机构实现的。驱动机构通过锁止螺栓、螺杆及十字轴万向节，控制滑块总成使其在摇臂中空腔内的滑槽上左右滑移。其中支撑座右端的铰接销与螺杆通过十字轴万向节连接。螺杆与驱动机构采用花键配合，使驱动机构能够驱动螺杆旋转，又能使螺杆沿驱动机构输出轴线方向左右旋进。当螺杆静止时，螺杆通过锁止螺栓锁死，使滑块总成相对摇臂处于静止位置。

驱动机构是由交流伺服电机或电磁驱动器来控制完成。如果采用电磁驱动器的话，螺杆属性为配套使用的永磁螺杆。同时利用电磁驱动器的正负极特性，来改变电磁驱动器的电磁方向来驱动永磁螺杆的移动方向。

2 连续可变摇臂式气门驱动装置的运动特性分析

凸轮随凸轮轴逆时针转动时，凸轮推动滑块总成中的滚子绕圆柱销转动，滚子通过其滑块总成结构带动摇臂绕挺杆摆动，以实现气门的开启和关闭。如图1所示的结构图中，滑块总成所处位置为气门机构初始位置，即气门低升程位置。当滑块总成结构随圆柱销在摇臂空腔内滑槽上逆时针滑移时，滑块总成中的滚子与凸轮接触位置改变，促使凸轮转动时摇臂绕挺柱的摆动幅度发生改变，从而实现连续可变的气门升程和相位。当该驱动装置中的滑块总成处在摇臂空腔内的滑槽上某一位置保持不变时，也就是滚子与凸轮的接触位置不变，此时气门升程和相位保持不变，即发动机维持在某一工况运转。

图4 可变气门位移曲线

滑块总成在空腔内滑槽上的滑移轨迹是以凸轮轴轴心为圆心，以凸轮轴轴心到滚子圆心的距离为半径的圆弧曲线，其范围由如图1所示滑块总成的初始位置到其逆时针滑移约50度的圆弧。滑块总成在滑槽内从初始位置滑移到终端位置时，使摇臂绕挺柱的摆动幅度逐渐增大，实现连续可变的气门升程和相位，其气门升程随滑块总成角位移变化的连续可变气门位移曲线如图4所示，可满足发动机不同工况时的气门升程及正时。为保障该机构在初始位置时的气门升程较小，凸轮型线设计时须采用较小的凸轮升程。

图5 气门正时系统简图

由图 4可得该装置的气门相位随气门升程变化范围较大。为保障发动机的气门工作相位和活塞行程同步，必须缩小由滑块总成滑移较大时产生的相位差。为缩小相位差，可通过安装在凸轮轴一端的叶片式气门正时系统（图5所示）来调节气门相位变化，叶片转子连接凸轮轴, 链轮带动叶片转子同步转动。

为满足发动机实际不同工况需求，可通过气门正时系统控制叶片转子的转动角度以达到调节气门正时的作用。当该驱动装置作为发动机进气气门时，根据发动机工况需要增大气门重叠角时，须通过气门正时系统控制叶片转子以与滑块总成滑移相同的逆时针方向转动较大的角度，或以与滑块总成滑移相同的顺时针方向转动较小的角度。反之当根据发动机工况需要减小气门重叠角时，须通过气门正时系统控制叶片转子以与滑块总成滑移相同的逆时针方向转动较小的角度，或以与滑块总成滑移相同的顺时针方向转动较大的角度。所需气门重叠角的大小则根据发动机工况由发动机 ECU具体控制执行。

3 结论

本文设计的一种连续可变气门驱动装置具有结构简单、稳定性好、动力传递路线短等特点。同时由于该驱动装置结构紧凑，各部件运动惯性较小，使其便于满足发动机总布置的设计要求，又能保障其匹配发动机的燃油经济性和动力性。

[1] Qu Xiaozhen, Kim Dojoong. Kinematic Design and Analysis of a Four-bar Linkage-type Continuously Variable Valve Actuation Mech-anism[J], mechanism and machine theory, 2012, 57：111-125.

[2] 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.

[3] 屈小贞,一种摇臂式连续可变气门升程装置[P],201621362396.5,2017.6.

The Design analysis of a Continuously Variable Rocker-arm Valve Actuation Mechanism

Qu Xiaozhen1, Chen Shuang1, Li Ni2, Zhang Zhongyang1
( 1.School of Automobile & Transportation Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001;2. Zhuanghe Fishing Port Supervision, Liaoning Zhuanghe 116400 )

A continuously variable rocker-arm valve actuation mechanism is presented in this paper. The mechanism is designed based on the conventional finger rocker-arm valve train, and the roller is replaced by one slider assembly mechanism. The slider assembly mechanism is controlled by one drive unit, sliding along one groove in the cavity of rocker-arm. The swing amplitude of rocker-arm is varied with the contact position between cam and roller, and then the continuously variable valve lift is obtained. The valve train mechanism is liable to satisfy the general layout of engine, due to the structure compact and shorter power transmission path.

Continuously variable; Variable rocker-arm; Slider assembly; Drive unit

U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-20-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.007

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