新聞主題	康明斯柴油發動機凸輪軸從動件特點和運動規律曲線圖

摘要：凸輪機構是一種柴油發動機中重要的機械傳動裝置，主要由凸輪，從動件和機架三個基本構件組成的高副機構，凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構件，一般為主動件作等速回轉運動或往復直線運動。凸輪從動件的位移S、速度Ｖ和加速度A隨時間（或凸輪轉角）的變化變化規律是由凸輪輪廓的形狀、凸輪的尺寸決定的。凸輪的作用是驅動從動件沿著一定的軌跡進行運動，從而實現柴油機配氣機構傳動的功能。因此，從動件的運動規律特點及應用是柴油機凸輪機構設計的一個重要考慮因素。

 

一、凸輪機構的分類

 

1、按凸輪的形狀

      凸輪具有曲線輪廓（如圖1所示）或凹槽，有盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹槽曲線是空間曲線，因而屬于空間凸輪。

2、按從動件的形式

      滾子從動件、平底（或弧底）從動件、尖頂從動件等，如圖2所示。

（1）尖頂從動件：

      外形如圖2（a）所示。從動件的尖端能夠與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現任意的運動規律。這種從動件結構簡單，但尖端處易磨損，故只適用于速度較低和傳力不大的場合。

（2）滾子從動件：

       外形如圖2（b）所示。為減小摩擦磨損，在從動件端部安裝一個滾輪，把從動件與凸輪之間的滑動摩擦變成滾動摩擦，因此摩擦磨損較小，可用來傳遞較大的動力，故這種形式的從動件應用很廣。

（3）平底從動件：

      外形如圖2（c）所示。從動件與凸輪輪廓之間為線接觸，接觸處易形成油膜，潤滑狀況好。此外，在不計摩擦時，凸輪對從動件的作用力始終垂直于從動件的平底，受力平穩，傳動效率高，常用于高速場合。缺點是與之配合的凸輪輪廓必須全部為外凸形狀。

（4）曲面從動件：

       為了克服尖端從動件的缺點，可以把從動件的端部做成曲面，稱為曲面從動件。這種結構形式的從動件在生產中應用較多。

3、按封閉的方式不同

      為了保證凸輪機構正常工作，必須使凸輪與從動件始終保持接觸，這種作用稱為封閉（或鎖合）。

（1）力封閉

      利用重力、彈簧力或其它外力進行封閉。這種封閉方式比較簡便，但凸輪經常承受一個附加的壓力，所以只適用于小型和載荷不大的凸輪機構。

（2）利用凸輪結構進行封閉

      這種封閉形式最簡單，但加大了凸輪的尺寸和重量。同時，在運動過程中，滾子往往與凸輪槽兩過交替接觸，滾子經常變換轉向，不利于滾子的輪槽的潤滑，易于磨損。所以只適用于中、低速輕載的凸輪機構。

 

圖1  柴油機凸輪軸輪廓形狀

圖2  柴油機凸輪從動件分類

 

二、凸輪軸從動件的優缺點

 

      凸輪機構結構的傳動特點是結構簡單、緊湊、設計方便，只需設計適當的凸輪輪廓，就可以使從動件實現預期運動規律的空間運動。

1、優點

（1）構件少，運動鏈短，結構簡單緊湊

      為了使從動件與凸輪始終保持接觸，可采用彈簧或施加重力。具有凹槽的凸輪可使從動件傳遞確定的運動，為確動凸輪的一種。一般情況下凸輪是主動的，但也有從動或固定的凸輪。多數凸輪是單自由度的，但也有雙自由度的劈錐凸輪。凸輪機構結構緊湊，最適用于要求從動件作間歇運動的場合。

（2）可塑性強

      凸輪具有良好的可塑性和適應性，因此能夠滿足不同的工作條件，適用于各種機械設備。

（3）操作安全

      凸輪的設計能夠確保機械運行的安全，大大減少柴油機機械故障的發生。

（4）使用壽命長

      凸輪制作材料可以是高強度合金，使其具有長久的使用壽命和較高的耐磨損能力。

2、缺點

（1）點、線接觸，易于磨損

      從動件與凸輪作點接觸或線接觸，有滾子從動件、平底從動件和尖端從動件等。尖端從動件能與任意復雜的凸輪輪廓保持接觸，可實現任意運動，但尖端易磨損，適用于傳力較小的低速機構中。

