（动力机械及工程专业论文）气门机构液力间隙调节器的研究.pdf

、 。、 摘要 本文的研究对象是液力间隙调节器( h l a ) 。 根据国外的有关文献，阐述h l a 的结构形式、工作原理，采 用h l a 的优点和可能存在的问题，并对h l a 的设计和检验进行 了分析，对h l a 的发展和在国外的研究情况进行了综述。 弋在文献综述的基础上，分析了h l a 不同于金属构件的特点， 建立了h l a 的两种动力学模型液压模型和质量一阻尼一弹 簧模型，推导了h l a 液压模型中机油作用力的计算公式，从物 理意义上对质量一阻尼一弹簧模型以及其中刚度、阻尼参数的取 值进行了分析和探讨。 提出了有h l a 的气门机构的测量方法，可用于研究h l a 的 动态性能，并与其它实验方法结合推算了h l a 高压油腔机油的 混气量。 在综合分析国内、外汽车发动机可变配气相位技术发展的基 础上，详细论述了可变配气相位技术在发动机上应用的优点，并 对影响发动机性能的可变相位技术中的可变因素进行了总结。综 合可变配气相位技术和液力间隙调节器的优越性，设计了一种能 实现可变配气相位的液力间隙调节器。y 关键词：发动机，配气机构，液力间隙调节器，动力学模型， 动态测量，可变配气相位 下 一 太原坶t 人学坝 学位论文 a b s t r a c t nt h et h e s i sh y d r a u l i cl a s ha d j u s t e r ( h l a ) i ss t u d i e d h l as t r u c t u r a l t y p e sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o na d v a n t a g e sa n d p o s s i b l ye x i s t i n gp r o b l e m s a r ed e s c r i b e d a c c o r d i n g t o f o r e i g n r e l a t e d d o c u m e n t a t i o n t h ed e s i g na n di n s p e c t i o na r ei n t r o d u c e d h l ad e v e l o p m e n t a n d s t u d ya b r o a d a r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r b a s e do nr e v i e wo ft h er e f e r e n c el i t e m t u r e h l ac h a r a c t e r sd e f e r e n tf r o m m e t a la r ea n a l y s i z e d t h eh y d r a u l i cm o d e la n d m a s s - d a m p i n g - s p r i n gm o d e la r e e s t a b l i s h e d t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l af o rt h eo i lf o r c ei nt h eh y d r a u l i cm o d e lo f h l ai sd e d u c e d a n dt h ep h y s i c a ls i g n i f i c a n c eo f m a s s * d a m p i n g - s p r i n gm o d e l a n dv a l u e so fr i g i d i t ya n dd a m p i n gp a r a m e t e rc h o i c e di nt h em o d e la r e a n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h em e a s u r i n gm e t h o df o rv a l v em e c h a n i s mw i t had i r e c ta c t i o nt y p e h y d a u l i cl a s ha d j u s t e rc a nb eu s e di ns t u d y i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e so f h l a ，a n dc o m b i n e dw i t ho t h e rt e s tm e t h o d sc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h ea i r c o n t e n tm i x e dw i t ho i li nh l a h i g hp r e s s u r ec a v i t y b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to