CN107884194A - 一种大气门升程测量和反跳测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大气门升程测量和反跳测试装置和方法，装置包括由三相交流电机驱动的凸轮，凸轮的轮轴上设有光电编码器，气门底部设有气门参考标尺，缸盖底部设有末端与气门参考标尺平齐的缸盖参考标尺；摇臂一端抵靠于气门挺柱顶部，另一端抵靠于气门推杆顶端；气门推杆底端抵靠于凸轮轮面上；两凸透镜分别设置于缸盖的上方和下方，两凸透镜光路中心位于两参考标尺处；光源发射的光通过狭缝装置汇聚成光柱后经光源处反光镜反射，再经两凸透镜折射，由高速摄影机处反光镜反射，最后经刀口装置后到达高速摄影机。本发明用高速摄影机记录气门运动的全过程，通过处理图片得到气门升程曲线同时判断气门是否发生反跳，测试精度高，可靠性强。

Description

一种大气门升程测量和反跳测试装置和方法

技术领域

本发明涉及发动机气门运行检测技术领域，具体为一种大气门升程测量和反跳测试装置和方法。

背景技术

目前，对于气门升程的测量是在曲轴上安装角度盘，并且将高度千分表安装在气门正下方，指针与气门接触。这时每次转动曲轴2-5°，同时记录下高度千分尺上的读数，最后将所有记录下的高度与对应的曲轴角度相对应，绘制出一条气门升程曲线。这种方法存在人力参与，操作复杂，精确度不高。另外，气门的开启和关闭特性由气门弹簧、凸轮、推杆、摇臂等组件决定。在配气机构的设计和开发过程中，必须保证配气机构能长时间稳定、可靠的按照设计时开闭特性运行，不能出现气门关闭后再次开启的现象—反跳。气门反跳受凸轮、气门弹簧及其他组件刚度等多种因素的影响。弹簧刚度不足以及气门和弹簧座的质量过大都会引起气门发生反跳；弹簧工作频率与其固有的振动频率相等或者为整数倍时，气门弹簧将发生共振使气门反跳。气门反跳可能使气门飞脱，挺柱、摇臂等组件的脱落；气门反跳时会加重对气门座的冲击，破坏密封锥面，使气门关不严而导致漏气；同时反跳造成的不正常开启将会对进排气流场产生影响，从而影响到燃烧过程使排放变差。

发明内容

针对上述问题本发明的目的在于提供一种能够高精度测量气门升程及是否发生反跳，且操作方便可靠的大气门升程测量和反跳测试装置和方法，技术方案如下：

一种大气门升程测量和反跳测试装置，包括凸轮驱动系统、气门运动系统和可视化拍摄系统；凸轮驱动系统包括由三相交流电机驱动的凸轮，凸轮的轮轴上设有光电编码器；气门运动系统包括气门、摇臂和气门推杆，气门设置于缸盖内，其顶部设有气门挺柱，底部设有气门参考标尺，缸盖底部设有末端与气门参考标尺平齐的缸盖参考标尺；摇臂位于缸盖上方，其中部交接于摇臂支撑架实现上下转动，摇臂一端抵靠于气门挺柱顶部，另一端抵靠于气门推杆顶端；气门推杆底端抵靠于凸轮轮面上；可视化拍摄系统包括内侧凸透镜、外侧凸透镜、光源和高速摄影机；内侧凸透镜和外侧凸透镜分别设置于缸盖的上方和下方，两凸透镜光路中心位于气门参考标尺和缸盖参考标尺处；高速摄影机前方设有刀口装置和高速摄影机处反光镜，光源设置于气门一侧，其发射的光通过前方的狭缝装置汇聚成光柱后经光源处反光镜反射，再依次经外侧凸透镜和内侧凸透镜折射，再由高速摄影机处反光镜反射，最后经刀口装置后到达高速摄影机。

