摘要：柴油機凸輪軸凸輪優(yōu)化設計的優(yōu)劣直接影響到其動(dòng)力性，經(jīng)濟性，可靠性，振動(dòng)，噪聲與排放特性的好壞。凸輪的豐滿(mǎn)系數越大，則進(jìn)氣量越多，柴油機的動(dòng)力性能與經(jīng)濟性能越好，排氣煙度與熱負荷越底；凸輪形線(xiàn)的圓滑性越好，柴油機的振動(dòng)與噪聲越??；凸輪與挺柱間的接觸應力越??；潤滑特性越好，柴油機配氣機構的沖擊載荷及摩擦磨損越小。隨著(zhù)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，對配氣凸輪設計與制造的要求越來(lái)越高。顯然，研究出具有n階導數連續，自變量為柴油機主要結構參數，充氣性能好，振動(dòng)小，噪聲低，設計簡(jiǎn)單的新型配氣凸輪形線(xiàn)方程，是一個(gè)極其重要的研究課題。

一、凸輪軸結構

      凸輪軸由凸輪軸頸、正時(shí)齒輪、凸輪、驅動(dòng)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(guò)硬化處理，以提高抗磨能力。

1、凸輪

      凸輪用來(lái)控制進(jìn)、排氣門(mén)的開(kāi)和關(guān)，凸輪數等于進(jìn)、排氣門(mén)個(gè)數。凸輪軸上通常有一些輔助設施。凸輪在凸輪軸上的相對位置，決定氣門(mén)開(kāi)、閉時(shí)機，噴油泵凸輪相對位置和形狀決定供油規律和供油時(shí)機。另外，凸輪軸上還有一個(gè)齒輪，用于驅動(dòng)分電器（如果使用）和機油泵。

      凸輪軸通常通過(guò)凸輪軸正時(shí)齒輪由曲軸齒輪驅動(dòng)。也有通過(guò)正時(shí)鏈條、傳動(dòng)帶傳遞曲軸轉矩的。

2、凸輪的夾角

      氣門(mén)間隙一定時(shí)，氣門(mén)的升程取決于凸輪的高度。氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)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(xiàn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別與圓心連線(xiàn)的夾角。在理論上此夾角應是90°（六缸機120°，如圖1所示），由于進(jìn)、排氣門(mén)需要早開(kāi)晚關(guān)，實(shí)際上都超過(guò)了90°。凸輪軸通過(guò)齒輪或鏈條由曲軸驅動(dòng)。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(lái)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(gè)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(dòng)。在一些頂置凸輪軸的發(fā)動(dòng)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、凸輪的設計

1、凸輪設計

      凸輪軸上的凸輪有多種設計。凸輪軸凸輪的輪廓決定了氣門(mén)打開(kāi)和關(guān)閉的方式和時(shí)間，它們在容積效率方面起著(zhù)重要的作用。氣門(mén)打開(kāi)的速度和程度，以及氣門(mén)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(gè)設計部分，如圖3所示。氣門(mén)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(mén)將能打開(kāi)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的高度。凸輪軸周期測量的是氣門(mén)保持打開(kāi)有多長(cháng)時(shí)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(kāi)始以及到何處結束，決定了凸輪軸的周期。凸輪軸的周期用轉動(dòng)的角度表示。凸輪軸凸輪上的打開(kāi)和關(guān)閉凸面用于舉升氣門(mén)和允許氣門(mén)關(guān)閉。凸輪可能有多種輪廓，取決于氣門(mén)打開(kāi)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(mén)逐漸地打開(kāi)，然后再緩慢地關(guān)閉，不能有突然的跳動(dòng)。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(chēng)作凸頂，它的長(cháng)度決定了氣門(mén)將在完全打開(kāi)的位置保持多長(cháng)時(shí)間。凸頂可能有多種不同的輪廓形狀，取決于氣門(mén)需要在完全打開(kāi)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。當挺桿或氣門(mén)在凸跟部分移動(dòng)時(shí)，氣門(mén)處于完全關(guān)閉狀態(tài)。凸輪的這些外形特征決定了氣門(mén)打開(kāi)過(guò)程的具體特性，即時(shí)間和速度。

三、氣門(mén)正時(shí)