f v a r i a b l ev a l v et i m i n g ( v v r ) o fh o m ea n da b r o a dv e h i c l ee n g i n e s ，t h ep a p e r g i v e sd e t a i ld e s c r i p t i o no f t h ea d v a n t a g e so ft h et e c h n i q u e sw h e nu s e di nt h e e n g i n e s i ta l s o s u m m a r i e st h o s ef a c t o r sa f f e c t i n ge n g i n ep e r f o r m a n c ei nt h e v v tt e c h n i q u e s c o m b i n i n gv v ta n dh l a sa d v a n t a g e s as e to fh l a m e c h a n i s m sw h i c hc a nv a r yv a l v et i m i n ga r ed e v e l o p e d k e y w o r d s ：e n g i n e ，v a l v et r a i n ，h y d r a u l i c l a s ha d j u s t e r ，d y n a m i c m o d e l ，d y n a m i cm e a s u r i n g ，v a r i a b l e v a l v et i m i n g 太蟓婵丁人学顺卜学位论文 第一章引言 1 1 本文的研究背景 现在，从事新型发动机研发的工程师和设计者面临着各种越 来越严的发动机设计要求，尤其关心下列问题：生态接受能力； 噪声：可靠性：经济性；维护成本；动力性。所有这些要求影响 着气门控制系统和其零件的设计( 不论发动机是o h v 还是o h c 型式) 。 在各种情况下，关键问题是消除气门间隙并保持发动机在整 个工作寿命范围内恒定的动力特性。发动机工作时，配气机构各 零部件将随温度的变化产生热胀冷缩。为保证气门能够良好地密 封气缸，必须在配气机构传动链中预留一定的间隙，即气门间隙。 配气机构在工作中，由于气门间隙的存在，导致了如下弊端： 1 ) 产生强烈冲击，引起很大噪声，缩短了机构寿命； 2 ) 使配气机构的动力性能恶化，影响其工作可靠性； 3 ) 运用中，气门间隙的变化将使发动机的工作性能恶化； 4 ) 气门间隙的调整和配气机构零部件的修复，增加了维修费 用。 为克服这些弊端，气门机构液力补偿装置应运而生。 液力补偿装置是气门机构传动链中通过高压机油柱传递力和 运动并自动消除气门间隙的装置。它有多种名称，用的较多的是 液力间隙调节器( h y d r a u l i el a s ha d j u s t e r ，h l a ) 、液力气门问隙 调节器( h y d r a u l i ev a l v el a s ha d j u s t e r ，h v a 或h v l a ) 和液力气门 挺柱( h y d r a u l i cv a l v el i f t e r ，h v l ) ，以下将其统称为h l a 。第一 台采用h l a 的产品发动机是1 9 3 2 年的p i e r c e - - a r r o w ，当时，美 l 太原瑚t 人学碳i 学位论文 国的伊顿( e a t o n ) 公司是h l a 的唯生产厂家。在以后的几1 年 甲，h l a 发展很快，到6 0 年代后期，国外已普遍将其应用于轿 车汽油机、载货车汽油机和轻型飞机发动机上，在电站和车用柴 油机上也很常见。目前，国外新研制的轿车发动机的气门机构几 乎全都带有h l a 。 h l a 通过改变自身的长度使气门机构工作在零问隙状态，因 此无需定期调整气门间隙，从而降低了发动机的维护保养费用。 此外，有h l a 的气门机构正常工作时各构件之间始终保持接触， 无机械冲击，可以降低噪声并提高气门机构的耐久性。h l a 有液 力挺柱、直接驱动式、指状支点式和嵌入摇臂式等多种型式，但 基本结构和工作原理是相同的。h l a 有三种常用的结构型式，即 用在下置凸轮轴式气门机构中的液压挺柱，用在顶置凸轮轴式气 门机构中的指状支点式h l a 和直接驱动式h l a 。新设计的轿车 发动机7 0 采用直动式h l a 的气门机构。 但h l a 也带来了一些问题。如h l a 自身刚度很低，使气门 机构总刚度下降，气门机构开始出现飞脱的转速降低：冷起动和 停车起动时h l a 高压油腔充油不足，气门落座噪声升高；在发 动机高转速下，如果气门机构部件之间发生飞脱，h l a 有可能发 生泵升现象而使气门不能关闭、发动机不能正常工作，等等。总 之，h l a 对整个气门机构的动力学特性有很大影响，如何利用其 优点而抑制其不利影响是开发h l a 产品的关键，也是h l a 研究 的主要内容。 