进一步的，所述缸盖设置于缸盖支撑平台上，所述光源处反光镜、高速摄影机处反光镜、内侧凸透镜、外侧凸透镜和高速摄影机则固定于远离缸盖支撑平台处。

更进一步的，所述三相交流电机的输出轴通过联轴器与凸轮的轮轴连接，凸轮设置于凸轮轴支撑架上。

一种大气门升程测量和反跳测试方法，包括：

步骤1：在气门静止时，打开光源，调整两反光镜和两凸透镜，使光路垂直的穿过两参考标尺后到达高速摄影机；

步骤2：拍一张气门关闭时的照片，计算照片中两参考标尺像素值与对应实际长度的比例尺K；

步骤3：打开三相交流电机，驱动凸轮在固定转速下转动，进而使气门在气门推杆和摇臂的作用下开启和关闭；同时通过光电编码器采集凸轮的旋转角度作为时间基准；

步骤4：根据上述时间基准，控制高速摄影机在气门运动过程中进行连续拍摄，记录下气门从开启到关闭的运动过程；

步骤5：根据高速摄影机拍摄到的照片生成气门的升程曲线；

步骤6：根据上述气门的升程曲线判断气门是否发生反跳。

进一步的，所述步骤4中还包括：计算凸轮轴转动一圈即气门从开启到关闭一个周期所需要的时间t=1/n，式中n为凸轮轴转速；根据该时间确定高速摄影机的拍摄帧数。

更进一步的，所述步骤5的具体过程为：将高速摄影机拍摄到的照片导入到用matlab软件编程的批处理程序中，得到时间t与参考标尺高度差Δh一一对应的一组数据，将时间t作为横坐标，参考标尺高度差Δh作为纵坐标绘制曲线，得到气门的升程曲线。

更进一步的，所述步骤6的具体方法为：在所述气门的升程曲线中，若随着横坐标时间t的变化，纵坐标参考标尺高度差Δh由大于0变化到0为止，则可判断气门没有发生反跳；若随着横坐标时间t的变化，纵坐标参考标尺高度差Δh由大于0变化到0后，紧接着再次变化到大于0，则可判断出气门在关闭后发生反跳。

本发明的有益效果是：

1）本发明在测量气门升程的同时可测量出气门是否发生反跳；

2）利用可视化摄影系统测量气门升程的方式比起在气门底部安装位移传感器的方式可降低测试平台高度；

3） 本发明利用图片的高分辨率测量大气门升程和反跳时比位移传感器测出的精度更高；

4） 本发明利用可视化摄影系统的光路布置从而产生平行光，可防止光畸变引起的测量误差；

5） 本发明两参考标尺的都固定在振动源范围内，可减小振动带来的误差；

6） 本发明光路及摄影机的布置可远离缸盖，可避免振动带来的干扰。

附图说明

图1为本发明大气门升程测量和反跳测试装置的结构示意图。

图2为本发明检测方法中图片处理流程图。

图3为气门没有发生反跳时气门的升程曲线图。

图4为气门发生反跳时气门的升程曲线图。

图中：1-光源；2-狭缝装置 3-光源处反光镜；4-缸盖支撑平台；5-缸盖；6-气门挺柱；7-内侧凸透镜；8-摇臂支撑架；9-摇臂；10-高速摄影机处反光镜；11-刀口装置；12-高速摄影机；13-电脑13；14-控制系统14；15-三相交流电机；16-外侧凸透镜；17-缸盖参考标尺；18-气门；19-气门推杆；20-凸轮轴支撑架；21-光电编码器；22-凸轮；23-联轴器23；24-电机支撑架；25-气门参考标尺。

具体实施方式

为了同时高精度的测量气门升程和反跳，采用可视化气门升程测量和反跳测试装置利用高速摄影机记录下气门运动的全过程，通过处理图片即可得到气门升程曲线同时判断气门是否发生反跳，为配气机构开发后的验证提供依据。

下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种大气门升程测量和反跳测试装置，包括凸轮驱动系统、气门运动系统和可视化拍摄系统。

凸轮驱动系统包括由三相交流电机15驱动的凸轮22，凸轮22的轮轴上设有光电编码器21。光电编码器21安装在凸轮22旋转中心，使光电编码器21的转动轴与凸轮轴同步转动。三相交流电机15由螺栓固定在电机支撑架24上，三相交流电机15的输出轴与联轴器23一端相连，联轴器23的另一端面与凸轮22端面通过螺栓相连，凸轮22由凸轮轴支撑架20固定，通过联轴器23三相交流电机15可带动凸轮22旋转。

气门运动系统包括气门18、摇臂9和气门推杆19，气门18设置于缸盖5内，其顶部设有气门挺柱6，底部设有气门参考标尺25，缸盖5底部设有末端与气门参考标尺25平齐的缸盖参考标尺17；摇臂9位于缸盖5上方，其中部交接于摇臂支撑架8实现上下转动，摇臂9一端抵靠于气门挺柱6顶部，另一端抵靠于气门推杆19顶端；气门推杆19底端抵靠于凸轮22轮面上。当气门推杆19在凸轮22驱动下做直线运动，摇臂9在气门推杆19推动下绕旋转中心转动，与气门推杆19接触端向上运动，与气门挺柱6接触端向下运动，推动气门挺柱6克服弹簧阻力可使气门18打开。

