摘要：配气机构设计合理与否影响整机的经济性、可靠性和噪声。随着发动机特别是中小型发动机不断向高功率、高速度发展,配气机构的可靠性和耐久性问题更加突出。以获得理想气门运动规律为目标,防止出现飞脱反跳,改善配气机构各运动件间的受力状态,降低接触应力以减少磨损已成为配气机构设计时应主要考虑的问题。基于此，本文从摩托车发动机配气机构性能评价的基本原则出发，论述了发动机配气机构的应用优化方向。
关键词：摩托车；配气机构；优化措施
一、摩托车发动机配气机构介绍
配气机构是内燃机的重要组成部分，配气机构的可靠性直接影响到汽油机的经济性、动力性和可靠性，并与汽油机的噪音与振动有着直接的关系。配气凸轮、气门、气门弹簧是配气机构的心脏，在配气机构中起着决定性的作用，其可靠性设计对机构的充气性能和动力性能具有决定性的影响。其设计优良与否直接影响内燃机的可靠性及性能指标。然而，目前我国在开展摩托车发动机配气机构的优化研究成果较少，主要以凸轮型线的优化来提升摩托车发动机性能作为发动机配气机构优化研究的切入点，然而对于凸轮型线的优化来降低摩托车发动机配气机构的磨损研究成果较少，因此，我们有必要加强对于摩托车发动机配气机构的优化研究工作。
二、摩托车发动机配气机构性能评价原则
1.良好的换气质量
为了保证发动机有良好的换气品质 ，要求配气机构具有尽量大的通过能力，常用开启断面积与开启时间的乘积即时面值来表示气门机构的通过能力，并用丰满系数来评价时面值。充气系数随丰满系数的增大而增大，但过大的丰满系数会使配气机构工作可靠性和平稳性变差，一般取0．55左右。
2.动力特性是否符合标准
一般来说，为了能够准确的评估发动机配气机构内部各个零部件自身的冲击承受能力，主要以气门的飞脱以及反跳现象作为评价标准。通常情况下，气门的加速度一般会保持在规定的数值范围，此时我们可以借助于气门加速度曲线变化率的最大跃度值来观测配气机构气门运动的稳定性。一旦最大跃度值超过 1000mm/rad3，那么此时发动机配气机构自身的动力运转处于不稳定的状态。
3.接触应力是否处于标准数值范围
作为发动机配气机构内部一对重要的摩擦零部件，凸轮以及从动件间常常面临着擦伤、劈裂以及过早磨损等问题，这些问题的产生将会直接的影响到发动机配气机构的运动稳定性。因此，在设置凸轮以及从动件间时需要事先根据动力学原理对凸轮以及从动件间的接触应力计算校核工作，确保凸轮以及从动件间的最大接触应力应当处于标准数值范围。
三、摩托车发动机配气机构优化措施
1. 凸轮与摇臂接触应力
凸轮以及摇臂之间的接触应力与摩托车发动机配气机构设计参数的对应联系，联系结果如图
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原始凸轮接触应力影响因数分析 图1
当摩托车发动机配气机构的曲率半径处于最小值且气门升程达到最高值时，凸轮以及摇臂之间的接触应力将达到最大值的位置。与此同时，通过与凸轮点蚀现象的产生位置进行比对分析，我们能够发现该位置与凸轮以及摇臂之间的接触应力处于最大值的位置保持相对的一致性，为此，调整凸轮以及摇臂之间的接触应力将是实现摩托车发动机配气机构优化的主要切入点之一。凸轮与摇臂之间的作用力由于接触点的移动和摇臂的摆动，使接触点的位置和作用力的方向不断变化，摇臂两端的受力之比也不断变化。因此，降低凸轮与摇臂的接触应力的措施主要从两方面考虑，一是减少接触力;二是增大接触面积。
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降低凸轮与摇臂接触应力措施 图2
2.进气系统的改进
降低弹簧预紧力和提高凸轮的曲率半径能够有效降低应力。但是如果气门预紧力太小,将会引起高速下出现飞脱反跳。是将弹簧的预紧力降低20%的仿真结果,在高速时发生了飞脱反跳降低弹簧预紧力和提高凸轮的曲率半径能够有效降低应力。但是如果气门预紧力太小,将会引起高速下出现飞脱反跳。是将弹簧的预紧力降低20%的仿真结果,在高速时发生了飞脱反跳。
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降低预紧力后高速下的气门运动规律 图3
调整曲率半径会导致凸轮型线改变。考虑到产品已经定型,企业希望对进气系统的优化尽量保留原系统的特性。由于很难寻找降低该进气系统接触应力的方案,因此转向提高许用接触应力的思路。原系统凸轮和气门摇臂间是滑动摩擦,接触表面的相对滑动速度较大,许有接触应力较小。滚动摩擦不存在较大的相对滑动,同材料的许用接触应力将增加1倍左右。因此确定采用滚动摩擦结构作为改进方案。根据企业要求选定滚轮半径为8.5 mm。新的摇臂结构。
改进后系统性能分析根据原气门运动特性,同时考虑加工工艺等因素的思路下,设计出新的凸轮型线。改进后的气门运动特性和原气门特性。改进后的配气机构保持了原系统的最大升程和凸轮工作的包络角。出现负曲率,改进后的进气系统将缓冲段的高度减少为0.18mm,由于原机进气门间隙为0.1mm,因此该缓冲段高度满足需求,并保持了原机的配气相位。
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改进后节气门速度升程 图4
新结构的接触应力变化增加不多,但是滚动接触方式将使得许用接触应力增加接近1倍。因此,改进后的系统在整个转速范围内都小于许用应力,将不会发生磨损。
结语：
(1)配气机构的磨损可能是由于高速时飞脱反跳导致,也可能是低速时预紧力太大导致。通过摇臂磨损位置可以大致确定磨损原因。
(2)解决应力过大导致的磨损需要综合考虑高低速影响,如果单纯降低弹簧预紧力,将可能导致高速下的飞脱反跳。
(3)滚动摇臂方式可大幅度提高许用应力,在不能显著降低接触应力的情况下可改善磨损。
(4)对于小质量配气机构的测量不宜采用增加附加质量的测量方法,否则可能导致运动失真。
参考文献：
[1]刘小林. 发动机凸轮异常磨损问题研究[D].清华大学,2014.
[2]李刚. 摩托车发动机气门相位及压缩比参数测量系统[D].重庆大学,2002.
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