h l a 的设计和生产技术比较复杂，目前只为工业发达国家的 少数公司所掌握，主要有美国的伊顿( e a t o n ) 、德国的伊纳( i n am o 2 太腺理t 大学硕i 学位论文 - - t o r e n e l e m e n t es c h a e f f l e rk g ) 、闩本的富士( f u j iv a l v ec o l x d ) 和闩锻( n i t t a n v a l v ec o l t d ) 等。这些公司根据世界上各汽 车厂家的需要，为各种类型的发动机设计和生产h l a ，有关的研 究工作也主要由它们进行。 近年来，国内引进的许多发动机上采用了带有h l a 的气门 机构，如一汽集团公司的c a 4 8 8 型发动机、捷达和奥迪轿车用发 动机、上海大众桑塔纳轿车发动机以及神龙富康轿车发动机等。 这些发动机气门机构中的h l a 目前仍依赖进口。我国至今没有 掌握h l a 的设计、试验和制造技术，但汽车行业主管部门已在 筹划h l a 国产化工作。在这背景下，对h l a 和有h l a 的气 门机构进行研究会有助于掌握其设计计算及试验的一些关键技 术，从而有助于开展h l a 及有h l a 的气门机构的开发工作。 气门机构动力学模拟计算在气门机构的研究与开发中具有重 要作用。对新设计的气门机构，通过动力学模拟计算可预知其工 作情况，减少试验工作量，缩短设计周期，降低设计成本；对已 有气门机构，可用动力学模拟计算进行分析改进和优化设计。气 门机构的动力学模拟计算，也是气门机构计算机辅助设计的基础。 8 0 年代后期，关于有h l a 的气门机构的动力学模型陆续有 论文发表，其中对机构中的h l a 以外的部分，均简化为集中质 量一阻尼弹簧系统，与众所周知的无h l a 的气门机构简化方 法相同。因此，对于有h l a 的气门机构的动力学模拟计算主要 任务便转移到对h l a 的动力学模拟计算，对于h l a 则有两种模 拟方法：液压模拟法和质量一阻尼一弹簧模拟法。h l a 的质量一 阻尼一弹簧模型以串联在一起的弹簧和阻尼分别表示高压腔机油 1 太原理t 人学顺1 学他论立 的可压缩性和泄漏的影响；液压模型则直接用流体力学导出的关 系式计算高压腔机油的压力。 由于环境保护和人类可持续发展的要求，低能耗和低污染已 成为汽车发动机的发展目标。要求发动机既要保证良好的动力性 又要降低油耗满足排放法规的规定。在各种现代技术手段中，可 变配气相位r v v t ) 技术已成为新技术发展方向之一。传统式发动 机其凸轮配气相位是通过各种不同配气相位的试验。从中选取某 一固定配气相位兼顾各种工况，是发动机性能的一种折衷方案， 因而不可能在各种情况下达到最佳性能。随着轿车汽油机的高速 化和废气排放法规的日趋严格，配气相位固定不变的缺点变得越 来越突出。与固定配气相位相比，可变配气相位则可以在发动机 整个工作范围内的转速和负荷下，提供合适的气门开启、关闭时 刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好地满足高转速和 低转速、大负荷和小负荷时的动力性、经济性、废气排放的要求。 因此，可变配气相位机构的研究和生产在世界范围内引起科研部 门和生产厂家的高度重视。 在我国，过去基本上以生产中型载重汽车为主，其发动机的 转速一般都不高。从8 0 年代末期以来，我国开始发展轿车事业， 其发动机转速一般都很高，最高转速可达5 0 0 0 - - 6 0 0 0 r m i n ，采用 兼顾低、高速的固定配气相位，会使发动机的动力性、经济性下 降，废气排放恶化。因此，研制用于轿车发动机的可变配气相位 机构很有必要。可变配气相位技术可广泛应用在汽油机以及柴油 机上，特别是双凸轮轴的多气门发动机上。在气门驱动方式上， 主要有直驱式和摇臂式，在国内外新近研制开发出的可变配气相 4 太蟓理t 人学影! l 学位论文 位机构中，以摇臂式居多，在直动式液力| 1 日j 隙调节器配气机构l 实现可变配气相位的尚属罕见。 1 2 本文的研究内容 鉴于国产车用得最多的是顶置凸轮轴经直动式h l a 驱动气门 的机构，本文研究工作围绕直动式h l a 进行。 1 ) 根据国外的有关文献，阐述h l a 的结构形式、工作原理， 采用h l a 的优点和可能存在的问题，并对h l a 的设计特点、检 验项目和检验方法，以及对其某些特性进行研究； 2 ) 在进行文献综述的基础上，探讨h l a 的液压模型和质量 一阻尼一弹簧模型，利用液压流体力学计算高压腔机油对柱塞、 柱塞套的作用力推导出高压油腔机油压力，阐明了h l a 质量一 阻尼一弹簧模型中的弹簧和串联阻尼的物理含义及取值方法。 3 ) 在发动机气门机构试验台上，对有h l a 的气门机构进行 了动态测量，测量了气门加速度和h l a 高度的动态变化情况。 4 ) 提出一种根据气门加速度和h l a 高度变化量的动态测量 结果及泄沉规律推算高压油腔内混气量的方法，用该方法计算各 实测转速下的混气量。 5 ) 综述分析国内外汽车发动机可变配气相位( v v t ) 技术 发展的基础上，详细论述可变配气相位技术在汽油机、柴油机以 及二冲程发动机上应用的优点，并对影响发动机性能的可变相位 技术中的可变因素进行总结。 