可视化拍摄系统包括内侧凸透镜7、外侧凸透镜16、光源1和高速摄影机12；内侧凸透镜7和外侧凸透镜16分别设置于缸盖5的上方和下方，两凸透镜光路中心位于气门参考标尺25和缸盖参考标尺17处；高速摄影机12前方设有刀口装置11和高速摄影机处反光镜10，光源1设置于气门18一侧，其发射的光通过前方的狭缝装置2汇聚成光柱后经光源处反光镜3反射，再依次经外侧凸透镜16和内侧凸透镜7折射，（凸透镜使光柱垂直穿过气门底部的参考标尺和固定在缸盖5上的参考标尺），再由高速摄影机处反光镜10反射，最后经刀口装置11后到达高速摄影机12。计算机组成。高速摄影机拍摄的照片可通过数据线传输到计算机中。

本实施例中缸盖5设置于缸盖支撑平台4上，所述光源处反光镜3、高速摄影机处反光镜10、内侧凸透镜7、外侧凸透镜16和高速摄影机12则固定于远离缸盖支撑平台4处，以免振动造成光路和发动机的抖动。缸盖5放置在支撑平台上，并且使气门底部的参考标尺和固定在缸盖5上的参考标尺位于两凸透镜光路中心处。

采用本实施例的大气门升程测量和反跳测试装置进行的测试方法具体如下：

测试前准备：

在气门静止时，打开所述光源1，调整所述两反光镜和两凸透镜，使光路垂直的穿过气门参考标尺25和缸盖参考标尺17后到达所述高速摄影机处。在调整好后，首先拍一张气门关闭时的照片，获得照片中参考标尺末端到顶端间的像素值A。通过公式L=A*K，算出比例尺K（K用于图片处理中计算两参考标尺实际的高度差）。公式中L为测量出的参考标尺末端到顶端的实际长度。

启动驱动装置，进行测试：

打开所述三相交流电机15，使其在联轴器23的作用下带动凸轮22在一固定转速下转动。凸轮22推动气门推杆19，气门推杆19推动摇臂9，使摇臂9一端向上运动，另一端向下运动。另一端向下运动时推动气门挺柱6，气门挺柱6推动气门使其克服弹簧阻力向下运动；当凸轮22转动到基圆位置，气门在弹簧的作用下向上运动，这样气门就完一个工作在周期。

在凸轮22轴转动过程中，光电编码器21采集凸轮22的旋转角度，为整个显示和和控制提供一个时间基准。该光电编码器21利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相。A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转产生一个脉冲，用于基准点定位，从而判断编码盘旋转的相对角度。控制系统接收光电编码器21的信号用于判断时间基准，这样可控制高速摄影机在气门运动过程中的任意时间点进行拍摄。

使用控制系统触发高速影机进行连续拍摄记录下气门从开启到关闭的运动过程（高速影机一秒最高可拍100000张照片，帧数可调）。根据公式t=1/n可算出凸轮轴转动一圈即气门从开启到关闭一个周期所需要的时间，中t为凸轮22轴转动一圈所需时间，n为凸轮轴转速。得到气门一个工作周期所用的时间可用于调整高速摄影机的拍摄帧数，凸轮22轴转动一圈的时间越短，高速摄影机的拍摄帧数越大。高速影机将记录下的照片通过数据线传到电脑上。

图片后处理，判断是否反生反跳：

将高速摄影机拍摄到的照片导入到用matlab软件编程的批处理程序中。处理流程如下图2所示，首先对图片进行预处理，然后选取基准点，再对两个参考标尺（缸盖参考标尺17和气门参考标尺25）进行边缘捕捉，统计两参考标尺末端高度差的像素值，根据前文计算到比例尺K，计算每一帧照片中两参考表尺的实际高度差Δh。最终得到时间t与参考标尺高度差Δh一一对应的一组数据。将时间t（ms）作为横坐标，参考标尺高度差Δh（mm）作为纵坐标绘制曲线，得到气门的升程曲线。

在所述气门的升程曲线中，若随着横坐标时间t的变化，纵坐标参考标尺高度差Δh由大于0变化到0为止（如图3所示），则可判断气门没有发生反跳；若随着横坐标时间t的变化，纵坐标参考标尺高度差Δh由大于0变化到0后，紧接着再次变化到大于0（如图4所示），则可判断出气门在关闭后发生反跳。

