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關键词：连续可变气门;升程CVVL;解锁特性;优化设计

近年来，随着以米勒、阿特金森循环为代表的过膨胀循环技术在小排量增压发动机上的广泛使用，为同时获得理想的气门升程减小与进气门提前关闭（EIVC）、气门升程增大与进气门推迟关闭（LIVC）效果，连续可变气门升程（CVVL）技术受到越来越多主机厂的重新关注。

典型的应用在某日式汽油机上的VVEL技术，能够使用电机驱动偏心凸轮，改变与从动件接触的输出凸轮的摆幅，让气门升程在1.3-8.4mm.持续期在20-260°CA间连续调整。应用在宝马N系列汽油机上的Valvetronic技术，能够使用电机驱动扇形齿轮，改变中间推杆足部摆幅，让气门升程在0.2-9.7mm，持续期在0-250°CA间连续调整。此外还有菲亚特Tigershark发动机上的MultiAir和观致Qamfree发动机上的Freevalve，在取消传统凸轮结构的基础上，使用压缩液体或压缩气体为介质，灵活地控制气门开闭时刻，为气门运动规律的改变提供了全新的解决方案。

某小型增压直喷汽油机采用了可变压缩比与连续可变气门升程技术组合，提高了热效率，改善了发动机中小负荷区域特征点油耗。在该发动机进气侧，一款轴套轴式的多滚轮摇臂机构被用来改变气门运动特性，实现了发动机需求的连续可变气门升程功能。

1轴套轴式CVVL机构

1.1结构与工作原理

上文提到的CVVL机构（图1）由轴套轴凸轮轴、上下摇臂以及内外轴驱动器等零件组成。在每一缸中设置有三个凸轮，其中位于中间位置的运动凸轮与凸轮轴内轴固联，位于两侧的固定凸轮与凸轮轴外轴固联。上摇臂的两个滚轮分别与运动凸轮和固定凸轮接触，凸轮转动时两个滚轮中心点产生的位移向量在上下摇臂连接处合成，使下摇臂绕固定支点摆动，驱动气门开闭。

该机构气门的开闭有别于传统的配气机构，该CVVL系统气门的开闭是由运动、固定凸轮分开控制。气门开启段，运动凸轮始终处于最大升程状态，此时，固定凸轮逐渐由基圆转动到大升程，接触力以运动凸轮侧为支点顶开气门;气门关闭段，固定凸轮始终处于最大升程状态，此时，运动凸轮逐渐由大升程转动到基圆，弹簧力以固定凸轮侧为支点关闭气门。

机构升程和持续期变化可以通过调整运动凸轮和固定凸轮的夹角来实现。如上文所述，气门升程曲线的开启段与关闭段是交替出现的，当关闭段出现在开启未完全完成之前，气门将无法达到设计最大升程，而当关闭段出现在开启完全完成之后，气门将能够达到设计最大升程，甚至在最大升程位置持续开启一段时间（图2）。

2 CVVL机构的解锁卡滞

2.1卡滞现象与原因分析

在项目性能与排放开发阶段，对上文所述CVVL系统进行初始标定时，电控工程师发现，在转速小于1200r/min的部分工况，内轴驱动器容易锁死在初始位置，导致内轴驱动器转子不能跟随PWM信号运动至目标相位，使机构失去改变气门升程与持续期的效果（图3）。

根据以往液压式可变配气正时（VVT）机构开发经验，该问题有较大可能是由内轴驱动器解锁失败造成的，针对此现象，设计人员重点对硬件与工作条件两方面开展了检查。

经检查，故障机构内轴驱动器锁销的解锁与排油油道通畅，驱动器的解锁压力小于0.6bar，锁销间隙在0.3-0.7°区间内，完全满足设计定义。机油控制阀的阀芯与阀套间未出现卡滞，功能正常。通过接出的传感器信号可以判断，在解锁失效时刻，机油控制阀P口前油压远大于锁销解锁压力，PWM信号通畅。驱动器并不存在解锁失败的客观条件。

从内轴驱动器锁销解锁的动态过程分析，锁销在解锁过程（图4）中同时进行着两个独立的运动：a.在解锁油压推动下锁销体克服弹簧力，推动锁销体向弹簧座方向位移的解锁运动;b.在驱动器叶片带动下，锁销体向锁销孔边缘位移的绕轴转动。

解锁运动以锁销顶面完全落入转子端面，锁止功能失效为结束标志;绕轴转动则以锁销运动至锁销孔边缘，俩零件发生刚性接触为结束标志。如解锁运动先于绕轴转动结束，机构可正常解锁，实现功能;如绕轴转动先于解锁运动结束，俩零件接触时，锁销尚未完成落锁，摩擦力将阻止锁销继续下行，带来解锁卡滞问题。

