【《凸轮驱动的全可变液压气门系统设计分析案例》5600字】

凸轮驱动的全可变液压气门系统设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u66331.1全可变液压气门系统的组成及工作原理 170981.2匹配单顶置凸轮轴驱动的FHVVS结构设计 23101.2.1FHVVS机械传动系统设计 3130931.2.2FHVVS液压系统设计 4196171.2.3FHVVS控油阀部件设计 6120381.2.4FHVVS整机布置方案设计 713371.3全可变气门的控制系统结构及控制方法 9114331.1.1进、排气门一体控制方案 945281.1.2进、排气门独立控制方案 1010881.4气门全可变功能验证及升程测量试验台架搭建 11针对车用重型柴油机可变配气系统的功能需求，结合全可变液压气门系统的基本结构组成及工作原理，以满足运行功能为前提同时兼顾使用成本对某六缸柴油机的配气系统进行气门全可变功能结构设计，并与相应凸轮型线及控油阀部件匹配实现柴油机进、排气门全可变功能。1.1全可变液压气门系统的组成及工作原理图3-1为匹配凸轮轴顶置式发动机的FHVVS基本结构，其组成包括：配气凸轮，作为推动气门开启的动力源，同时对发动机的配气正时进行精确传递；液压挺柱，将凸轮的旋转动作转化为直线往复动作，推动系统高压油道内的液压压力升高；液压活塞，接收来自高压油道内的压力驱动气门开启和关闭，内部落座缓冲装置确保气门平稳落座不发生反跳，活塞头部的气门间隙调整机构简化气门间隙调整过程，实现气门间隙自动调整；控油阀，根据设定泄油接通时刻及接通持续期使高压系统内液体适时泄入低压系统；高压入口单向阀，是低压系统向高压系统补油的通道，保证每个工作循环初始液压状态满足系统正常运行条件。图3-1匹配顶置式凸轮的FHVVS基本结构控油阀是气门实现全可变功能的元件核心，由壳体、阀套和阀芯组成，如图3-2为其基本工作原理示意，其中阀芯在控制阀传动齿轮带动下按照发动机配气正时同步转动，阀套在某一稳定工况下的位置保持固定。两者上设置的泄油孔在发动机每一个循环中一次或多次接通，若此时凸轮任意上升段推动挺柱上行使高压油道产生高压，则如图中所示油液流经壳体-阀套-阀芯进入低压系统，实现高压系统内压力降低，最终表现在气门上为气门不开启或提前回落。图3-2控油阀基本工作原理示意1.2匹配单顶置凸轮轴驱动的FHVVS结构设计某型号六缸柴油机采取单顶置凸轮轴驱动，考虑到该机型结构尺寸大，工作较为粗暴对可靠性要求高，并且对进、排气门可变功能需求多等因素，采用模块化分析实现对FHVVS机械传动系统、液压系统、控油阀部件的结构设计。1.2.1FHVVS机械传动系统设计机械传动系统根据其功能划分可大致分为两组，一组为配气凸轮驱动链，另一组为配气凸轮轴齿轮驱动链。如图3-3为配气凸轮驱动链组，其中配气凸轮通过推动摇臂部件绕摇臂支柱摆动来推动液压挺柱实现往复运动，经由液压活塞体运动驱动气门动作。图3-3机械传动-配气凸轮驱动链示意在配气凸轮及液压挺柱之间增设了摇臂作为中间传动元件，一方面可以通过将图3-1中凸轮与液压挺柱间直接接触的滑动摩擦转变为配气凸轮与摇臂滚轮的滚动摩擦，同时给予足够的润滑，从而减轻磨损延伸机械接触件的工作时限；另一方面通过加入机械结构摇臂比可在一定程度上降低配气凸轮的最大升程，从而增大其曲率半径，优化凸轮的受力情况。受进、排气凸轮距离限制，采用内弹簧形式的液压挺柱结构通过增设弹簧导向结构以降低挺柱腔的容积。在结构布置尺寸允许范围内，增大液压活塞受压面积，以降低极端工况气门开启时产生的反映到高压系统的压力，改善FHVVS整体机械结构受力情况。图3-4为配气凸轮轴齿轮驱动链组中配气正时传动过程示意。通常情况下凸轮轴齿轮与控油阀传动齿轮的传动比为N:1，考虑到柴油机转速较低，同时为保证在一个工作循环内能够对进、排气门进行较大曲轴转角范围的控制，设计传动比值为1:1，即曲柄转动2圈，凸轮轴转动1圈，控油阀阀芯也转动1圈（360°CA）。配气正时的准确传递是控油阀正常工作的根本，设置凸轮轴齿轮齿形对称中心线与凸轮轴正时销孔成固定安装角度确定初始正时位置，通过可拆卸中间传动齿轮结构调节后续正时传动链，在中间传动齿轮及控油阀传动齿轮固定位置设计啮合标记保证每次安装的可操作性和准确性。