康明斯动力（深圳）有限公司

 

 

新闻主题	康明斯柴油发动机凸轮轴从动件特点和运动规律曲线图

摘要：凸轮机构是一种柴油发动机中重要的机械传动装置，主要由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构，凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件作等速回转运动或往复直线运动。凸轮从动件的位移S、速度Ｖ和加速度A随时间（或凸轮转角）的变化变化规律是由凸轮轮廓的形状、凸轮的尺寸决定的。凸轮的作用是驱动从动件沿着一定的轨迹进行运动，从而实现柴油机配气机构传动的功能。因此，从动件的运动规律特点及应用是柴油机凸轮机构设计的一个重要考虑因素。

 

一、凸轮机构的分类

 

1、按凸轮的形状

      凸轮具有曲线轮廓（如图1所示）或凹槽，有盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。

2、按从动件的形式

      滚子从动件、平底（或弧底）从动件、尖顶从动件等，如图2所示。

（1）尖顶从动件：

      外形如图2（a）所示。从动件的尖端能够与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。这种从动件结构简单，但尖端处易磨损，故只适用于速度较低和传力不大的场合。

（2）滚子从动件：

       外形如图2（b）所示。为减小摩擦磨损，在从动件端部安装一个滚轮，把从动件与凸轮之间的滑动摩擦变成滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用来传递较大的动力，故这种形式的从动件应用很广。

（3）平底从动件：

      外形如图2（c）所示。从动件与凸轮轮廓之间为线接触，接触处易形成油膜，润滑状况好。此外，在不计摩擦时，凸轮对从动件的作用力始终垂直于从动件的平底，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。缺点是与之配合的凸轮轮廓必须全部为外凸形状。

（4）曲面从动件：

       为了克服尖端从动件的缺点，可以把从动件的端部做成曲面，称为曲面从动件。这种结构形式的从动件在生产中应用较多。

3、按封闭的方式不同

      为了保证凸轮机构正常工作，必须使凸轮与从动件始终保持接触，这种作用称为封闭（或锁合）。

（1）力封闭

      利用重力、弹簧力或其它外力进行封闭。这种封闭方式比较简便，但凸轮经常承受一个附加的压力，所以只适用于小型和载荷不大的凸轮机构。

（2）利用凸轮结构进行封闭

      这种封闭形式最简单，但加大了凸轮的尺寸和重量。同时，在运动过程中，滚子往往与凸轮槽两过交替接触，滚子经常变换转向，不利于滚子的轮槽的润滑，易于磨损。所以只适用于中、低速轻载的凸轮机构。

 

图1  柴油机凸轮轴轮廓形状

图2  柴油机凸轮从动件分类

 

二、凸轮轴从动件的优缺点

 

      凸轮机构结构的传动特点是结构简单、紧凑、设计方便，只需设计适当的凸轮轮廓，就可以使从动件实现预期运动规律的空间运动。

1、优点

（1）构件少，运动链短，结构简单紧凑

      为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。

（2）可塑性强

      凸轮具有良好的可塑性和适应性，因此能够满足不同的工作条件，适用于各种机械设备。

（3）操作安全

      凸轮的设计能够确保机械运行的安全，大大减少柴油机机械故障的发生。

（4）使用寿命长

      凸轮制作材料可以是高强度合金，使其具有长久的使用寿命和较高的耐磨损能力。

2、缺点

（1）点、线接触，易于磨损

      从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端易磨损，适用于传力较小的低速机构中。

（2）加工难度高

      凸轮的加工工艺比较复杂，需要高水平的加工技术和设备，因此制造成本较高。

（3）运转过程中的惯性力

      在凸轮高速旋转时，会产生惯性力，使凸轮产生横向振动，进而影响机械设备的工作效果。

      综合来看，尽管凸轮具有一些缺点，但其优点仍然非常突出。对于柴油机来说，凸轮仍然是不可替代的重要机械元件之一。当然，在实际应用过程中，我们需要根据不同的工作条件和要求来对凸轮的使用进行优化和改进，以提高其效率和使用寿命。

 

三、凸轮从动件运动规律

 

       凸轮从动件运动规律一般有四种，通常从动件的位移s、速度v和加速度a的变化规律，全面反映了从动件的运动特性和动力特性的变化规律，运行特性比较如表1所列。凸轮机构从动件的运动规律是指从动件的位移、速度、加速度随时间（或凸轮转角）的变化（规律）情况。当把位移、速度、加速度作为纵坐标，时间（或凸轮转角）作为横坐标，以曲线的形式来表达它们之间的关系时，就分别称为位移线图（如图3所示）、速度线图和加速度线图。

表1    凸轮从动件运行规律特性比较

1、等速运动

      从动件在推程(回程)中的速度v=常数。修正方法如下：

      在运动规律的两端，因为存在着严重的冲击现象，虽然由于凸轮机构材料本身的弹性，使这种运动规律在工作中能够应用，但由于冲击的存在，工作的噪音大。所以，为改善这一状况，可以改变运动线图中的两端，使其缓和过渡，以减少冲击。修正的措施，就是在曲线的两端加上两段圆弧过渡，圆弧半径通常可以取h/2，MN为两圆弧的内公切线（回程类同），如图4所示。这样加速度在曲线的两端就变成较小的有限值，冲击也变成有限值。

2、等加速-等减速

      如图3所示，等加速、等减速运动规律，在前半程用等加速运动规律，后半程采用等减速运动规律，两部分加速度绝对值相等。

3、余弦加速度运动

      余弦加速度运动规律的加速度曲线为1/2个周期的余弦曲线，位移曲线为简谐运动曲线（又称简谐运动规律），如图4所示。

4、正弦加速度

      运动规律的加速度曲线是连续的，没有任何冲击，可用于高速。

      从动件的运动规律特点主要表现在其运动形式、运动速度和加速度等方面。从动件的运动形式通常为直线运动或圆周运动，其运动速度和加速度的大小主要取决于凸轮的参数和从动件的特性。例如，当凸轮的参数定死后，从动件的运动速度和加速度就可以通过调整机构的结构参数来达到所需的目标。 

 

柴油机凸轮从动件运动规律图	凸轮修正后的等速运动位移线图
柴油机凸轮转角运动速度诺谟图	柴油机凸轮转角运动平衡诺谟图

 

 四、康明斯凸轮从动件零件图

 

      凸轮是一种具有特殊形状的旋转零件，通常为圆柱体或圆盘状。它在周向上具有不规则的突起部分，称为凸起或凸面。凸轮通常由高强度材料制成，以保证其在高速旋转时能够承受较大的载荷。从动件是凸轮机构中被凸轮驱动的部分，它通过与凸轮的接触，实现往复或旋转运动。常见的从动件有凸轮追踪器和摇杆。凸轮追踪器是一种与凸轮接触并沿其周向移动的装置，它将凸轮的旋转运动转换为直线或曲线运动。摇杆是一种通过与凸轮接触并绕固定点旋转的装置，它将凸轮的旋转运动转换为角度变化。

      以下为适用于KTA19-G2/ G3等柴油发动机机型的康明斯凸轮从动件零件清单。

表2  凸轮轴从动件     Camshaft Follower    BP 4026

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