德國Polytec高速型激光測振儀結(jié)合Rotec旋轉(zhuǎn)分析軟件，已被廣泛用于測量和分析高速氣門機構(gòu)的動態(tài)特性，即便是賽車引擎，亦能確保氣門機構(gòu)構(gòu)件能滿足強度、耐磨度和精確度等多方面需求。
引言
隨著科技的進步，工程師和技師們會面臨越來越多的要求：更加嚴格的排放標準、更低的燃油消耗率、更小的噪聲及不斷提高的駕駛舒適性，而氣門機構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量對于發(fā)動機的性能有著多方面的重要影響。
現(xiàn)代氣門機構(gòu)系統(tǒng)必須同時滿足兩大條件：進氣通路面積大以滿足換氣要求；閥門高速開啟和閉合。氣門機構(gòu)的速度和加速度變化極快，并具有較大升程，這些都將引起結(jié)構(gòu)振動和組件應(yīng)力。因此，研發(fā)方案必須確保氣門組件滿足強度和耐磨度要求，并確保氣門機構(gòu)能在嚴格的規(guī)格和公差下工作。
通過Polytec專業(yè)的測試設(shè)備并結(jié)合專業(yè)的分析軟件（基于PC的旋轉(zhuǎn)分析系統(tǒng)RAS，由德國Rotec GmbH軟件公司專門開發(fā)而成），可滿足復(fù)雜的氣門機構(gòu)測試需求。如今，大量這樣的系統(tǒng)已在世界各地的汽車測試與發(fā)展部門得到廣泛應(yīng)用。
測試裝置
圖1為典型的氣門機構(gòu)測試裝置。通過軸上安裝的增量編碼器，或掃描裝有磁性拾音器的齒輪，來獲取凸輪軸速度和角度。通常使用感應(yīng)式位移傳感器或電容式位移傳感器來測量點火或熄火狀態(tài)下的氣門升程。
Polytec公司的高速型激光測振儀系統(tǒng)（HSV)，是氣門機構(gòu)動態(tài)測試工具的不二選擇。HSV的優(yōu)點包括：非接觸式、高分辨率、測量速度達40 m/s、線性信號輸出。測量氣門速度時，帶寬達50kH；測量氣門升程時，帶寬達250kHz。差分測量可補償不良振動和移動。
即使在高性能賽車試驗臺上，通過HSV系統(tǒng)與RAS系統(tǒng)的有機結(jié)合，亦能完成嚴苛的氣門機構(gòu)動態(tài)測量和分析。在獲取如凸輪軸轉(zhuǎn)速、氣門升程和氣門速度這些數(shù)據(jù)的同時，還可以獲取其它測試數(shù)據(jù)，如氣門彈簧負載等。
RAS轉(zhuǎn)速通道需要TTL方波作為信號輸入，通過10 GHz / 40位高速計數(shù)器/定時器，來記錄每個脈沖上升沿（或下降沿）的時間間隔。RAS模擬通道采樣頻率為400kHz，分辨率16位。在氣門機構(gòu)測試中，需將氣門升程和氣門速度的時域信號轉(zhuǎn)為角域信號。因此，可使用齒輪和位移計(取代旋轉(zhuǎn)編碼器)測量得出凸輪軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。即使是缺齒齒輪的信號也能被RAS處理，這是RAS軟件的一大重要優(yōu)勢。
典型結(jié)果
RAS氣門機構(gòu)軟件提供多種氣門運動分析功能。圖2是用3D圖像顯示氣門升程。在凸輪軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速坐標系下，通過Polytec的HSV測量獲取氣門升程，如圖2a所示。同樣，由HSV測量得出氣門速度（圖2b）。由于測量過程中凸輪軸速度是變化的，使用m/rad作為單位比使用m/s更有意義，在RAS軟件可設(shè)置選擇這兩種單位的其中一種。使用RAS對氣門速度進行一階求導，得出氣門加速度，其標準單位是m / rad2，如圖2 c所示。軟件還具有對信號先行低通濾波再微分的功能。
圖2：a)在凸輪軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速坐標系下的氣門升程；
b) 在凸輪軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速坐標系下的氣門速度；
c) 在凸輪軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速坐標系下的氣門加速度。
測量氣門關(guān)閉速度和關(guān)閉角度的方法有若干種。一般來說，在氣門關(guān)閉過程中升程閾值是額定的。然后，從最大升程開始，當氣門升程低于升程閾值時，根據(jù)凸輪軸轉(zhuǎn)角，得出氣門關(guān)閉速度和關(guān)閉角度?；蛘?，找到特定閾值的位置，根據(jù)凸輪軸轉(zhuǎn)角，找到氣門加速度的第一個局部峰值，然后在該位置確定氣門關(guān)閉速度和凸輪軸角度（圖3）。
圖3：在凸輪軸轉(zhuǎn)角坐標系下的氣門關(guān)閉速度(綠色)和關(guān)閉角度(藍色)
圖4用等高線圖顯示凸輪軸轉(zhuǎn)角坐標系下的氣門速度，可以發(fā)現(xiàn)氣門彈跳明顯。氣門落坐時凸輪角度約288度。交替的紅色和綠色顯示的是閥門在最終靜止前對底座的沖擊。
圖4：閥門落座時沖擊力
結(jié)論和展望
RAS氣門機構(gòu)軟件還提供了多種其它功能，如將測量得到的三維視圖和理論曲線進行比對，或在啟動和關(guān)閉階段確定氣門升程損失，閥門打開和關(guān)閉時間等。氣門材料和幾何參數(shù)可用于研究凸輪與挺桿構(gòu)件應(yīng)力(赫茲應(yīng)力)。
事實證明，使用高分辨率測量設(shè)備和專業(yè)應(yīng)用分析軟件，可幫助工程師們和技師們獲取有價值測試結(jié)果，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