根据以上分析，两种运动的结束时刻直接决定了驱动器转子能否顺利完成解锁过程。因此，计算出不同工况下解锁运动和绕轴转动的速度，对影响解锁特性的参数进行优化调整，对卡滞问题的解决和解锁功能的优化设计具有重要意义。

AMESIM是一款应用于机电液多个学科领域的成熟的一维仿真软件，通过将内轴驱动器和与其匹配的三位四通阀适当抽象简化，可以通过调取液压库、机械库和信号库中的子模型，对两种运动的特性进行建模计算。

2.2解锁运动的建模

图5是用于计算机构解锁特性的子系统模型，可以看到，机构内轴驱动器的解锁油路与提前腔油路接通，液压油经过单向阀后进入液压缸上部，在解锁油压作用下，柱塞克服弹簧力与摩擦力向下运动。模型中为锁销设置了限位块，当锁销位移超过解锁行程后，运动停止，判定完成解锁。

模型中油压通过MAP测试获得，与发动机转速和油温直接关联（表1）.机油控制阀可根据需求接受阶跃或斜率信号，机油控制阀最大流量和保持点流量也与实际产品特性保持一致。由于单向阀和液滴容积模型的存在，解锁运动的起阀时间和液压油充满密闭容积的时间在结果中也会得到体现。

2.3绕轴转动的建模

原理上内轴驱动器是一个受信号闭环控制的液压马达系统（图6），研究其绕轴转动特性的模型，主要考虑了转子叶片尺寸以及作用在其上的凸轮轴力矩、油压力矩和弹簧力矩负载，由于本文主要关注内轴驱动器锁销在锁销间隙内的运动过程，此段时间内锁销结构不对转子和定子间的相对角运动产生阻碍，模型中对离合器输入常开信号，驱动器转子转动不受限制。A71FB338-585B-462C-814E-4AF91C1994EB

模型中的转子数量和尺寸决定了驱动器在受到单位油压推动时所能产生的驱动力矩的大小。由于该CVVL机构为实现功能，内轴上的运动凸轮需要在较大的角度范围内进行转动，因此需要减少驱动器叶片数量，为转子的运动留出充足空间。绕轴转动特性主要参数见表2。

还应注意的是，由于该CVVL系统气门的开闭是由运动、固定凸轮分开控制，气门开启压缩弹簧时，两组凸轮中仅有固定凸轮发生凸轮升程变化，受到弹簧的阻力;当气门运动至关闭段，弹簧力由阻力变为助力时，两组凸轮中又仅有运动凸轮发生凸轮升程变化，受到弹簧的助力。在一个完整的工作循环中，凸轮轴力矩对外轴转动始终起到阻碍而内轴转动始终起到促进的作用。

图7是1000r/min时，计算出分别作用在凸轮轴内外轴上的凸轮轴力矩。对于内轴驱动器转子而言，阻力矩曲线的正值部分能够和油压一起，推动转子向远离初始位置的目标位置运动，而负值部分作用相反。可以看出，与常规VVr机构相比，作用在该CVVL机构内轴驱动器转子上的凸轮轴力矩不会对转子远离初始位置方向的运动产生阻碍。

2.4计算结果与分析

为了寻找解锁卡滞现象与两种运动结束时刻之间的关系，本文选取了试验过程中解锁失败率较高的1000r/min工况，研究不同油温下锁销间隙和解锁信号对CVVL机构解锁功能的影响。

计算结果如图8和图9所示，解锁运动和绕轴转动分别用虚线和实现标识。解锁运动位移达到解锁行程时，记录时间f.，绕轴转动角度达到锁销间隙时，记录时间机构顺利解锁;t-t>0，出现解锁卡滞。

2.5锁销间隙对卡滞现象的影响

锁销间隙是内轴驱动器在初始状态转子被前端扭簧推向一侧时，锁销侧壁与锁销孔侧壁在另一侧的相对夹角。锁销间隙主要由零件制造公差和装配工艺确定，其大小会对绕轴转动的完成时刻造成影响。

从计算结果可以看出，当内轴驱动器锁销间隙名义值为0.5°时，在1000r/min，各油温油压下，机构均存在解锁卡滞风险;锁销间隙名义值为0.7°时，在1000r/min和90。C油温附近，时间差值曲线部分进入了安全解锁区域;当锁销间隙名义值增大到0.9°时，在工作油温范围内机构均能顺利完成解锁（图10）。