Claims (7)

1.一种大气门升程测量和反跳测试装置，其特征在于，包括凸轮驱动系统、气门运动系统和可视化拍摄系统；凸轮驱动系统包括由三相交流电机（15）驱动的凸轮（22），凸轮（22）的轮轴上设有光电编码器（21）；气门运动系统包括气门（18）、摇臂（9）和气门推杆（19），气门（18）设置于缸盖（5）内，其顶部设有气门挺柱（6），底部设有气门参考标尺（25），缸盖（5）底部设有末端与气门参考标尺（25）平齐的缸盖参考标尺（17）；摇臂（9）位于缸盖（5）上方，其中部交接于摇臂支撑架（8）实现上下转动，摇臂（9）一端抵靠于气门挺柱（6）顶部，另一端抵靠于气门推杆（19）顶端；气门推杆（19）底端抵靠于凸轮（22）轮面上；可视化拍摄系统包括内侧凸透镜（7）、外侧凸透镜（16）、光源（1）和高速摄影机（12）；内侧凸透镜（7）和外侧凸透镜（16）分别设置于缸盖（5）的上方和下方，两凸透镜光路中心位于气门参考标尺（25）和缸盖参考标尺（17）处；高速摄影机（12）前方设有刀口装置（11）和高速摄影机处反光镜（10），光源（1）设置于气门（18）一侧，其发射的光通过前方的狭缝装置（2）汇聚成光柱后经光源处反光镜（3）反射，再依次经外侧凸透镜（16）和内侧凸透镜（7）折射，再由高速摄影机处反光镜（10）反射，最后经刀口装置（11）后到达高速摄影机（12）。

2.根据权利要求1所述的大气门升程测量和反跳测试装置，其特征在于，所述缸盖（5）设置于缸盖支撑平台（4）上，所述光源处反光镜（3）、高速摄影机处反光镜（10）、内侧凸透镜（7）、外侧凸透镜（16）和高速摄影机（12）则固定于远离缸盖支撑平台（4）处。

3.根据权利要求1所述的大气门升程测量和反跳测试装置，其特征在于，所述三相交流电机（15）的输出轴通过联轴器（23）与凸轮（22）的轮轴连接，凸轮（22）设置于凸轮轴支撑架（20）上。

4.一种采用权利要求1所述的大气门升程测量和反跳测试装置进行的测试方法，其特征在于，包括：

步骤1：在气门静止时，打开光源，调整两反光镜和两凸透镜，使光路垂直的穿过两参考标尺后到达高速摄影机；

步骤2：拍一张气门关闭时的照片，计算照片中两参考标尺像素值与对应实际长度的比例尺K；

步骤3：打开三相交流电机，驱动凸轮在固定转速下转动，进而使气门在气门推杆和摇臂的作用下开启和关闭；同时通过光电编码器采集凸轮的旋转角度作为时间基准；

步骤4：根据上述时间基准，控制高速摄影机在气门运动过程中进行连续拍摄，记录下气门从开启到关闭的运动过程；

步骤5：根据高速摄影机拍摄到的照片，得到生成气门的升程曲线；

步骤6：根据上述气门的升程曲线判断气门是否发生反跳。

5.根据权利要求4所述的大气门升程测量和反跳测试方法，其特征在于，所述步骤4中还包括：计算凸轮轴转动一圈即气门从开启到关闭一个周期所需要的时间t=1/n，式中n为凸轮轴转速；根据该时间确定高速摄影机的拍摄帧数。

6.根据权利要求4所述的大气门升程测量和反跳测试方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：将高速摄影机拍摄到的照片导入到用matlab软件编程的批处理程序中，根据所述比例尺K，计算每一帧照片中两参考表尺的实际高度差Δh，最终得到时间t与参考标尺高度差Δh一一对应的一组数据，将时间t作为横坐标，参考标尺高度差Δh作为纵坐标绘制曲线，得到气门的升程曲线。

7.根据权利要求6所述的大气门升程测量和反跳测试方法，其特征在于，所述步骤6的具体方法为：在所述气门的升程曲线中，若随着横坐标时间t的变化，纵坐标参考标尺高度差Δh由大于0变化到0为止，则可判断气门没有发生反跳；若随着横坐标时间t的变化，纵坐标参考标尺高度差Δh由大于0变化到0后，紧接着再次变化到大于0，则可判断出气门在关闭后发生反跳。