顺序控制滑动凸轮转换气门升程

滑动凸轮技术的特点在于其机械可靠性和循环实时工作原理，不过这种系统由于缺乏转换所必需的边界条件或由于成本原因而无法应用。蒂森克虏伯公司采用顺序滑动凸轮(PSSC)系统成功解决了滑动凸轮技术与简单控制之间的目标冲突。

多年来，滑动凸轮技术已应用于各种不同的发动机平台，凸轮升程的换档过程能在凸轮轴1次旋转周期内完成，并具有较高可靠性。这种系统能根据使用状况转换气门升程或保持气门升程不变，且与机油压力无关，通常使用2个电机操纵的圆柱销来拨动凸轮。这种工作原理的前提条件是每个滑动元件各自要配备1个或2个执行器，并安装在附近相应的凸轮轴上，而在气缸盖内的结构空间需要用于曲轴箱通风或毗邻的新鲜空气管道。另1个挑战是发动机电控单元要能在短时间提供最大的电流，用于精确地控制每个气缸的换档升程凸轮，以便在凸轮轴1个旋转周期内转换凸轮廓线。但是，因为缺乏转换所必需的边界条件，或控制成本等因素，这种系统很难实现。蒂森克虏伯公司在保持传统滑动凸轮技术优点的情况下已开发出1种新的设计方案(图1)，仅用1个执行器就可以顺序控制几个气缸的滑动凸轮。

图1 PSSC系统装配总成

这种结构方案成功地实现了机械组合各个滑动元件的转换过程，使用1个执行器就能实现这种转换过程，其所需的零部件都集成在气缸盖上，并且在气缸盖罩外无需附加的结构空间。这种被命名为PSSC的系统原则上适用于至少有2个气缸的直列式内燃机，对于3缸直列式发动机(R3)及其气缸数加倍的机型(R6、V6和V12发动机)，因点火顺序错开因而能获得更好的效果。下面将进一步探讨PSSC在R3发动机上的具体应用。为了集成这种系统，双顶置凸轮轴(DOHC)发动机需要1个执行器、1个主动凸轮、2个被动凸轮、1个带有联动销的转换滑杆和1个挡盘(图2)。

图2 PSSC系统的结构及其零部件

在PSSC系统中仍采用了传统系统中凸轮组轴向移动的原理，在凸轮轴旋转期间通常由电磁操纵的执行器拨销在规定的时间点起作用，通过与导向滑槽的接触使花键轴导向的主动凸轮实现轴向移动。由拨销-滑槽接触实现的主动凸轮轴向运动借助于附加的环形滑槽和转换滑杆上的联动销来传递，而转换滑杆支承在气缸盖中的1个导轨上。为了在工作位置上保持无负荷状态，例如滑动凸轮这些元件是由1个限位元件定位的。被动凸轮的顺序转换是相对于主动凸轮相位错开的点火顺序进行的，其中转换滑杆上的联动销与被动凸轮的控制滑槽接触，这些联动销仅沿着凸轮轴轴向移动，而其径向位置是不变的。被动凸轮滑槽的轮廓在主动凸轮和转换滑杆期间不发生力的传递，因而被动凸轮的转换力不会反过来传递到主动凸轮上。在凸轮轴上安装1个挡盘，它承受由转换滑杆传递的被动凸轮的转换力，而挡盘轴向支承气缸盖上时，直接引出这些力。为了确保在主动凸轮运动期间转换滑杆的移动，在挡盘上预先设置了1个相应缺口。

所有滑动凸轮的转换在凸轮轴1个旋转周期内完成。因为主动凸轮的常规电动执行器能通过转换拨销的反射向电控单元发送信号，且整个转换系统是被机械强制控制的，因此所有气门的转换过程都能通过电控系统来进行采集和处理。

在系统设计时，除了考虑各个零部件的耐久性和磨损之外，特别需要考虑到与挡盘有关的转换过程的时间顺序。与滑动凸轮系统相比，各个滑动元件可使用的转换角度不仅受到滑动元件基圆相位的影响，还受到挡盘的通过范围或阻挡范围的影响。图3示出了3缸发动机气门升程转换的转换图。

