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连续可变气门升程机构的分析综合和计算机辅助运动学分析
Adrian C Clenci1,2, Vasile Hara1, NicolaeDoru Stanescu1,Adrian Bızıiac3
and Rodica Niculescu1
摘要
本文介绍了一种为汽车火花点火发动机设计的原始连续可变进气门升程机构。本文首先介绍了可变进气门升程机构的运动学分析综合，其中包括从进气门升程定律开始计算所需的进气凸轮型线。然后通过使用所获得的凸轮型线，使用CAD软件来执行可变进气门升程机构的计算机辅助运动学分析。使用CAD软件进行的运动转换的准确性通过检查结果进气门升程定律与执行分析综合时使用的强制定律之间的相关程度来验证。运动学分析的目标首先是找到进气门升程的部分定律，对应于发动机部分负载，其次是找出命令机构的元件的传递函数，即这些元件与进气门升程定律。设计可变进气门升程机构在发动机样机上成功运行，并证明了其极大的改进潜力。
关键词
气门机构，可变气门驱动，凸轮型线，运动转换，火花点火发动机
介绍
如今，汽车制造商正面临着大幅降低油耗的挑战，以满足法规和客户的需求。历史上，轻型车辆的发动机选择包括火花点火发动机或压缩点火发动机。气门控制的改进与其他技术一样，意味着将火花点火发动机的效率更接近柴油发动机。
在火花点火发动机的传统气门机构中，气门驱动作为凸轮轴旋转角度的函数而定。 可变气门驱动（VVA）提供了对气门事件控制的灵活性，从而显着提高了发动机效率。
长期以来，VVA一直引起许多研究人员的兴趣，成为大量科学出版物的主题。有许多VVA系统：机械式，液压式，电磁式，电液式和无凸轮式。[1]当然，每种都有其优点和缺点。最近采用了一些非常先进的VVA系统进行大规模生产，这使人们更关注这项技术。例如：宝马凭借其机械系统ValvetronicVanos，提供持续可变的进气门升程（ViVL）和正时; [2,3]日产还将其机械可变气门机构和升程（VVEL）系统推入批量生产;[4,5]菲亚特采用了称为Uni或Multi-Air的电动液压VVA系统，基于“空动”原理可以持续改变气门的系统;[ 6]奥迪气门升程系统（AVS）是一种调节进气和排气升程的简单机构着眼于于负载和发动机转速两个阶段; [7]丰田将已知的可变气门正时与智能相结合，并采用全新的ValveMatic机构，可不断改变进气门的升程，从而更好地控制进气流量。[8]
由于这些机制旨在确保发动机气门机构的可变性，所以它们显然比传统气门机构更复杂; 因此，在采用VVA系统进行批量生产之前，必须解决诸如封装，动态性能，功耗，可靠性，可重复性和成本效益等几个问题.[1,9-11]
本研究的主题是一个基础的连续ViVL机制。[12,13] Clenci等人[14,15]给出其对火花点火发动机的效能的正面影响。本研究首先介绍了ViVL机制的分析综合，即从给定的进气门升程定律开始，必须计算进气凸轮型线。其次ViVL机构的计算机辅助运动分析主要是为了计算与发动机部分负载相对应的进气门升程的部分定律。这项研究是一项研究计划的一部分，该计划通过在小型化技术中使用ViVL，可变压缩比和涡轮增压技术，改进火花点火发动机在怠速和低负荷以及速度下的运行，[13,16]我们的团队进行很多年了相关研究。
系统描述：原型引擎
目前，皮特斯蒂大学正在开发具有ViVL，可变压缩比和涡轮增压功能的自适应发动机。由于其复杂性，初级阶段首先仅证明ViVL系统的可行性。 因此，开发了两台能够无节气门运行的ViVL直列四缸发动机原型（图1），其特点是：
- OHV型机构，两个气门/气缸，1.4升排量和端口燃油喷射系统;
- OHC型机构，两个气门/气缸，1.6升排量和端口燃油喷射系统。
如图1所示，在两种配置（OHV-顶置阀和OHC-顶置凸轮轴）中，它都涉及典型的推杆/摇杆式机构。以OHV型（图1（a））为例，进气门升程可以在发动机运行过程中连续调整，因为它由一个摆动从动件2和一个滑动件5组成。从动件上的滑动件位置是借助连杆4和控制杆3进行控制，使得在发动机运行期间每个气门升程可以在最小值和最大值之间连续实现。当杠杆3的角位置由相对于水平轴的11°角不变时，发生进气门最大升程定律。相反，当杠杆3固定在89°位置时，达到进气门最小升程定律。在杠杆3的这两个极端位置之间，通过将杠杆3固定在一个自由选择的位置，该机构可以达到任何气门升程规律。控制杆动力目前由安装在发动机上的液压缸提供，该发动机由发动机主油道供油.[12,13]
可变进气门升程机构的综合分析
随后介绍图1（a）所示机构情况下进气凸轮的综合分析。 它是一种经典的运动学方法，主要处理几何参数和传输函数的建立，如前面讨论的那样[10,17-19]。其他方法使用Euler-Savary理论20和Gruebler和Harisberger定理，18根据凸轮机构和一定数量位置的四杆机构之间存在对应关系。挺柱的情况可能会有同样的结果。
关于凸轮轴旋转角度的气门升程定律，即，应该是已知的（该定律取自具有传统气门机构的基准发动机，即固定气门驱动）和计算凸轮型线然后制造（图2）。