计算中我们还发现，由于缺少凸轮轴力矩的阻碍作用，1000r/min下内轴驱动器转子绕轴转动速度达到了160-200°CA/s，远大于常规VVT机构的50-100°CA/s，这也是相同的锁销间隙取值下，机构前端的外轴驱动器解锁功能正常而后端的内轴驱动器出现解锁卡滞的原因之一。

增大锁销间隙能够改善CVVL机构的解锁卡滞，但是过大的锁销间隙会给内轴驱动器NVH和可靠性带来不良影响，尤其是在发动机油压未完全建立的冷起动阶段，锁销与锁销孔的碰撞会带来起动异响，严重时造成锁销变形，引发驱动器可靠性问题。

2.6解锁信号对卡滞现象的影响

在此项目最初的EMS開发中，为使CVVL机构具备良好的响应性，ECU会给与阶跃的PWM信号，控制驱动器解锁。阶跃信号会使机油控制阀B口迅速打开，机油快速流入相位器迟后腔与锁销孔。如果同时减少用于解锁运动和绕轴转动的机油流量，两个运动的速度都会受到抑制，但是因为解锁油腔体积远小于叶片油腔体积，绕轴转动速度受到的影响将会更为明显。为验证上述推测，我们选用斜率不同的解锁信号进行计算。

计算时锁销间隙取0.50，从计算结果可以看出，当解锁信号斜率为2000时，在1000r/min和90°C油温附近，时间差值曲线部分进入了安全解锁区域。继续压低解锁信号斜率，在斜率低于1500后，各工况下机构均能顺利完成解锁（图11）。

解锁信号越平缓，两运动时间差值越偏离0线，解锁的安全系数也逐步增加。在同时降低解锁运动与绕轴转动速度的情况下，抑制解锁过程的机油流量，对内轴驱动器绕轴转动的减速效果更为明显。

由于解锁时间在内轴驱动器整个运动过程占比很小，仅在解锁阶段降低B口流量，对整个运动过程的绕轴转动速度影响不大，经核算，在2.3bar油压和90°C油温下，使用斜率为1500的解锁信号，较使用阶跃解锁信号，内轴驱动器从0°CA运动至40°CA仅变慢4.6ms，斜率信号对绕轴转动速度影响可以忽略。

3优化设计测试验证

3.1解锁功能的优化设计

为彻底解决解锁卡滞问题，工程师在硬件和软件方面对此CVVL机构都实施了优化。硬件上，通过调整内轴驱动器子零件配合公差，在锁销间隙上限0.7°不变的情况下，将锁销间隙下限由0.3°上调为0.5°，避免过小的锁销间隙降低解锁安全系数;软件上，通过使用斜率信号取代阶跃信号控制机构解锁，同步降低绕轴转动速度和解锁运动速度，提高机构安全解锁的可能性。

3.2解锁功能验证

如图12所示，验证台架由电机、外接机油控制装置、装有CVVL的缸盖总成和内外轴相位传感器等构成。工作时，电机模拟曲轴，拖动进气凸轮轴转动，外接机油控制装置将目标温度和压力的机油分别从缸盖前后端油道送入，内轴驱动器电磁阀接收开发ECU传递的PWM信号，驱动CVVL机构完成解锁与调相功能。由于锁销结构处于内轴驱动器内部，测试中难以将其运动信号直接导出，因此本次测试中，以内轴实际相位与理论相位的一致性作为解锁的判定。

图11结果显示出，保持0.5°锁销间隙不变，Step信号下各油温均出现解锁卡滞问题，换为Slope1000或Slope1500信号，卡滞现象出现改善，我们尝试通过测试将此现象复现。表3和表4为预测结果与实测结果对比，每个工况测试5次，1次解锁失败即判定NG。

4结语

本文通过系统的分析一种特殊的CVVL机构工作原理，将其在部分转速下出现解锁卡滞的原因锁定为：

a.凸轮轴力矩对内轴驱动器转子运动只促进不阻碍，以及阶跃的解锁信号使得驱动器转子绕轴转动速度过快。

b.锁销间隙下限过小，导致部分工况下，解锁运动不能在绕轴转动之前完成。

针对故障现象，工程人员对CVVL解锁及关联结构进行了建模与计算，根据计算分析结果提出上调锁销间隙下限值，以及改用斜率信号控制解锁的软硬件优化对策。通过搭建缸盖倒拖台架，对仿真结果的一致性与优化对策效果进行了实测验证。经验证，锁销间隙在0.5°-0.7°之间，采用斜率<1500的Slope信号控制后，机构解锁顺畅，解锁卡滞问题得到了妥善解决。

本文提出的解锁功能优化设计方法，能够在类似的叶片式液压马达系统中推广应用，为此类系统的解锁特性研究和关键参数定义提供较大便利。A71FB338-585B-462C-814E-4AF91C1994EB