摘要：柴油機凸輪軸凸輪優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到其動力性，經(jīng)濟(jì)性，可靠性，振動，噪聲與排放特性的好壞。凸輪的豐滿系數(shù)越大，則進(jìn)氣量越多，柴油機的動力性能與經(jīng)濟(jì)性能越好，排氣煙度與熱負(fù)荷越底；凸輪形線的圓滑性越好，柴油機的振動與噪聲越小；凸輪與挺柱間的接觸應(yīng)力越小；潤滑特性越好，柴油機配氣機構(gòu)的沖擊載荷及摩擦磨損越小。隨著柴油機不斷地向輕巧化，高速化，高性能與高壽命方向發(fā)展，對配氣凸輪設(shè)計與制造的要求越來越高。顯然，研究出具有n階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，自變量為柴油機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，充氣性能好，振動小，噪聲低，設(shè)計簡單的新型配氣凸輪形線方程，是一個極其重要的研究課題。

一、凸輪軸結(jié)構(gòu)

      凸輪軸由凸輪軸頸、正時齒輪、凸輪、驅(qū)動齒輪和偏心輪等組成。凸輪軸一般是由鑄鋼或鍛鋼制成的。凸輪和軸承表面經(jīng)過硬化處理，以提高抗磨能力。

1、凸輪

      凸輪用來控制進(jìn)、排氣門的開和關(guān)，凸輪數(shù)等于進(jìn)、排氣門個數(shù)。凸輪軸上通常有一些輔助設(shè)施。凸輪在凸輪軸上的相對位置，決定氣門開、閉時機，噴油泵凸輪相對位置和形狀決定供油規(guī)律和供油時機。另外，凸輪軸上還有一個齒輪，用于驅(qū)動分電器（如果使用）和機油泵。

      凸輪軸通常通過凸輪軸正時齒輪由曲軸齒輪驅(qū)動。也有通過正時鏈條、傳動帶傳遞曲軸轉(zhuǎn)矩的。

2、凸輪的夾角

      氣門間隙一定時，氣門的升程取決于凸輪的高度。氣門開啟時間取決于凸輪頭部的角度，也叫夾角。凸輪的夾角是指凸輪曲線的起點和終點分別與圓心連線的夾角。在理論上此夾角應(yīng)是90°（六缸機120°，如圖1所示），由于進(jìn)、排氣門需要早開晚關(guān)，實際上都超過了90°。凸輪軸通過齒輪或鏈條由曲軸驅(qū)動。為減小磨損和噪聲，凸輪軸齒輪和曲軸齒輪多用不同材料制成，一般是曲軸齒輪用鋼，凸輪軸齒輪用鑄鐵或夾布膠木。

3、凸輪軸止推墊片

      凸輪軸需要采取一些措施來控制其軸向推力。采用的方法之一是在凸輪軸齒輪和法蘭（加工在凸輪軸上）之間加一個止推墊片。止推墊片用螺栓擰在缸體上，以阻止凸輪軸發(fā)生任何軸向移動。在一些頂置凸輪軸的發(fā)動機上，止推墊片用螺栓直接擰在缸蓋上。圖2顯示了如何檢查凸輪軸和止推墊片之間的間隙。

二、凸輪的設(shè)計

1、凸輪設(shè)計

      凸輪軸上的凸輪有多種設(shè)計。凸輪軸凸輪的輪廓決定了氣門打開和關(guān)閉的方式和時間，它們在容積效率方面起著重要的作用。氣門打開的速度和程度，以及氣門的關(guān)閉速度都是由凸輪的形狀控制的。

      凸輪軸凸輪具有幾個設(shè)計部分，如圖3所示。氣門升程是由凸輪軸凸輪的輪廓形狀決定的，因為升程顯示了氣門將能打開多少，所以非常重要。凸輪軸升程是指從基圓直徑往上凸輪能夠到達(dá)的高度。凸輪軸周期測量的是氣門保持打開有多長時間。

2、凸輪的輪廓形狀

      凸輪的輪廓形狀也就是它從基圓的何處開始以及到何處結(jié)束，決定了凸輪軸的周期。凸輪軸的周期用轉(zhuǎn)動的角度表示。凸輪軸凸輪上的打開和關(guān)閉凸面用于舉升氣門和允許氣門關(guān)閉。凸輪可能有多種輪廓，取決于氣門打開和關(guān)閉的速度需要。例如，對于有些凸輪軸，可能需要將氣門逐漸地打開，然后再緩慢地關(guān)閉，不能有突然的跳動。如圖4所示，夸大地顯示了幾種不同的凸面。

