汽车发动机配气机构设计思路分析

张金伟

绵阳富临精工机械股份有限公司 四川省绵阳市 621000

1 汽车配气机构的创新发展

由于现代汽车配气机构的相关技术发展水平的显著提升，汽车配气机构技术发展前景较好，这些新技术的创新主要表现在汽车配气机构的顶置凸轮轴、汽车配气机构的多气门技术、汽车配气机构的可变气门系统以及配气机构汽车的无凸轮电液驱动技术。下面本人将对以上提到的技术进行详细的解释：

1.1 汽车配气机构的顶置凸轮轴技术

由于汽车配气机构的顶置式凸轮轴技术主要是由凸轮轴的运动来作为基础技术，在凸轮轴的运动中分为三种结构模式：凸轮直接驱动气门式、摆摇臂式以及单顶置式。凸轮直接驱动气门结构模式能够让人们直接看到其运动，比起其他两种结构模式来说其构造与操作都比较简单，就是简单的循环运动模式。凸轮的摆臂与摇臂结构模式就比较灵活，其构造比起凸轮直接驱动气门式来说更加的复杂，但是运用效果更高，能够灵活的调整凸轮型线升程工作的包角，使其达到最优的工作状态。但是由于凸轮的摆臂和摇臂结构模式同时使用在凸轮的作用传给气门工作时，不能很好的实现凸轮升程，导致凸轮升程比气门升程低，凸轮的运动不能达到很好的效果。所以产生了单顶置式与双顶置凸轮运动结构模式，通过将凸轮轴按照其数目进行划分，单顶置凸轮轴是气缸盖上设置一条凸轮轴；双顶置凸轮轴是在气缸盖上安置两条凸轮轴，在气缸两侧各安置一条，通过这项技术来弥补凸轮的摆臂与摇臂结构模式的不足，促进汽车配气机构的发展。

1.2 汽车配气机构的多气门技术

汽车配气机构多气门技术就是在汽车发动机的每个气缸上设置两个以上的气门。多气门发动机分为三气门式、四气门式以及三五气门式，随着增压技术的发展，现在的汽车采用的多气门发动机多为四气门式，进气门大于排气门直径。这可以更好的扩大气门头的直径，让气体流通过的面积得以扩大，换气性能得到合理改善，就促进汽车混合气的迅速燃烧，提升汽车的发动机性能。

1.3 汽车配气机构的可变气门系统技术

汽车配气机构的可变气门系统技术包括可变气门正时和可变气门升程技术。是汽车必不可少的基础配气系统之一，对汽车的性能影响十分重大。可变气门系统技术对在优化汽车发动机配气过程时是通过对配置的控制实现的，为汽车的配气机构的工作提供基础的动力系统。可变气门正时是通过调节发动机进排气凸轮相位关系，使进气量可随发动机转速的变化而改变，从而达到最佳燃烧效率，提高燃油经济性。而可变气门升程则是通过调节发动机进排气气门升程大小，使发动机在高速与低速负荷都能得到相应需求的气门升程，从而使得发动机获得更好高速功率和低速扭矩。

1.4 无凸轮电液驱动技术

近几年出现了可以使汽车发动机燃油经济性提高和有害物降低的发动机，该发动机就是使用无凸轮电液驱动技术的配气机构发动机。之所以说这种发动机具有创新技术，主要原因是它具备发动机运行过程中气门开启的升程大小、开启持续时间都可以相互独立的特点。它取代了传统的机械式凸轮轴对于气门的控制，改用电液驱动装置来替代，但此技术成本较高，仅部份车型搭载，无法大面积推广。

2 当前汽车发动机的凸轮型线设计技术

当前汽车的凸轮型线的设计主要分为静态设计、动态设计、系统优化设计三种，以下本人将对这三种设计模式进行详细的介绍。

2.1 汽车发动机的凸轮型线静态设计模式

在汽车发动机的凸轮型线设计技术中的静态设计模式主要是用在圆弧式凸轮上，它通过采用简单的型线与连续的速度曲线进行汽车发动机的凸轮型线设计，静态设计模式可以使得汽车发动机，在发动转速较低以较小的减少其振动和噪声的作用，但是由于静态设计上其加速度曲线连续性不够，这就导致了发动机在提高其转速时发动机的振动、噪声还是会很大，影响人们的使用体验与汽车的性能，难以满足人们对汽车高品质的需求。

2.2 汽车发动机的凸轮型线动态设计模式

汽车发动机的配气机构是一个弹性振动体。为了更好的控制汽车发动机配气机构的弹性振动和让凸轮型线运动能得到很好的控制，汽车发动机配气机构的动态设计模式就诞生了。汽车发动机配气机构的凸轮型线动态设计模式可以很好的解决汽车发动机配气机构出现的弹性振动问题，也通过对汽车发动机配气机构的振动的物理模型参数进行分析与计算，选择最好的模型数据，然后与发动机的振动状况进行对比、校对与动态调整，实现发动机物理模型参数与发动机振动情况进行有效的衔接，以此来满足汽车发动机对配气机构的要求。

