发动机气门动态测试
发布日期:2020-03-11 19:20:34

德国Polytec高速型激光测振仪结合Rotec旋转分析软件,已被广泛用于测量和分析高速气门机构的动态特性,即便是赛车引擎,亦能确保气门机构构件能满足强度、耐磨度和精确度等多方面需求。


引言

随着科技的进步,工程师和技师们会面临越来越多的要求:更加严格的排放标准、更低的燃油消耗率、更小的噪声及不断提高的驾驶舒适性,而气门机构的设计质量对于发动机的性能有着多方面的重要影响。

 

现代气门机构系统必须同时满足两大条件:进气通路面积大以满足换气要求;阀门高速开启和闭合。气门机构的速度和加速度变化极快,并具有较大升程,这些都将引起结构振动和组件应力。因此,研发方案必须确保气门组件满足强度和耐磨度要求,并确保气门机构能在严格的规格和公差下工作。

 

通过Polytec专业的测试设备并结合专业的分析软件(基于PC的旋转分析系统RAS,由德国Rotec GmbH软件公司专门开发而成),可满足复杂的气门机构测试需求。如今,大量这样的系统已在世界各地的汽车测试与发展部门得到广泛应用。


测试装置

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图1为典型的气门机构测试装置。通过轴上安装的增量编码器,或扫描装有磁性拾音器的齿轮,来获取凸轮轴速度和角度。通常使用感应式位移传感器或电容式位移传感器来测量点火或熄火状态下的气门升程。

 

Polytec公司的高速型激光测振仪系统(HSV),是气门机构动态测试工具的不二选择。HSV的优点包括:非接触式、高分辨率、测量速度达40 m/s、线性信号输出。测量气门速度时,带宽达50kH;测量气门升程时,带宽达250kHz。差分测量可补偿不良振动和移动。

 

即使在高性能赛车试验台上,通过HSV系统与RAS系统的有机结合,亦能完成严苛的气门机构动态测量和分析。在获取如凸轮轴转速、气门升程和气门速度这些数据的同时,还可以获取其它测试数据,如气门弹簧负载等。  

 

RAS转速通道需要TTL方波作为信号输入,通过10 GHz / 40位高速计数器/定时器,来记录每个脉冲上升沿(或下降沿)的时间间隔。RAS模拟通道采样频率为400kHz,分辨率16位。在气门机构测试中,需将气门升程和气门速度的时域信号转为角域信号。因此,可使用齿轮和位移计(取代旋转编码器)测量得出凸轮轴转速和转角。即使是缺齿齿轮的信号也能被RAS处理,这是RAS软件的一大重要优势。


典型结果

RAS气门机构软件提供多种气门运动分析功能。图2是用3D图像显示气门升程。在凸轮轴转角和转速坐标系下,通过Polytec的HSV测量获取气门升程,如图2a所示。同样,由HSV测量得出气门速度(图2b)。由于测量过程中凸轮轴速度是变化的,使用m/rad作为单位比使用m/s更有意义,在RAS软件可设置选择这两种单位的其中一种。使用RAS对气门速度进行一阶求导,得出气门加速度,其标准单位是m / rad2,如图2 c所示。软件还具有对信号先行低通滤波再微分的功能。


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图2:a)在凸轮轴转角和转速坐标系下的气门升程;

b) 在凸轮轴转角和转速坐标系下的气门速度;

  c) 在凸轮轴转角和转速坐标系下的气门加速度。



测量气门关闭速度和关闭角度的方法有若干种。一般来说,在气门关闭过程中升程阈值是额定的。然后,从最大升程开始,当气门升程低于升程阈值时,根据凸轮轴转角,得出气门关闭速度和关闭角度。或者,找到特定阈值的位置,根据凸轮轴转角,找到气门加速度的第一个局部峰值,然后在该位置确定气门关闭速度和凸轮轴角度(图3)。


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图3:在凸轮轴转角坐标系下的气门关闭速度(绿色)和关闭角度(蓝色)


图4用等高线图显示凸轮轴转角坐标系下的气门速度,可以发现气门弹跳明显。气门落坐时凸轮角度约288度。交替的红色和绿色显示的是阀门在最终静止前对底座的冲击。

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4:阀门落座时冲击力

结论和展望

RAS气门机构软件还提供了多种其它功能,如将测量得到的三维视图和理论曲线进行比对,或在启动和关闭阶段确定气门升程损失,阀门打开和关闭时间等。气门材料和几何参数可用于研究凸轮与挺杆构件应力(赫兹应力)。

 

事实证明,使用高分辨率测量设备和专业应用分析软件,可帮助工程师们和技师们获取有价值测试结果,有效缩短产品开发周期。

 



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