6 ) 鉴于可变配气相位技术的优越性，对直动式h l a 进行改 造，设计了一种能实现可变配气相位的h l a 。 太腺删t 人学硕i 学位论文 第二章h l a 的结构分析与设计 2 1h l a 的结构形式和基本工作原理 2 1 1 结构形式 由于用在不同的气门机构中，并且安装位置不同，因此h l a 有多种结构形式，图2 一l 所示为几种典型的结构。 图2 1 ( a ) 液力挺柱( b ) 直动式h l a ( c ) 指状支点式h l a ( d ) 嵌入摇臂式h l ，a 6 太原理丁人学硕l + 学位论文 图2 1 、a 的形式称为液力挺柱，用于下旨凸轮轴式气门机构。 由于近年来车用高速发动机几乎全部采用顶置凸轮轴式气门机 构，因此液力挺柱所占比例很小。图2 一l 、b 为杯状直接驱动式 h l a ，凸轮轴直接经这种h l a 驱动气门，故气门机构刚度大而 运动质量小，新设计的轿车发动机7 0 采用这种形式。图2 1 、c 为指状支点式h l a ，它在工作中处于非运动状态，因而其气门机 构运动质量也小。图2 1 、d 为嵌入摇臂式h l a ，由于凸轮轴布置 在摇臂下方，因此这种形式可以使缸盖高度降低。后3 种h l a 均用于顶置凸轮轴式气门机构。 2 1 2 基本工作原理 h l a 虽有多种结构形式，但其基本结构和工作原理是相同 的，下面以直动式h l a 为例予以介绍。 当气门关闭而凸轮以基圆部分与挺柱体接触时，作用于柱塞 下面的机油压力和回位弹簧力使挺柱体贴紧凸轮基圆，此时无间 隙。当凸轮转到上升段时，将迫使挺柱体和柱塞向下移动，因球 阀( 亦称单向阀) 关闭使高压油腔中的机油被压缩，油压迅速升 高。当作用于柱塞套的机油压力与回位弹簧力之和增加到等于气 门弹簧预紧力之后，柱塞套、气门也随着挺柱体和柱塞向下运动， h l a 成了凸轮和气门间传递运动和力的中间件。在整个气门开启 期间，气门升程随凸轮转动先增后减，h l a 高压油腔内的油压则 随气门弹簧力及气门组件惯性力而变化，但始终很高，因此总有 少量机油经过柱塞和柱塞套的配合间隙从高压油腔泄漏到低压外 贮油腔里。这样，气门落座瞬时的h l a 高压油腔容积v 。必小于 气门开启瞬时的容积v o ，相应地气门落座瞬时的挺柱体升程y 。 7 太原理1 大学硕i 学位论立 大于气门丌启瞬时的挺柱体升程y o 。气门落座之后，气门弹簧力 不再作用于柱塞套上，亦即柱塞套位置不动，高压油腔的机油压 力和回位弹簧力则迫使柱塞和挺柱体贴紧凸轮向上移动，使挺柱 体升程从y 。减小到零( 与基圆接触) 。在此过程中高压油腔容积增 大而油压降低，当降低到低于低压油腔油压时球阀即开启，机油 进入高压油腔补偿泄漏的机油，直到其油压与低压油腔油压相等 时球阀关闭，h l a 就恢复到前述动作过程的初始状态。 2 2 采用h l a 的主要优点 a 消除了由气门间隙引起的撞击噪声。而且由于无需补偿 气门间隙，使凸轮型线过渡段高度一般小于0 2 m m ( 有气门间隙的 气门机构中此高度可达o 5 m m ) ，故气门落座速度较小，从而减小 了气门落座时的撞击噪声。 b 无需定期调整气门间隙，既减少了调整、保养工作，又 不会发生调整气门间隙时出现错误所引起的不良后果。 c 由于凸轮过渡段升程小，所占转角角度亦小，又消除了 由于气门间隙变化( 胀缩、磨损、调整误差等) 而引起的气门开、 闭正时变化，所以配气正时准确，有助于控制怠速排放。同时排 气门在过渡段上停留的时间短，也减少了烧蚀的可能性。 2 3 采用h l a 可能出现的主要问题 a h l a 高压油腔内机油的可压缩性使气门机构总剐度减 小，开始发生飞脱( 推杆力为零) 的转速界限降低。当发生飞脱时， 如果h l a 的反应足够快，则高压油腔胀大，不仅能消除气门问 隙，还可能充油过多，使高压油腔容积超过原工作容积，即出现 所谓“泵升( p u m p u p ) ”现象，这会使气门关闭不严，甚至造成气 r 太腺理t 人学硕i 学位论文 门、活塞运动的相互干涉。 b 由于在停车时总有某些气门处于丌启状态，这样在气门 弹簧力的持续作用下，h l a 高压油腔内的机油泄漏较多，因而再 起动发动机时由于不能及时补充机油，就使得气门在一段时问内 在凸轮工作段上开启和落座，从而形成较大的落座撞击噪声。如 果有空气进入h l a 高压油腔，则这段不正常工作时间会拖得更 长些。一般认为超过1 5 s 是不能容许的。 c h l a 中的单向阀( 球阀) 及其弹簧构成了一个振动系统， 它对气i 机构动态特性非常敏感，反过来又影响气门机构的动态 特性。例如，凸轮基圆径向跳动引起的振动可能会使直动式h l a 和液力挺柱中的球阀在凸轮转入上升段之前开启，这样，因为在 挺柱体开始移动时高压油腔尚未封闭，其中的少量机油会经球阀 回流，因而油压上升较慢，使气门开启推迟( 即v o 减小而y o 增大) 而落座提前( v 。减小而y 。增大) 。这种情况也会影响配气正时和增 加气门落座噪声。 2 4 设计时应注意的问题 设计h l a 及其气门机构时，应注意考虑以下问题。 2 4 1 润滑油系 a 最低油压( 热怠速时) 不得低于o 1 m p a ，以便清除进入油 中的空气。