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(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，即便是賽車引擎，亦能確保氣門機(jī)構(gòu)構(gòu)件能滿足強(qiáng)度、耐磨度和精確度等多方面需求。
引言
隨著科技的進(jìn)步，工程師和技師們會(huì)面臨越來越多的要求：更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)、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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著多方面的重要影響。
現(xiàn)代氣門機(jī)構(gòu)系統(tǒng)必須同時(shí)滿足兩大條件：進(jìn)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(jī)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(dòng)和組件應(yīng)力。因此，研發(fā)方案必須確保氣門組件滿足強(qiáng)度和耐磨度要求，并確保氣門機(jī)構(gòu)能在嚴(yán)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)測試工具的不二選擇。HSV的優(yōu)點(diǎn)包括：非接觸式、高分辨率、測量速度達(dá)40 m/s、線性信號(hào)輸出。測量氣門速度時(shí)，帶寬達(dá)50kH；測量氣門升程時(shí)，帶寬達(dá)250kHz。差分測量可補(bǔ)償不良振動(dòng)和移動(dòng)。
即使在高性能賽車試驗(yàn)臺(tái)上，通過HSV系統(tǒng)與RAS系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，亦能完成嚴(yán)苛的氣門機(jī)構(gòu)動(dòng)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(shí)，還可以獲取其它測試數(shù)據(jù)，如氣門彈簧負(fù)載等。
RAS轉(zhuǎn)速通道需要TTL方波作為信號(hào)輸入，通過10 GHz / 40位高速計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，來記錄每個(gè)脈沖上升沿（或下降沿）的時(shí)間間隔。RAS模擬通道采樣頻率為400kHz，分辨率16位。在氣門機(jī)構(gòu)測試中，需將氣門升程和氣門速度的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為角域信號(hào)。因此，可使用齒輪和位移計(jì)(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(hào)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(jī)構(gòu)軟件提供多種氣門運(yùn)動(dòng)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(biāo)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(duì)氣門速度進(jìn)行一階求導(dǎo)，得出氣門加速度，其標(biāo)準(zhǔn)單位是m / rad2，如圖2 c所示。軟件還具有對(duì)信號(hào)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(biāo)系下的氣門升程；
b) 在凸輪軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速坐標(biāo)系下的氣門速度；
c) 在凸輪軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速坐標(biāo)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(dāng)氣門升程低于升程閾值時(shí)，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(gè)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(biāo)系下的氣門關(guān)閉速度(綠色)和關(guān)閉角度(藍(lán)色)
圖4用等高線圖顯示凸輪軸轉(zhuǎn)角坐標(biāo)系下的氣門速度，可以發(fā)現(xiàn)氣門彈跳明顯。氣門落坐時(shí)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(duì)底座的沖擊。
圖4：閥門落座時(shí)沖擊力
結(jié)論和展望
RAS氣門機(jī)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(jìn)行比對(duì)，或在啟動(dòng)和關(guān)閉階段確定氣門升程損失，閥門打開和關(guān)閉時(shí)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(shí)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(jià)值測試結(jié)果，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