1、配氣正時(shí)和相位原理

      進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)在哪個(gè)精確的時(shí)刻打開(kāi)和關(guān)閉對于發(fā)動(dòng)機獲得最大效率至關(guān)重要。例如，進(jìn)氣門(mén)在排氣門(mén)關(guān)閉之前稍稍提前一點(diǎn)打開(kāi)，這一點(diǎn)就十分重要。

      配氣相位圖反映了發(fā)動(dòng)機配氣時(shí)機，如圖5（a）所示，圖中顯示了在發(fā)動(dòng)機工作的整個(gè)四個(gè)沖程中何時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉進(jìn)、排氣門(mén)。在本圖中，曲軸轉動(dòng)了完整的兩周。通常，上止點(diǎn)（TDC）直接畫(huà)在相位圖的頂部，下止點(diǎn)（BDC）畫(huà)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動(dòng)的角度表示。注意：當活塞在排氣沖程向上運動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣門(mén)在排氣門(mén)關(guān)閉之前開(kāi)始打開(kāi)。這段氣門(mén)重疊對發(fā)動(dòng)機的正常工作十分重要。對于不同的發(fā)動(dòng)機，重疊的度數有所不同。氣門(mén)重疊使得在高轉速時(shí)汽缸有較高的充氣效率。但是，氣門(mén)重疊也會(huì )導致發(fā)動(dòng)機的真空度降低，以及在低轉速時(shí)的性能變差，怠速質(zhì)量和低轉速燃油經(jīng)濟性變差。另外需要注意的是：排氣門(mén)在下止點(diǎn)前57打開(kāi)。當然，排氣門(mén)的打開(kāi)時(shí)間決定了有效做功行程的終止時(shí)間。

      配氣正時(shí)的精確實(shí)現是由凸輪軸上的凸輪及凸輪軸驅動(dòng)齒輪與曲軸齒輪的準確配合實(shí)現的。這項工作是在發(fā)動(dòng)機制造廠(chǎng)進(jìn)行大量實(shí)驗的基礎上確定的。在本書(shū)中主要是理解其原理，更好地維護發(fā)電機組。

      柴油發(fā)電機的進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟和關(guān)閉終了的時(shí)刻，通常用相對于上、下止點(diǎn)時(shí)曲軸位置的轉角來(lái)表示，稱(chēng)為配氣相位或配氣定時(shí)。用環(huán)形圖表示，稱(chēng)為配氣相位圖。

      柴油發(fā)電機的曲軸轉速很高，每一活塞沖程經(jīng)歷時(shí)間很短，為了使汽缸內充氣較充足，廢氣排除較干凈，要求盡可能延長(cháng)進(jìn)、排氣時(shí)間。所以，四沖程柴油發(fā)電機氣門(mén)開(kāi)始開(kāi)啟和關(guān)閉終了時(shí)刻，并不正好在活塞的上、下止點(diǎn)，而是分別提前和延遲一些。氣門(mén)在上止點(diǎn)以前開(kāi)啟時(shí)所對應的曲軸轉角叫提前角。氣門(mén)在上止點(diǎn)以后關(guān)閉時(shí)所對應的曲軸轉角叫延遲角（也稱(chēng)遲閉角）。

      由圖5（a）可見(jiàn)，由于進(jìn)氣門(mén)在上止點(diǎn)前開(kāi)啟，而排氣門(mén)在上止點(diǎn)后才關(guān)閉，排氣和進(jìn)氣又是兩個(gè)相鄰的連續過(guò)程，這就出現了在一段時(shí)間內排氣門(mén)和進(jìn)氣門(mén)同時(shí)開(kāi)啟的現象，這種現象稱(chēng)為氣門(mén)重疊。由于新鮮氣流和廢氣氣流的流動(dòng)慣性，在短時(shí)間內不會(huì )改變流向，只要氣門(mén)重疊角度選擇適當，就不會(huì )有廢氣倒流入進(jìn)氣管，新鮮氣體也不會(huì )隨同廢氣排出去，反而有利于換氣。

2、正時(shí)標記

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

① 采用正時(shí)齒輪。

      裝在曲軸上的齒輪與裝在凸輪軸上的齒輪準確配合。這些齒輪通過(guò)鍵銷(xiāo)連接安裝在曲軸和凸輪軸上，鍵銷(xiāo)將齒輪保持在軸上的正確位置。在裝配凸輪軸和曲軸時(shí)，要對齊這兩個(gè)齒輪上的兩個(gè)點(diǎn)，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(shí)匹配就是正確的。