因为要保证高压油腔内机油对柱塞套的压力与回位弹 簧力之和小于气门弹簧预紧力以免自行开启气门，通常要求最大 油压小于0 5 m p a 。 b 要采取措施减少供给h l a 的机油中混入空气的可能性。 例如机油泵旁通阀回油宜直接回到机油泵进油口，而不是到机油 9 太埭理人学坝i 学位论史 盘。 c 为防止冷起动噪声，h l a 供油油路的设计应能防止停机 时机油流失，且避免与大气相通。例如桑塔纳轿车发动机在进入 缸盖的油路中安装了一个单向阀，它允许有一定压力的机油进入 缸盖油路，而不允许机油倒流。 d 应采用高级润滑油，并保证曲轴箱通风良好，以免柱塞 表面沉积胶质而卡滞在柱塞套中。 2 4 2 凸轮和气门机构 a 鉴于h l a 对气门机构总刚度的削弱，在设计气门机构 其它构件时要更加注意减小其运动质量。 b 对凸轮型线工作段的要求与不带h l a 时相同，只是h l a 高压油腔的泄油会使气门最大升程有所减小。 c 凸轮型线的过渡通常采用等加速段。对于上升过渡段， 其所产生的柱塞升程应能使h l a 高压油腔油压升高到与气门弹 簧预紧力相等，以及能够补偿气门机构在弹簧预紧力下的变形和 凸轮轴的径向跳动；而下降过渡段则应考虑h l a 高压油腔泄油 所导致的可能高达0 1 m m 的升程损失。 d 凸轮基圆的径向跳动也会使气门机构产生变形和变形力， 因此应保证变形力小于气门弹簧预紧力。经验表明，对直动式 h l a ，其凸轮基圆径向跳动值在o 0 3 8 m m 以内是可以接受的，尽 管其理论上的许用值只是该值的l 2 。 2 4 3h l a 的结构设计 h l a 的结构设计是专业性很强的工作，文献中未见系统而详 细的论述，所以只能建议从以下几方面进行考虑。 1 0 太腺璀丁人学坝i + 学位论史 a 要形成系列化产品，大批量生产以降低成本，则液力挺 柱体材料应有多种等级的铸铁和钢材供用户选择，以便与不同发 动机的凸轮轴匹配使用。 b h l a 的“干问隙( d r yl a s h ) ”应取其“柱塞行程( p l u n g e r t r a v e l ) ”的1 2 左右，不应偏离太多。 所谓“干间隙”，是在装配好的发动机上，使凸轮基圆对正从 动件，同时把h l a 的柱塞压到底时，h l a 与匹配零件之间的间 隙。气门机构及h l a 形式不同，干间隙的测量位置也不同。直 动式h l a 的干问隙在挺柱体和凸轮基圆之间测得；指状支点式 h l a 的干间隙则在凸轮基圆与摇臂之间测得后再换算到h l a 处； 而对于下置凸轮轴式气门机构，干间隙是在气门杆端和摇臂间测 量后再换算到液力挺柱处。干间隙的大小决定了发动机工作时柱 塞在其全行程中所处的位置。设计时计算干间隙应考虑到气门机 构各零件及其支承的积累公差。 所谓“柱塞行程”，是指柱塞从完全压到底的位置( 由结构所 限定) 到最大弹开位置之间的可移动距离。它是可被h l a 补偿的 最大尺寸，应该大于发动机使用期间从冷机到热机柱塞在柱塞套 中位置的变动量。 c 要合理设计柱塞和柱塞套之间的间隙及配合长度，使高 压油腔的“泄沉( l e a k - - d o w l l ) ”在许用范围之内。液力挺柱的此 间隙常取0 0 0 7 6 2 土o 0 0 1 2 7 m m 。所谓“泄沉”，是指在气门开、 闭一次期问从h l a 高压油腔泄出的机油量。一般将其定义为： 用规定的流体充满高压油腔并在h l a 两端加符合规定的力时， 柱塞移动规定的距离所用的时间。此时问越短，越容易泄油。泄 f l 太原理r 人学顾i 学位论史 沉会随着柱塞和柱塞套的磨损或腐蚀而缩短，严重时热机状态气 门就会在凸轮工作段上落座，从而产生较大冲击噪声。为延长使 用寿命，对柱塞和柱塞套的配合表面应进行抗磨损、防腐蚀处理， 例如镀铬( 厚0 0 0 5 m m - - - 0 0 0 7 m m ) 。 d 低压油腔应有较大的容量，并保持与导向孔的油道出口 相通，以便在停车后重新起动时向已泄油的高压油腔补充油，以 防止空气进入。另外，要注意不应使低压油腔泄油过多，因此要 选择合适的配合间隙并保持必要的密封段长度。 直动式h l a 由于上置凸轮的升程和速度都较大，其挺柱体 直径大于液力挺柱的挺柱体直径，再加上发动机高度限制，其导 向孔长径比一般只有o 7 2 - 4 ) 7 8 ；液力挺柱导向孔的长径比一般不 小于1 5 0 。挺柱体与导向孔的配合间隙在0 0 2 5 4 m m 一0 0 7 6 2 m m 之间。 设计挺柱体上的油槽时，宜保证在任一凸轮转角下，液力挺 柱的挺柱体与导向孔密封段长度不小于5 0 8 m m ；直动式h l a 则不小于3 2 0n l r f l 。油槽可在部分时间里( 挺柱落在凸轮基圆上和 升程较小的一段时间里，即球阀需开启补油时) 与发动机供油道的 出i s i 相对，以减小h l a 对机构飞脱的敏感，同时也增大了密封 段长度。 e 指状支点式h l a 不与凸轮接触，因此其外径可减小以节 省空间。液力挺柱和直动式h l a 挺柱体的中心线，同于一般下 置凸轮轴式气门机构，相对凸轮中央截面偏离1 m a n 2 m m ，以保 证挺柱体旋转。 