2.3 汽车发动机的凸轮型线系统优化设计模式

汽车发动机配气机构的凸轮型线系统优化设计模式就是将发动机配气凸轮型线、凸轮转速与配气机构的参数进行高效的匹配与衔接。汽车发动机配气机构的系统优化设计模式就是通过考虑配气机构的凸轮型线与配气机构动态参数，对凸轮型线进行优化设计。同时为了实现汽车发动机配气机构平稳的运行还要求对汽车发动机的配气机构的相关参数进行计算，提炼出发动机凸轮设计的最优指标。这种模式更好的弥补了其他模式在汽车发动机配气机构参数设计上的不足，更好的满足了汽车对发动机性能的要求。

3 构建配气机构优化设计模型

配气机构优化设计模型组成单元有单质量模型、二质量模型、多质量模型、有限元模型。单质量模型因其结构简单且待定参数相对较少，因而容易计算。气门运动中的气门质量以及其他可以换算成气门处的质量运动是单质量模型的内涵。在单质量模型的基础上分离气门质量与集中质量便可得二质量模型。单质量模型与二质量模型参数都可以通过实验计算得出，前者是其气门形状系统说明刚度（特别指出，系统刚度是该气门运动的气门杆到凸轮轴的刚度）可以通过计算得出；后者可以计算的原因则是二质量模型中某些质量刚度与单质量模型类似。在研究各个部件运动变化和应力模式时，大多采用集中质量、刚度的形式将配气系统改成有限自由度的等效力学系统称为多质量动力学模型，其中可以用多个集中质量来代替的是以下零部件：配气机构中的推杆、挺柱、摇臂、气门和内外气门弹簧。近年来，随着科技的飞速发展，有限元技术越发成熟，在此基础上，可以用此技术对汽车的配气机构从动力学角度进行专业分析，从而得到配气机构的零件振动和振动模型，同时也可以帮助对气门振动的使用期限进行分析，关于配气机构零件的位移、速度、加速度和接触应力、变形等都可以被求出，从而增加了实验可靠性。

4 优化设计凸轮型线

4.1 凸轮型线设计思路

发动机的配气机构动力学模型是在对其结构和凸轮型线的数据分析的基础上建立的。举例说明，配气机构优劣分析利用配气机构的评价标准建立模型，同时利用模型还可以对凸轮型线进行终极优化。

4.2 缓冲段的设计方案

凸轮型线缓冲段的设计初衷是为了消除气门受力时发生的弹性形变。上升段与下降段共同组成气门升程曲线，然而这两者并不能以统一标准来衡量，因为它们的需求不同，对待二者设计上也有不一样的要求。举例来说，如果想要得到气门开启速度变快而关闭时变慢的效果，可以采用改变上升段包角，使得其包角变短，而下降段的包角则需要变长。缓冲段的高度、包角以及缓冲结束时的速度是缓冲段设计需要考虑的参数。而其中最重要的便是缓冲段高度的选择，该高度的选择需要消除一切可能影响实验效果的变量，即气门间隙以及配气机构弹性变形量，气门间隙消失时，气门必须处于静止状态，而当其受合力向下时，气门才会开启。

4.3 工作段的设计

汽车发动机配气机构的工作段设计对汽车发动机配气机构性能影响很大，是汽车发动机配气机构设计的重要组成部分之一。为了更好的实现汽车发动机配气机构设计就需要对发动机配气机构凸轮型线工作段进行优化设计。通过对汽车发动机配气机构的工作段设计来提高配气机构的性能、连续凸轮轴加速度。

5 结束语

由于汽车发动机配气机构设计好坏直接影响到汽车的使用质量与汽车发动机的性能。所以优化汽车发动机配气机构的设计十分重要。随着科技与经济的发展，人们对汽车的要求也越来越高了，为了满足人们对汽车的需要就要求汽车行业重视汽车发动机配气机构设计，利用现代高科技技术完善汽车发动机配气机构设计的流程，提升汽车发动机配气机构设计的质量。同时，还需要汽车行业加大对汽车发动机配气机构设计的资金投入，引入相关的高新技术与高素质人才，通过对汽车发动机配气机构的凸轮型线设计思路、缓冲段以及工作段的设计方案三个方面进行汽车发动机配气机构设计的优化，实现汽车发动机配气机构设计的质量化。满足人们对汽车发动机性能的要求，实现汽车发动机性能质量燃油经济性的飞跃。