图3-4机械传动-配气正时传递过程示意1.2.2FHVVS液压系统设计FHVVS是典型的机械-液压复合传动系统，液压油在系统正常工作的过程中起到传动介质及润滑机械零部件的作用。其液压系统可根据润滑油压力高低分为低压系统及高压系统，不同于传统液压系统高低压的划分标准，FHVVS的低压系统一般为发动机润滑系统压力0~0.5MPa，瞬时油压最大值不超出0.7MPa；正常工作压力超过该限制的则为高压系统。图3-5为FHVVS壳体低压油路布置图，低压油路交错纵横的存在于壳体各个位置。其流通过程可通过图3-6简单概括。系统接收来自发动机润滑系的润滑油，经缸盖入口单向阀后进到FHVVS内部，此处单向阀的作用是当发动机停机时，进入到可变配气系统的润滑油不会倒流回发动机油底壳内，保证系统内部自身油液量稳定；缸盖入口单向阀流出油液中的一小部分进入液压活塞间隙调整机构，一部分流向摇臂部件用以润滑摇臂支柱球头及摇臂滚轮（可间接润滑凸轮工作表面），还有较大部分经壳体入口单向阀进入到FHVVS低压储油腔，此处单向阀的作用是防止进入到储油腔的油液受到其他气缸液压压力变化或其他用油零件干扰而流出，影响该气缸正常工作；低压储油腔内的油液通过高压入口单向阀供给到因控油阀接通而发生泄油动作的高压油道内，当泄油与补油动作能够平衡时储油腔内油液实现“自给自足”，当部分工况储油腔内的压力值超过允许最大低压压力0.7MPa时，蓄能器开启泄油实现低压系统泄压，而当蓄能器不泄油时则能使低压储油腔维持在较大低压压力，加快向高压油道的补油速率。图3-5FHVVS壳体低压油路布置图3-6FHVVS低压油路流通过程与较为复杂的低压油路相比，高压油路的布置则较简单，如图3-7为FHVVS高压油路在壳体中的布置，其中单个壳体内左侧油路为驱动排气门开启高压油路，右侧油路为驱动进气门开启高压油路。图3-8表示出高压油路的流通过程：由挺柱运动而形成的挺柱腔高压油经控油阀油道（图3-7中的环形流通通路）进入高压油道，而后进到液压活塞腔使活塞体运动来驱动气门开启。受结构布置的实际空间影响，高压入口单向阀布置于2个液压活塞之间，这使得单向阀既起到向高压油道补充油液作用，又化为高压油道的一部分用于流通液体、传递压力。同时为了保证FHVVS所有受压零件的可靠性，在高压入口单向阀上集成液压安全阀结构来保证高压油道内的最大液压力不超过安全限制。高压油路除控油阀部件接通泄油及单向阀开启补油外，其余零部件均保持密闭状态。图3-7FHVVS壳体高压油路布置图3-8FHVVS高压油路流通过程1.2.3FHVVS控油阀部件设计根据控油阀的工作原理，若异名气门（即柴油机进、排气门）都要实现全可变功能则需要两套独立的控油阀部件进行可变控制，考虑实际柴油机的结构紧凑性要求，设计了如图3-9所示的进、排气“一芯两阀”的控油阀结构，该结构通过同一阀芯同步转动，装配各自独立的进、排气阀套组成两个独立控油阀。图3-9进、排气“一芯两阀”控油阀结构其中控油阀阀芯随凸轮轴正时齿轮同步转动，通过分别控制进气阀套或排气阀套转动来改变进、排气门的升程。控油阀兼顾控制高低压油路通断及高压油流通（阀套及壳体上设置有环形通道）的功能，当进气挺柱腔压力升高时，若进气控油阀不接通则压力传递至进气高压油道，若控油阀接通则高压油经阀套、阀芯泄油通路将油液泄入低压储油腔内，排气门一侧的可变操控过程与进气门一侧相同。由于进、排气控油阀均取用360°CA范围内的可变控制，且进、排气门开启相位存在重叠，为防止其中某一控油阀发生泄油动作时造成低压油腔压力瞬时升高而影响同一气缸异名气门开启，故将进、排气控油阀泄油通路分隔开，通过尽可能远的液压压力传递距离减少异名气门间的相互干扰。1.2.4FHVVS整机布置方案设计可变配气系统的匹配设计对象为某六缸-整体式缸盖-单顶置凸轮轴驱动柴油机，如图3-10为其缸盖顶面视图。图3-10某六缸柴油机缸盖顶面视图从图中可以获得一些基本设计参数：1至6缸自左至右排布，各气缸进、排气道布置方式基本相同，可以进行一致性设计简化设计过程；气门偏置于缸盖一侧，4气门呈菱形竖直布置，左侧为排气门，右侧为进气门，中间孔为喷油器安装孔；发动机润滑油自缸盖两侧绿色供油孔供给配气系统；缸盖为每气缸的配气机构提供2个定位销孔（图中黄色标记）和4个固定螺栓孔（图中蓝色标记）位置，可以保证装配定位准确、安装牢固。图3-11为完成匹配设计的FHVVS气门侧视图。