f 据文献【1 1 介绍，1 n a 公司在h l a 的设计开发工作中利 1 2 太缘删t 夫学坝j 学位论史 用一套气门机构模拟计算软件，能够对气门机构的弹性和h l a 的弹性、泄沉、单向球阀的运动及机油补偿等进行很好地模拟。 这种模拟计算有助于预测不同元件的影响和h l a 工作的可靠性， 优化气f q t & 构和h l a 的设计，缩短其丌发周期。 2 5 检验项目和方法 2 5 1h l a 投产前的检验内容 a 评估气门机构在整个转速范围内的动态特性，检查气门 正常落座情况； b 用泄沉最短的h l a 进行耐久性试验，确认在发动机整 个使用期间，当泄沉因柱塞和柱塞套磨损而迸一步缩短时，气门 是否在凸轮型线过渡段上落座： c 用泄沉最短的h l a 进行热怠速试验，确认h l a 在最低 油压下能否正常工作； d 在最大干间隙下进行冷起动试验，确认这种起动后要求 补充油量最多的h l a 是否会进入空气； e 在最高油压下试验，确认气门弹簧预紧力能否保证气门 关闭； f 在机油盘油量最少( 通常指比额定油量少i l ) 的情况下试 验，确认是否会发生机油混气问题。 g 机油大量混气通常发生在由高速变化到怠速的情况下， 应评估此时h l a 的工作情况和气门落座噪声； h 如采用直动式h l a ，需对凸轮基圆径向跳动量最大的凸 轮轴进行试验，确认对怠速性能和排放的影响； i 对气门机构关键部位的磨损和热膨胀特性作出评估，以 1 3 太原胖t 人学颁i 学位论史 确认柱塞工作位置是否应偏离柱塞行程的中间位置( 即调整干间 隙) ； j 进行发动机台架试验，考察h l a 每一细节的优化所导致 的发动机动力性和燃油经济性的改善效果； k 进行汽车使用性能试验，作为发动机台架试验的补充验 证。 2 5 2 泄沉试验 在h l a 工作时，其高压油腔泄油的多少，理论上是由柱塞 和柱塞套之间间隙的大小所决定的，但二者之间不成线性关系。 另外，由于柱塞与柱塞套之间配合的精密性，使之不能用一般的 尺寸测量方法，而必须用液力手段来进行评价。基本方法是进行 泄沉试验。试验要在专用的泄沉试验机上进行，用专用试验油， 并且试验过程中要使柱塞相对于挺柱体转动。 确定泄沉标准要考虑的因素有作用在h l a 上的轴向力、凸 轮型线过渡段、排出空气能力、维修后泄沉量变化及制造加工条 件等。确定泄沉范围的最小值的依据是在发动机使用期内气门应 保证在过渡段落座：最大值则根据制造加工条件和应具备的排气 能力( 排出高压油腔中空气的唯一途径就是泄油) 确定。e a t o n 公司 进行泄沉试验时，用油为3 3 s u s ，作用力为2 2 2 n 。对直动式h l a ， 要求柱塞移动1 5 7 5 m m ，历时3 s 3 5 s ；对指状支点式和嵌入摇臂 的h l a ，要求柱塞移动3 1 7 5 m m ，历时2 s 2 5 s ：对液力挺柱，要 求柱塞移动3 1 7 5 m m ，历时1 6 s 1 2 0 s 。 2 5 3 装配n l a 时的注意事项 装配h l a 时都充满油，即柱塞处于完全弹开位置，因此要 1 4 太原婵f _ 夫学顺i + 学位论文 采取措施防止h l a 中的油流失。在装入气门机构时可能发，上h l a 顶开气门并使其升程大于正常值，从而引起活塞、气门运动干涉 的情况。为避免出现这种情况，一是要采用低粘度油以加快泄出， 二是先把h l a 装入缸盖放置一段时问，使h l a 在气门弹簧力的 作用下逐渐泄油缩短长度，然后再把缸盖装到发动机上。 太原理丁人学坝i 。学位论文 第三章h l a 的发展与研究 3 1 发展进程 从3 0 年代起液压气门机构在汽车工业和活塞式飞机发动机工 业领域的应用开始起步。到5 0 年代，随着v 8 发动机的开发和顶 置式凸轮轴发动机气门机构设计的不断改进，使液压间隙调节器 得到很大的发展。其后，随着对发动机的性能要求日益加强，提 高耐久性和严格环保要求以及降低成本的压力，更推动了液压挺 杆的迅速发展。 液压挺杆的发展经历了四个时期。第一个时期为性能时期， 从二战期间直至第一次石油危机期间，o h v ( 气门顶置式机构) 气 门发动机，以其高压缩比在平头式发动机中占主要优势。1 9 7 4 年， g m 推出的d o h c4 vc o s w o r t h v e g a ，是这一时期中最高性 能的发动机。第二个时期是排放控制时期，从7 0 年代到8 0 年代 初期，由于发动机的排放量受到限制而使得输出功率降低，越来 越多的高性能发动机失去市场，大排放量发动机更加受到限制。 v 一8 铲_ 4 以其特有的气门机构提高经济性而占领发动机市场。 第三个时期是技术时期，8 0 年代中期制造商开始引入高输出多气 门o h c 发动机，通用研发的q u e d4 ，l t 一5 等双凸轮d o h c4 气门发动机具有特有的高性能和低价格。在这一时期，所有的挺 杼发动机都开始着手升级，以减小顶置凸轮发动机和挺杆发动机 之间的性能差异。第四个时期是购买力时期，由于汽车价格因素 的影响对其发动机的价格和性能的要求愈加严格，这段时期要求 发动机制造商以尽可能低的价格来满足汽车制造商对此特性的要 求。 1 6 太原理丁人学钡i 学位论史 3 2 国外研究情况概述 有关h l a 的公丌文献虽不多，但丈体上可看出国外研究的一 些问题。 