图3 PSSC系统转换图

在主动凸轮和转换滑杆自身的移动过程期间，转换滑杆的运动会被传递。这种运动一结束，转换滑杆在轴向上就被挡盘阻挡，并发生了被动凸轮的转换过程。此时，滑动元件的转换过程至少可使用120 °凸轮转角。根据凸轮廓线的长度与2个被动凸轮转换范围有针对性的重叠，每个凸轮元件可利用的转换角度就能增大到约160 °凸轮转角，因此就能降低转换力和提高系统的极限转速。

在滑动凸轮系统的设计中使用了多体模拟(MKS)，其目的是评价有关转换方案功能可靠性的系统动力学、确认临界负荷状态以及查明临界误差的大小。运用传统滑动凸轮系统设计方面的经验建立有关模型，并按照试验台试验的结果进行调整，为进一步应用模拟作好准备。MKS模型具有下列自由度：(1)凸轮轴转角；(2)主动凸轮、被动凸轮和转换滑杆的轴向位置；(3)使用的所有定位锁球(或定位凹口)的径向位移。

对于这些自由度，各个滑动凸轮、转换滑杆和定位锁球都被看作是具有质量的物体，其中执行器或转换滑杆的拨销与所属的转换滑槽、定位锁球与定位凹坑轮廓，以及各个凸轮与轴承套之间存在着与行程和速度相关的受力规律。与速度相关的摩擦分别发生在啮合、定位和轴承内，以及凸轮与凸轮随动件之间，其中运动质量、拨销-转换滑槽的接触刚度、系统摩擦和由所有止动产生的轴向力对所描述的系统动力学具有重大的影响。为了获得执行器结构刚度达到接近实际状况的参数，考虑了先前项目得出的力-行程测量结果。

图4示范性地表示出了在具有代表性的转速时，主动凸轮和被动凸轮模拟计算的轴向移动和转换力。因为被动凸轮的运动质量比主动凸轮小，传递到拨销-转换滑槽接触上的力较小，因此与在主动凸轮上的情况不同，加快与转换滑杆的接触，可以消除其与挡盘的间隙。同时，被动凸轮在这个阶段尚未被移动，从而产生了转换延迟。在设计期间，借助于转换滑杆与主动凸轮及转换滑杆与挡盘之间装配间隙的敏感性分析，对这种转换延迟进行了试验研究。根据所得的容差和轴与罩盖之间热膨胀或形状与位置误差来进行选择，即被动凸轮的移动不会对主动凸轮的轴向动力学产生影响。

图4 PSSC系统的模拟转换特性

基于MKS的模拟结果，由执行器拨销许可的最大转换力和转换滑杆最大可传递的力来确定系统的极限转速。正是在拨销-转换滑槽接触中转换力引起了高的赫兹压力，它与滑动接触中与转速相关的相对速度组合可能导致接触副表面的疲劳。1个摩擦稳定的系统的依靠的是最佳的转换滑槽的设计，这种设计可以减小拨销上的最大法向接触力和由此产生的赫兹压力，这样就能在转换延迟和可供使用的转换范围内实现导向滑槽较小的坡度。除了拨销-转换滑槽之间持久的摩擦磨损之外，因脉冲式的力传递在转换滑杆中产生强烈的交变应力状态，因此应在疲劳强度证据框架下来评估这些状况，以确保转换滑杆的疲劳强度。

基于中目前用于4缸发动机的量产气缸盖罩盖，研究人员对用于3缸发动机凸轮轴的气门升程转换系统进行了试验，其中第1缸气门升程凸轮随动件运行。图5示出了耐久运转结束后的功能样品。2根DOHC的滑动凸轮元件用于凸轮升程和停缸的2种凸轮廓线，仅用2个执行器就能使气缸盖上的所有气门停止工作。挡盘的轴向支承是通过采用轴承框架与气缸盖罩盖之间的1个附加铝合金零件实现的，在这种应用场合因针对用户气缸盖罩盖进行匹配而需要附加这种铝合金轴向轴承。在最佳结构设计情况下，该零件可由气缸盖罩盖或气缸盖本身来承担，从而无需附加零件。转换滑杆的导向由凸轮轴轴承附近的滑槽来承担，并由该范围内的1个铝合金滑块予以辅助，否则无法确保转换滑杆具有足够的导向。为了在转换过程中使转换滑杆保持其方位，集成了1个与弹性定位机理组合的附加轴向挡板。需要强调的是，凸轮轴表面结构并无变化。这种系统安装在现有的曲轴箱通风装置状况下，无需调整就能广泛应用。此外，为了对这种系统进行试验，已安装了数个传感器。