液压系统油液供给方面，通过供油管路连接实现缸盖两侧油孔对6个气缸的可变配气机构供油，其润滑油流通过程如图中绿色箭头所示，同时预留出缸盖顶面其他零部件取油接口，满足对凸轮轴滑动轴承等基本构件的润滑需要；采用液压活塞直接驱动气门方式，取消气门桥结构以降低配气机构高度，同时平均分配单液压活塞开启两个气门时的驱动力，优化零部件受力情况；壳体及其他零部件位置避开喷油器及压板的安装，保证各零部件可独立更换而不发生干涉。图3-11匹配六缸柴油机的FHVVS气门侧视图图3-12匹配单顶置凸轮驱动的FHVVS整体布置图3-12为匹配单顶置凸轮轴驱动的FHVVS整体布置图。通过功能整合将每两个相邻气缸配气机构作为一组进行成对设计，简化多缸机正时传动链组。如图中配气凸轮轴齿轮装配位置显示，这种布置方式可以减少同轴齿轮数量，明显降低实际加工过程在凸轮轴上实现多齿轮、固定角度投影重合难度，满足FHVVS控油阀对泄油时间的精准调控；两气缸成组设计以方便进行组内气门运动均匀性调节，形成模块化结构方案方便在多缸机上进行相似设计。1.3全可变气门的控制系统结构及控制方法从上节中控油阀结构可知，实现“一芯两阀”控油阀对同一气缸进、排气门的可变调节依靠改变或保持控油阀-阀套的角度位置，因此在实际使用中需要配套控油阀控制系统实现气门开启和关闭随工况的快速转换调节。根据气门可变功能的不同需求，设计两种控制系统结构及控制方法实现进、排气控制。1.1.1进、排气门一体控制方案进、排气门一体控制方案的进、排气控油阀共用一个控制电机进行控制，并且为了减少控制电机的使用数量，相邻两气的控制轴通过中间齿轮连接。其主要结构组成包括进气控制齿扇、进气阀套、排气控制齿扇和排气阀套。其中进气齿扇通过内、外花键配合与花键轴始终保持固定连接，排气齿扇推动销与花键轴固定连接，可随花键轴在排气齿扇的缺口空行程内转动，只有在与排气齿扇缺口平面接触后才带动排气齿扇同步转动。图3-13进、排气门一体控制方案实现进、排气门控制过程图。控制开始过程从进气控制开始，当需要进气门可变控制时，控制电机齿轮带动连接齿轮转动，与其固定连接的花键轴和进气齿扇、排气齿扇推动销同步转动，进气齿扇带动进气阀套转动，实现进气控油阀泄油角度改变，此时推动销处于空行程不推动排气齿扇转动；当进行排气可变控制时，电机齿轮继续转动直至越过所有进气控制角度，由于此时进气凸轮处于基圆位置，故进气控油阀无论在何处接通均不会影响进气门关闭这一动作，而此时推动销已与排气齿扇缺口平面接触，之后电机将继续带动排气齿扇转动，实现排气控油阀泄油角度改变，当不需要排气控制使电机复位后，排气齿扇由回位扭簧带动恢复到工作初设零点位置。由于仅采用单电机控制故无法对进、排气门实现同时控制，即进气门控制时排气门处于设定初始位置不可调节，排气门控制时进气门按照最大设计升程开启。图3-13进、排气门一体控制方案控制过程1.1.2进、排气门独立控制方案针对进、排气门一体控制方案的不足，新设计进、排气门独立控制方案，它克服了一体控制时的顺序限制，扩展进、排气门可变控制功能范围及开启组合方式。图3-14可以清楚展现进、排气门独立控制方案的控制过程。（a）进气控油阀控制过程（b）排气控油阀控制过程图3-14进、排气门独立控制方案控制过程进气控油阀的控制过程为：进气控制电机输出轴连接电机齿扇转动，带动与其啮合的进气连杆控制齿扇，在进气连杆上固定连接有进气阀套齿扇及连杆控制齿扇，因此转动最终传递至进气阀套上，实现进气控油阀泄油角度改变。排气控油阀的控制过程如图3-14（b）所示，排气控制电机输出轴连接电机齿扇，与其啮合的排气阀套齿扇1兼具直接带动一个排气阀套转动的功能，同时能够连接排气阀套齿扇连杆将转动传递至排气阀套齿扇2，从而带动另一排气阀套转动，实现排气控油阀泄油角度变动。排气阀套齿扇的转动中心轴直接由进气连杆充当，通过在其内孔安装滚针轴承减小不同零部件的摩擦，保持进、排气控制过程彼此独立、互不扰动的控制效果。1.4气门全可变功能验证及升程测量试验台架搭建根据设计图纸试制加工的全可变液压气门机构样件需要通过试验对其功能结构、控制策略及加工精度等方面进行综合分析评估。对于配气机构来说，通常采用倒拖试验采集气门升程数据的方法进行验证，考虑目标机型为顶置凸轮轴驱动方式，因此通过搭建缸盖及配气机构倒拖试验台架来简化台架搭建过程、降低试验成本，同时为后续拆装、测量、调试工作的进行提供方便。图3-15为气门全可变功能验证试验台架结构