康明斯动力（深圳）有限公司

摘要：柴油机凸轮轴凸轮优化设计的优劣直接影响到其动力性，经济性，可靠性，振动，噪声与排放特性的好坏。凸轮的丰满系数越大，则进气量越多，柴油机的动力性能与经济性能越好，排气烟度与热负荷越底；凸轮形线的圆滑性越好，柴油机的振动与噪声越小；凸轮与挺柱间的接触应力越小；润滑特性越好，柴油机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小。随着柴油机不断地向轻巧化，高速化，高性能与高寿命方向发展，对配气凸轮设计与制造的要求越来越高。显然，研究出具有n阶导数连续，自变量为柴油机主要结构参数，充气性能好，振动小，噪声低，设计简单的新型配气凸轮形线方程，是一个极其重要的研究课题。

一、凸轮轴结构

      凸轮轴由凸轮轴颈、正时齿轮、凸轮、驱动齿轮和偏心轮等组成。凸轮轴一般是由铸钢或锻钢制成的。凸轮和轴承表面经过硬化处理，以提高抗磨能力。

1、凸轮

      凸轮用来控制进、排气门的开和关，凸轮数等于进、排气门个数。凸轮轴上通常有一些辅助设施。凸轮在凸轮轴上的相对位置，决定气门开、闭时机，喷油泵凸轮相对位置和形状决定供油规律和供油时机。另外，凸轮轴上还有一个齿轮，用于驱动分电器（如果使用）和机油泵。

      凸轮轴通常通过凸轮轴正时齿轮由曲轴齿轮驱动。也有通过正时链条、传动带传递曲轴转矩的。

2、凸轮的夹角

      气门间隙一定时，气门的升程取决于凸轮的高度。气门开启时间取决于凸轮头部的角度，也叫夹角。凸轮的夹角是指凸轮曲线的起点和终点分别与圆心连线的夹角。在理论上此夹角应是90°（六缸机120°，如图1所示），由于进、排气门需要早开晚关，实际上都超过了90°。凸轮轴通过齿轮或链条由曲轴驱动。为减小磨损和噪声，凸轮轴齿轮和曲轴齿轮多用不同材料制成，一般是曲轴齿轮用钢，凸轮轴齿轮用铸铁或夹布胶木。

3、凸轮轴止推垫片

      凸轮轴需要采取一些措施来控制其轴向推力。采用的方法之一是在凸轮轴齿轮和法兰（加工在凸轮轴上）之间加一个止推垫片。止推垫片用螺栓拧在缸体上，以阻止凸轮轴发生任何轴向移动。在一些顶置凸轮轴的发动机上，止推垫片用螺栓直接拧在缸盖上。图2显示了如何检查凸轮轴和止推垫片之间的间隙。

二、凸轮的设计

1、凸轮设计

      凸轮轴上的凸轮有多种设计。凸轮轴凸轮的轮廓决定了气门打开和关闭的方式和时间，它们在容积效率方面起着重要的作用。气门打开的速度和程度，以及气门的关闭速度都是由凸轮的形状控制的。

      凸轮轴凸轮具有几个设计部分，如图3所示。气门升程是由凸轮轴凸轮的轮廓形状决定的，因为升程显示了气门将能打开多少，所以非常重要。凸轮轴升程是指从基圆直径往上凸轮能够到达的高度。凸轮轴周期测量的是气门保持打开有多长时间。

2、凸轮的轮廓形状

      凸轮的轮廓形状也就是它从基圆的何处开始以及到何处结束，决定了凸轮轴的周期。凸轮轴的周期用转动的角度表示。凸轮轴凸轮上的打开和关闭凸面用于举升气门和允许气门关闭。凸轮可能有多种轮廓，取决于气门打开和关闭的速度需要。例如，对于有些凸轮轴，可能需要将气门逐渐地打开，然后再缓慢地关闭，不能有突然的跳动。如图4所示，夸大地显示了几种不同的凸面。

      凸轮的顶部被称作凸顶，它的长度决定了气门将在完全打开的位置保持多长时间。凸顶可能有多种不同的轮廓形状，取决于气门需要在完全打开的位置保持多久。凸轮轴的凸跟是指凸轮轴外形的底部部分。当挺杆或气门在凸跟部分移动时，气门处于完全关闭状态。凸轮的这些外形特征决定了气门打开过程的具体特性，即时间和速度。

三、气门正时

1、配气正时和相位原理

      进气门和排气门在哪个精确的时刻打开和关闭对于发动机获得最大效率至关重要。例如，进气门在排气门关闭之前稍稍提前一点打开，这一点就十分重要。

      配气相位图反映了发动机配气时机，如图5（a）所示，图中显示了在发动机工作的整个四个冲程中何时打开和关闭进、排气门。在本图中，曲轴转动了完整的两周。通常，上止点（TDC）直接画在相位图的顶部，下止点（BDC）画在相位图的底部，并代表180°。进气、压缩、做功和排气冲程用转动的角度表示。注意：当活塞在排气冲程向上运动时，进气门在排气门关闭之前开始打开。这段气门重叠对发动机的正常工作十分重要。对于不同的发动机，重叠的度数有所不同。气门重叠使得在高转速时汽缸有较高的充气效率。但是，气门重叠也会导致发动机的真空度降低，以及在低转速时的性能变差，怠速质量和低转速燃油经济性变差。另外需要注意的是：排气门在下止点前57打开。当然，排气门的打开时间决定了有效做功行程的终止时间。

      配气正时的精确实现是由凸轮轴上的凸轮及凸轮轴驱动齿轮与曲轴齿轮的准确配合实现的。这项工作是在发动机制造厂进行大量实验的基础上确定的。在本书中主要是理解其原理，更好地维护发电机组。

      柴油发电机的进、排气门开始开启和关闭终了的时刻，通常用相对于上、下止点时曲轴位置的转角来表示，称为配气相位或配气定时。用环形图表示，称为配气相位图。

      柴油发电机的曲轴转速很高，每一活塞冲程经历时间很短，为了使汽缸内充气较充足，废气排除较干净，要求尽可能延长进、排气时间。所以，四冲程柴油发电机气门开始开启和关闭终了时刻，并不正好在活塞的上、下止点，而是分别提前和延迟一些。气门在上止点以前开启时所对应的曲轴转角叫提前角。气门在上止点以后关闭时所对应的曲轴转角叫延迟角（也称迟闭角）。

      由图5（a）可见，由于进气门在上止点前开启，而排气门在上止点后才关闭，排气和进气又是两个相邻的连续过程，这就出现了在一段时间内排气门和进气门同时开启的现象，这种现象称为气门重叠。由于新鲜气流和废气气流的流动惯性，在短时间内不会改变流向，只要气门重叠角度选择适当，就不会有废气倒流入进气管，新鲜气体也不会随同废气排出去，反而有利于换气。

2、正时标记

      为了让气门的开、闭与曲轴的位置保持正确的关系，凸轮轴必须根据曲轴设定正时。也就是说，在装配曲轴和凸轮轴时，一定要保证凸轮在精确的时间打开气门，而且与活塞和曲轴的位置有正确的关系。为了达到这个目的，柴油机厂家采用了多种方法确定准确配气。

① 采用正时齿轮。

      装在曲轴上的齿轮与装在凸轮轴上的齿轮准确配合。这些齿轮通过键销连接安装在曲轴和凸轮轴上，键销将齿轮保持在轴上的正确位置。在装配凸轮轴和曲轴时，要对齐这两个齿轮上的两个点，如图4（b）所示。如果凸轮轴和曲轴是这样装配的，相互之间正时匹配就是正确的。