图5 基于量产中现有气缸盖罩盖的功能样品

在蒂森克虏伯公司凸轮轴产品开发框架中，预先对传统的滑动凸轮系统进行了广泛的试验研究，再根据产品认可过程的要求对PSSC系统进行试验，并在标准试验装置的框架中环绕附加测量点扩展了相应的测试点。试验装置相当于1种无气缸体曲轴箱的倒拖气缸盖试验台(图6)，用1根轴替代曲轴直接传动到配气机构，以便将大部分的实际运行条件和发动机正时传动皮带的回行段力传递到凸轮轴上。滑动凸轮轴向动力学的重要测量参数是气门升程、主动凸轮执行器支座上与方向相关的转换力、转换滑杆的轴向行程、转换滑杆与被动凸轮元件之间的接触力，以及凸轮轴转角等。MKS对执行器拨销与主动凸轮之间接触力的模拟比较给出了关于对系统预料不到的影响。在传统滑动凸轮系统借助于执行器上的电阻应变片测量力得到的试验结果并不可靠，因而为了能产生可测量的信号，执行器结构不得不减弱转换力，由此转换滑槽中执行器拨销的承载状况明显恶化。因此，在开发工作框架中开发了1种压电式力测量方法。这种方法无需修改执行器，因而测量系统的刚度与执行器的真实安装状况相当。在轴向动力学测量结束后，系统要经受持续的耐久性运行，并必须完成从怠速直至设计极限转速的各种不同转换转速下的几百万次转换。除此之外，还要进行超转速试验，以便即使对于无法预料到的转换状况也能确保足够的安全性。耐久性运行结束后再重新进行轴向动力学测量，以便能查明系统摩擦中磨损条件的变化。在最终鉴定零部件时，要研究摩擦接触副功能临界的磨损状况，此外还要借助于静态检验方法检验弹性球限位的轴向力，并与新状态进行比较。根据动力学测量结果就能确定相对于理论设计的良好的关联关系。图7示出了在执行器上测得转换力与MKS模拟结果的比较。在紧接着动力学测量后的超过700万次转换直至按计划试验终了的过程中该系统一直运行正常，并且没有出现异常的摩擦磨损情况。

图6 带有PSSC系统的倒拖气缸盖试验台

图7 在图4所选择的范围中执行器转换力模拟和试验结果的比较

PSSC系统成功地将可靠的滑动凸轮技术与非常简单的控制方法组合起来，这种结构紧凑的系统能很容易地集成到现有的气缸盖结构中，从而能获得最佳的不连续的气门升程转换，所展示的功能样机已证实了其所具有的良好性能，因此无需发动机前置的凸头结构型式，这种系统同样能集成到气缸盖中。与应用传统的滑动凸轮系统相比，这种系统节省结构空间、质量、电缆和密封件，并降低了对发动机电控单元的要求。结构设计、模拟和试验等开发阶段就已满足了对滑动凸轮系统的要求，从而为这种系统的推广应用作好了准备。所试验的系统配置能使气缸盖上的所有气门不工作，显示出用于P0或P1混合动力车在车辆滑行阶段不进行换气的可能性，这样就能使电机具有更高的回收功率。这种策略的另1个效果是在车辆倒拖阶段无需为废气后处理装置供应新鲜空气。其他的配置方式，如气门升程转换仅用于1根凸轮轴或者应用1种三级气门升程转换系统，同样也具有一定优点，但同样会受到传统滑动凸轮系统的限制。目前正在研究进一步的设计方案，例如采用减少执行器数量来实现停缸，或者在4缸和8缸发动机上应用PSSC技术。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第6期

作者：[德]H.NEUKIRCHNER

整理：范明强 

编辑：何丹妮