      凸輪的頂部被稱作凸頂，它的長度決定了氣門將在完全打開的位置保持多長時間。凸頂可能有多種不同的輪廓形狀，取決于氣門需要在完全打開的位置保持多久。凸輪軸的凸跟是指凸輪軸外形的底部部分。當(dāng)挺桿或氣門在凸跟部分移動時，氣門處于完全關(guān)閉狀態(tài)。凸輪的這些外形特征決定了氣門打開過程的具體特性，即時間和速度。

三、氣門正時

1、配氣正時和相位原理

      進(jìn)氣門和排氣門在哪個精確的時刻打開和關(guān)閉對于發(fā)動機獲得最大效率至關(guān)重要。例如，進(jìn)氣門在排氣門關(guān)閉之前稍稍提前一點打開，這一點就十分重要。

      配氣相位圖反映了發(fā)動機配氣時機，如圖5（a）所示，圖中顯示了在發(fā)動機工作的整個四個沖程中何時打開和關(guān)閉進(jìn)、排氣門。在本圖中，曲軸轉(zhuǎn)動了完整的兩周。通常，上止點（TDC）直接畫在相位圖的頂部，下止點（BDC）畫在相位圖的底部，并代表180°。進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣沖程用轉(zhuǎn)動的角度表示。注意：當(dāng)活塞在排氣沖程向上運動時，進(jìn)氣門在排氣門關(guān)閉之前開始打開。這段氣門重疊對發(fā)動機的正常工作十分重要。對于不同的發(fā)動機，重疊的度數(shù)有所不同。氣門重疊使得在高轉(zhuǎn)速時汽缸有較高的充氣效率。但是，氣門重疊也會導(dǎo)致發(fā)動機的真空度降低，以及在低轉(zhuǎn)速時的性能變差，怠速質(zhì)量和低轉(zhuǎn)速燃油經(jīng)濟(jì)性變差。另外需要注意的是：排氣門在下止點前57打開。當(dāng)然，排氣門的打開時間決定了有效做功行程的終止時間。

      配氣正時的精確實現(xiàn)是由凸輪軸上的凸輪及凸輪軸驅(qū)動齒輪與曲軸齒輪的準(zhǔn)確配合實現(xiàn)的。這項工作是在發(fā)動機制造廠進(jìn)行大量實驗的基礎(chǔ)上確定的。在本書中主要是理解其原理，更好地維護(hù)發(fā)電機組。

      柴油發(fā)電機的進(jìn)、排氣門開始開啟和關(guān)閉終了的時刻，通常用相對于上、下止點時曲軸位置的轉(zhuǎn)角來表示，稱為配氣相位或配氣定時。用環(huán)形圖表示，稱為配氣相位圖。

      柴油發(fā)電機的曲軸轉(zhuǎn)速很高，每一活塞沖程經(jīng)歷時間很短，為了使汽缸內(nèi)充氣較充足，廢氣排除較干凈，要求盡可能延長進(jìn)、排氣時間。所以，四沖程柴油發(fā)電機氣門開始開啟和關(guān)閉終了時刻，并不正好在活塞的上、下止點，而是分別提前和延遲一些。氣門在上止點以前開啟時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角叫提前角。氣門在上止點以后關(guān)閉時所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角叫延遲角（也稱遲閉角）。

      由圖5（a）可見，由于進(jìn)氣門在上止點前開啟，而排氣門在上止點后才關(guān)閉，排氣和進(jìn)氣又是兩個相鄰的連續(xù)過程，這就出現(xiàn)了在一段時間內(nèi)排氣門和進(jìn)氣門同時開啟的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為氣門重疊。由于新鮮氣流和廢氣氣流的流動慣性，在短時間內(nèi)不會改變流向，只要氣門重疊角度選擇適當(dāng)，就不會有廢氣倒流入進(jìn)氣管，新鮮氣體也不會隨同廢氣排出去，反而有利于換氣。

2、正時標(biāo)記

      為了讓氣門的開、閉與曲軸的位置保持正確的關(guān)系，凸輪軸必須根據(jù)曲軸設(shè)定正時。也就是說，在裝配曲軸和凸輪軸時，一定要保證凸輪在精確的時間打開氣門，而且與活塞和曲軸的位置有正確的關(guān)系。為了達(dá)到這個目的，柴油機廠家采用了多種方法確定準(zhǔn)確配氣。

① 采用正時齒輪。

      裝在曲軸上的齒輪與裝在凸輪軸上的齒輪準(zhǔn)確配合。這些齒輪通過鍵銷連接安裝在曲軸和凸輪軸上，鍵銷將齒輪保持在軸上的正確位置。在裝配凸輪軸和曲軸時，要對齊這兩個齒輪上的兩個點，如圖4（b）所示。如果凸輪軸和曲軸是這樣裝配的，相互之間正時匹配就是正確的。