3 2 1 关于h l a 和有h l a 的气门机构的模拟问题 动力学模拟计算是研究开发气门机构的一种有效手段。通过 动力学模拟计算，可以优化设计已有的气门机构，预测新设计的 气门机构的工作情况，减少试验工作量，缩短设计周期。 对于有h l a 的气门机构来说，其模拟的关键在于对h l a 的 模拟，因为气门机构中h l a 以外的部分( 凸轮驱动、气门组件) 与没有h l a 的气门机构相同，简化为弹簧一阻尼一质量系统的 方法自然也适用。 h l a 的模拟应该反映出其不同于金属构件的一些特点，如高 压油腔机油柱的可压缩性和机油的泄漏、补偿流动等。现有文献 中提出的h l a 模型有两类：液力模型和弹簧阻尼模型。以图3 1 所示的直动式h l a 为例，其典型的液力模型和弹簧阻尼模型分 别如图3 2 、a 和3 2 、b 所示。 图3 - l直动式h l a 的结构 撞塞 柱塞謇 挺柱体 单向阀小妹 单向阀弹簧 单向阀阀盖 太腺胖r 人学唢i j 学位论艾 m h 出姒 习亍 所， 棚 擀 用t 七。 b 。 ( a ) 液压模型( b ) 弹簧阻尼模型 图3 - 2h l a 的数学模型 两类模型的共同点是： 1 ) 均将h l a 简化为两个集中质量m h 和i l l 。，其中m h 是柱塞、 挺柱体和贮油腔的机油质量和，m t 是柱塞套和高压油腔的机油质 量和； 2 ) 两个集中质量上均作用有柱塞回位弹簧( 1 日l j 度u 以及经 过柱塞、柱塞套之间的间隙从高压油腔泄漏的机油对二者的剪切 阻尼力f i 、f 2 。 两类模型的不同点在于：弹簧阻尼模型用一个弹簧( 刚度k 0 ) 来模拟高压油腔机油柱的可压缩性，用与之串联的阻尼b o 模拟泄 漏的影响；液力模型则通过作用于m h 和f n l 上的机油作用力p h 的 变化来表现机油柱可压缩性、泄漏以及单向阀打开时高压油腔充 油的影响。液力模型中各质量的运动微分方程式要与计算p h 的流 体力学关系式联解。 由于在液力模型的计算中可得到单向阀小球的运动规律并反 映单向阀设计参数的影响，因此液力模型的计算结果能更加细致 i r 太憬理t 人学坝i 学位论丈 地反映h l a 的上作情况。 文献【2 卜 6 1 介绍了液力模型，文献 7 卜【l l 】介绍了弹簧阻尼模 型，但都阐述得不够详细，一些算式没有推导，一些关键参数如 何确定也没有晚明。 3 2 2 “运动损失”问题 在前面已提到，由于h l a 高压油腔内机油泄漏，使得气门 关闭瞬时的高压油腔容积小于气门开启瞬时的容积。这种h l a 的缩短造成气门落座时刻提前的现象，被称为“运动损失”( l o s t m o t i o n ) “或”升程损失( l i f t e rc o l l a p s e ) ”。 圈3 - 3实测的液力挺柱缩短量曲线 图3 3 是实测的液力挺柱缩短量曲线。h l a 在气门关闭瞬时 的缩短量与气门开启瞬时的缩短量之差被认为是机油泄漏造成的 升程损失。由图3 3 可见，在气门开启之前h l a 柱塞就有相对于 挺柱体的位移。其中靠近零线的一段位移波动，经分析认为是反 映了凸轮基圆径向跳动和凸轮轴振动的影响，而临近气门开启时 1 9 口目v弹索cr 弱 衢 驰 孙 高啊v舻疑靴辎瓢饕。 太原删丁人学颂i 学位论文 刻的段位移陡增，则是高压油腔内的机油受到了和弹簧预紧力 相等的压力时泄漏的结果。 文献【1 2 】以一种下置凸轮轴式气门机构为对象，对液力挺柱 运动损失问题进行了更细致的研究，共实测了4 个参数：气门升 程、推杆力( 靠近挺柱球窝的部位) 、柱塞相对于挺柱体的位移( 挺 柱缩短量) 和单向球阀的升程。结果表明，在气门动作之前有时单 向球阀是开启的，要等到高压油腔的油压升高后才会关闭，这会 使一部分机油在球阀关闭之前向贮油腔回流。这种回流使得气门 开启时刻较之只有必要的升压弹性变形时的气门开启时刻有所推 迟，因此也是一种运动损失，称为“先期运动损失”。至于气门开 启前该液力挺柱单向阀尚未关闭的原因，则被归结为单向阀及弹 簧的振动。实测数据还表明，该气门机构在高转速区出现飞脱现 象。而在飞脱前后的一段时间里由于单向阀被打开，因此也会发 生机油回流，造成高压油腔容积更加缩小。因此，在机构出现飞 脱时，造成气门动作过程中出现运动损失的原因除了泄漏之外， 还有单向阀中途打开导致的回流。把后一种原因造成的运动损失 称为“间歇运动损失”。 3 2 3 冷起动和频繁起动噪声问题 如前所述，在发动机停止工作时，总有一些气门处于开启状 态，使其h l a 落在凸轮工作段上。在气门弹簧力的持续作用下， h l a 很快被压缩到底。当发动机重新起动时，如果h l a 的贮油 腔中有足够多的机油能迅速进入高压油腔，则h l a 仍能正常工 作。但当贮油腔进入的空气较多，致使高压油腔中也进入了空气， h l a 就不能很快恢复正常工作，这主要发生在以下两种情况下。 2 n 太蟓删t 人学钡i + 学位论义 防进气套杯 防 愿渊 i8 图3 4直动式h l a 的改进结构 一是在发动机长时间停放后。高温停车后，机油冷却收缩的 比h l a 金属零件的快，油道中的空气会经挺柱体上的供油孔被 吸入贮油腔。