（2）加工難度高

      凸輪的加工工藝比較復雜，需要高水平的加工技術和設備，因此制造成本較高。

（3）運轉過程中的慣性力

      在凸輪高速旋轉時，會產生慣性力，使凸輪產生橫向振動，進而影響機械設備的工作效果。

      綜合來看，盡管凸輪具有一些缺點，但其優點仍然非常突出。對于柴油機來說，凸輪仍然是不可替代的重要機械元件之一。當然，在實際應用過程中，我們需要根據不同的工作條件和要求來對凸輪的使用進行優化和改進，以提高其效率和使用壽命。

 

三、凸輪從動件運動規律

 

       凸輪從動件運動規律一般有四種，通常從動件的位移s、速度v和加速度a的變化規律，全面反映了從動件的運動特性和動力特性的變化規律，運行特性比較如表1所列。凸輪機構從動件的運動規律是指從動件的位移、速度、加速度隨時間（或凸輪轉角）的變化（規律）情況。當把位移、速度、加速度作為縱坐標，時間（或凸輪轉角）作為橫坐標，以曲線的形式來表達它們之間的關系時，就分別稱為位移線圖（如圖3所示）、速度線圖和加速度線圖。

表1    凸輪從動件運行規律特性比較

1、等速運動

      從動件在推程(回程)中的速度v=常數。修正方法如下：

      在運動規律的兩端，因為存在著嚴重的沖擊現象，雖然由于凸輪機構材料本身的彈性，使這種運動規律在工作中能夠應用，但由于沖擊的存在，工作的噪音大。所以，為改善這一狀況，可以改變運動線圖中的兩端，使其緩和過渡，以減少沖擊。修正的措施，就是在曲線的兩端加上兩段圓弧過渡，圓弧半徑通常可以取h/2，MN為兩圓弧的內公切線（回程類同），如圖4所示。這樣加速度在曲線的兩端就變成較小的有限值，沖擊也變成有限值。

2、等加速-等減速

      如圖3所示，等加速、等減速運動規律，在前半程用等加速運動規律，后半程采用等減速運動規律，兩部分加速度絕對值相等。

3、余弦加速度運動

      余弦加速度運動規律的加速度曲線為1/2個周期的余弦曲線，位移曲線為簡諧運動曲線（又稱簡諧運動規律），如圖4所示。

4、正弦加速度

      運動規律的加速度曲線是連續的，沒有任何沖擊，可用于高速。

      從動件的運動規律特點主要表現在其運動形式、運動速度和加速度等方面。從動件的運動形式通常為直線運動或圓周運動，其運動速度和加速度的大小主要取決于凸輪的參數和從動件的特性。例如，當凸輪的參數定死后，從動件的運動速度和加速度就可以通過調整機構的結構參數來達到所需的目標。 

 

柴油機凸輪從動件運動規律圖	凸輪修正后的等速運動位移線圖
柴油機凸輪轉角運動速度諾謨圖	柴油機凸輪轉角運動平衡諾謨圖

 

 四、康明斯凸輪從動件零件圖

 

      凸輪是一種具有特殊形狀的旋轉零件，通常為圓柱體或圓盤狀。它在周向上具有不規則的突起部分，稱為凸起或凸面。凸輪通常由高強度材料制成，以保證其在高速旋轉時能夠承受較大的載荷。從動件是凸輪機構中被凸輪驅動的部分，它通過與凸輪的接觸，實現往復或旋轉運動。常見的從動件有凸輪追蹤器和搖桿。凸輪追蹤器是一種與凸輪接觸并沿其周向移動的裝置，它將凸輪的旋轉運動轉換為直線或曲線運動。搖桿是一種通過與凸輪接觸并繞固定點旋轉的裝置，它將凸輪的旋轉運動轉換為角度變化。

      以下為適用于KTA19-G2/ G3等柴油發動機機型的康明斯凸輪從動件零件清單。

表2  凸輪軸從動件     Camshaft Follower    BP 4026

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