设定连杆4和杠杆3之间的旋转接头的中心O2是固定点。当凸轮1和从动件2之间的接触点位于凸轮基圆上和推杆3上的点T，与点E和O共线，完成进气门最大升程定律（图2（a））综合计算。
该计算是通过将组件机构中的ViVL机制的整个组件分成如下来计算的：
凸轮 - 摆动凸轮从动机构
这个子机构有两个部分：凸轮1和从动2（图3）。 从动件与凸轮接触的区域具有以点e为中心且半径为re的圆弧形状。
凸轮作用于从动件的结果是它在两个方向上都有角度转动; 因此名称为“摆动从动件”。从动件最大旋转角度Dmax是在凸轮前端作用时得出，即当点e在点处移动时。 如果首先找到点的坐标，则可以找到从动件的最大旋转角度。 由于点在两个圆的交点处，其坐标由它们的对应方程得出
（1）
其中第一个关系表示以绝对坐标系xOy的原点为中心并且半径等于R re的圆的方程，而第二个关系表示以点为中心且半径等于O1e。
利用图3(a)中的数值，相对于绝对坐标系定义的点的坐标为=9.2638mm，= 57.1335mm。
此时，从动件的最大旋转角度max为5.0683°，由以下标量积产生
(2)
为了建立合成公式，我们考虑了以下参数（图3（b））：x1Oy1是一个移动参照系，与凸轮1刚性连接，而x2O1y2是另一个移动参考系，与跟从动件2刚性连接 ，轴的单位矢量分别为x1，y1和x2，y2。 后者是根据固定参考系xOy的单位向量和旋转角度来表示的。
在几何接触点A处，有两个材料点：A1属于凸轮1；A2属于从动件2
如果X0和Y0是从动件旋转中心O1的坐标，则其在固定参考坐标系xOy中的位置由以下矢量
(3)
在参考坐标系x1Oy1中，点A1具有由矢量定义的位置
(4)
而在参考坐标系x201y2中，A2点具有以下矢量位置
(5)
图 1. ViVL机制：（a）OHV型和（b）OHC型.
图2.进气凸轮的综合：（a）-气门升程与凸轮轴旋转角度和（b）物理凸轮
图3.凸轮摆动凸轮从动机构的计算图
可以注意到A点相对于固定参考系xOy的位置
(6)
由于以下表达式成立
(7)
同
, (8)
和
, (9)
点A坐标在固定的参考坐标xOy中为
(10)
从动件的位置在参考系x201y2中由参数方程x2 = x2（lambda;），y2 = y2（lambda;）给出，同时给出函数。 因此，考虑以下公式：
(11)
在x1Oy1中，这两个函数根据单个参数定义了一系列曲线。 这个矩阵的包络曲线是凸轮的型线，它由以下条件给出[17,18]
（12）
计算上式，它是具有旋转从动件的凸轮的方程
(13)
从动件的圆形接触区相对于系统x2O1y=通过具有单个参数lambda;的两个方程来描述
(14)
并且如果它们在等式（13）中被替换，则当表达式（）是已知的时候可以获得参数lambda;
(15)
因此，x2和y2可以借助于关系式（14）来计算。
最后，从关系式（10）可以获得参考系x1Oy1中的凸轮轮廓的点的坐标
(16)
使用图3（a）中的值，
(17)
因此，关系（14），（15）和（16）为
(18)
(19)
(20)
为了计算凸轮型线，需要H = H（t）函数，其中H是平移从动件的位移，具有垂直于平移运动方向的平面表面连接，并且变量t是凸轮旋转角度（图4（a））。
首先，通过检查等号的存在来验证整个计算，其中角度是来自气门升程定律的参数，S = S（），同时，#39;是凸轮的旋转角度，从初始位置开始，其中x1 = r0，y1 = 0，r0是基座 圆的半径凸轮。
表达式将会计算出参数整个的变化区间，然后得出，极坐标半径r与切线之间的夹角gamma;（图4（b））计算如下
R= （21）
图4.凸轮加工参数。
在图4（a）中可以看出
(22)
对于一系列的s，将计算t和H的序列，并且因此可以定义函数H = H（t）。 最后，这个函数将被安排选择参数t的值，并且逐个表示H度的值。
四杆机构
图1（a）中的元件2和5共同旋转，其中心在点B上，这是半径等于168毫米的圆的中心，在从动件2上生成，也在滑动件接触表面上生成。因此，从元件2和5之间的连接来看，元件2可以用具有恒定长度的固定杆O1B代替，固定杆O1B相对于固定的旋转接头O1以相同的角度旋转。作为元件2;接着元件5围绕零件2围绕在点B处的可移动旋转接头旋转。元件5具有三个旋转接头：B，C和T.在点C处，元件5具有与连杆4的旋转接头，转向杆3具有与杆3的旋转接头。对于每个给定的进气门升程值，杆3保持在固定位置;因此，O2是一个固定的旋转中心。在可移动点T处，滑板5与推杆6具有旋转接头。点C相对于元件2旋转，半径为160mm的圆上，其旋转中心位于点B处;因此，节段BC具有恒定的长度（160mm）。
因此，杆O1B和O2C在固定点O1和O2处具有旋转接头，并且杆BC在B和C处具有旋转接头。结果，可以限定四边形机构O1BCO2，其中O1B是驱动杆 ，O2C是驱动杆，BC是连杆（图5）。
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