停车期间若遇较大的温度变化，如昼夜的气温变化， 则因贮油腔内空气和机油的膨胀系数不同，一部分机油会经供油 孔被挤出贮油腔。这样，h l a 内部的供油通路即被空气阻断，如 图3 - 4 、a 所示。当冷起动时，机油粘度大，内、外贮油腔又不 相通，在凸轮轴转动的初期，空气将被吸入高压油腔，从而造成 h l a 的冷起动噪声。 二是在频繁起动时。由于机油压力上升较慢，在初始的若干 循环中不能为h l a 提供足够的机油，使得空气进入h l a 的高压 油腔，也产生噪声。文献 1 2 1 提出了减小冷起动和频繁起动噪声 的方法：一是改进供油系统，包括采用热膨胀系数大的h l a 材 料、在油路中加单向阀或排气装置；二是改进h l a 的结构如图 3 - 4 、b 所示，即在普通h l a 上加防泄漏套杯和防空气进入的套 2 l 太燎删t 人学颅i 学仲论文 杯，使贮油腔构成迷宫式的结构。这种迷宫式h l a 已在l n a 公 司生产，具有很好的降噪效果；还提出了如图3 - 4 、c 所示的改进 结构，该结构可防止停机后机油从h l a 中流出，并能在重新起 动时很快地向贮油腔充油。 3 2 4 机油混气对h l a 的影响 发动机机油内混有泡沫或空气，一般认为是发动机运动件特 别是曲轴对机油的强有力搅动造成的。采用取样称重及密度法对 带有h l a 的发动机机油盘内和机油泵出口处机油混气情况进行 的测试表明，随发动机转速和机油温度的升高，混气量呈线性关 系增加，但温度的影响相对要小些；发动机负荷对混气量几乎没 有影响；机油泵出口处混气量比机油盘里的少，说明因油压增加， 一部分空气已溶于油中。 机油混气对h l a 的主要影响是使其刚度降低，气门机构动态 性能恶化。设计发动机时，高速工况下机油内最多允许混有1 的空气，而这也会导致机油体积弹性模量下降7 0 。试验表明， 机油中含有5 的空气时，h l a 中柱塞的运动每一循环都不同，并 产生较大噪声。文献1 1 的模拟计算表明，h l a 高压油腔内混气对 气门正时有很大影响；高压油腔内混气量和油路内混气多少无直 接关系，它取决于泄漏、单向阀运动情况、高压油腔压力变化、 贮油腔内空气泡大小以及空气在油中的扩散能力等因素。为使直 动式h l a 能在混气量较高甚至高达1 0 时也能正常工作，应采用 烧结材料制造h l a 高压油腔零件。这样高压油腔机油内的空气在 油压建立起来后就可很快逸出，而机油则要用1 0 3 倍的时间才能 逸出。 2 ， 太腺脞人学坝卜学位论文 3 3 小结 a i t l 。a 已有近8 0 年的发展历史，在汽车发动机上已普遍应 用。前面述及的采用h l a 时存在的优、缺点表明，掌握h l a 存在 问题的原因和找出解决的办法是h l a 工作特性研究的重点。研究 方法主要是通过试验，同时也在试验积累的基础上开发一些模拟 计算软件。 b h l a 是一种高技术产品。这不仅表现在其柱塞和柱塞套的 加工精度更高，以及直动式h l a 挺柱体的制造工艺中要采用激光 焊接等新技术，还表现在h l a 总成装配精度也要高，要通过一系 列的检测以至于进行泄沉试验评定。另外，h l a 及其气门机构的 工作特性取决于机构弹性振动、机油性质等多方面因素，需要大 量的实践积累才好进行设计开发，而对于h l a 这种小尺寸器件， 要实测其高压油腔油压变化、单向球阀的运动、柱塞相对于柱塞 套的位移等参数，仍是h l a 技术发展的难题。以上这些情况有助 于理解为什么国外只有少数几个专业厂生产和研究h l a 。我国要 发展h l a 也宜采取定点集中的方针，并应保证必要的投入。 太原删t 人学硕l 学位论丈 第四章h l a 的动力学模拟 如前面所述，文献中提出了两类h l a 数学模型：液力模型 和弹簧阻尼模型，但模型中关键参数的获取方法和一些公式的来 源，文献中都没有详述。本章将在分析h l a 不同于会属构件的 基础上，介绍h l a 液力模型中高压油腔机油作用力的计算方法， 并给出泄漏流量、单向阀最小流通截面积等的计算公式，将介绍 h l a 弹簧阻尼模型的物理意义和b o 、k o 串联的物理意义及其取 值。 4 1h l a 不同于金属构件的特点 h l a 有多种结构形式，它们的基本结构和工作原理是相同 的。h l a 依靠其高压腔的机油柱传递力和运动，具有不同于金 属构件的特点，应在动力学模型中予以考虑。 a 高压腔机油是可压缩流体，其弹性模量与机油品种以及 机油中混入空气的比例有关，也与机油温度和压力有关，在h l a 工作过程中是一个变量。 b 工作时高压腔内机油量是变化的。受压时机油从柱塞和 柱塞套的间隙泄漏到低压储油腔，而当高压腔油压低于内储油腔 ( 供油) 压力时，单向阀开启，机油流入高压腔进行补偿。 c 泄漏机油对柱塞和柱塞套的剪切力起阻尼作用。 d 回位弹簧有延长h l a 的作用。 对于d 点不言自明，下面分别对前三点作一说明。 4 2 机油的可压缩性 机油的可压缩性一般用体积弹性模量b 来表示，b 是对应于 单位压力变化的机油体积变化率的倒数。 2 4 太腺理t 人学倾i 学位论史 b = 旦a v 印 ( 4 一1 ) 式中v 和v 分别为一定质量机油的初始体积和对应于压力变化 p 的体积变化值。b 的单位