人人都能懂的發動機原理——凸輪軸的結構設計

?1．凸輪軸的結構

汽油機凸輪軸上多數有驅動分電器、機油泵的螺旋齒輪和驅動汽油泵的偏心輪。在採用單體泵的柴油機上，凸輪軸上有驅動單體泵的偏心輪。

凸輪軸分整體式和組合式兩種。整體式凸輪軸即凸輪、偏心輪等與軸模鍛或鑄造成一體。組合式凸輪軸則由芯軸、凸輪、支承軸頸、偏心輪等組成，聯接方式有鍵聯接、熱壓配合、釺焊、燒結等多種。組合式凸輪軸的優點是各組合件可以獨立選擇適宜的材料，減少凸輪軸加工餘量，質量輕，心軸為鋼管的凸輪軸可以省略在軸中鑽長油孔的工序。

2．凸輪軸基本尺寸的確定

凸輪軸的軸間尺寸決定於發動機的總布置。凸輪軸直徑的確定、支承數的選擇應保證凸輪軸的剛度。

凸輪軸的撓度可按自由支承於兩支點並承受一個或多個集中載荷的雙支梁計算。作用在凸輪上的力有：氣門彈簧力Ps；氣門頭上的氣體壓力Pg；氣門和氣門彈簧組件的當量慣性力；搖臂慣性矩轉化的當量慣性力；推桿和挺柱的慣性力。對OHC式機構作用在凸輪上的合力P為

式中 Yt——挺柱加速度；

g——重力加速度；

Gt、Gv、Gs、Gp——分別為挺柱、氣門(包括氣門鎖鐵和彈簧座)、氣門彈簧、推桿的質量；

IR——搖臂對搖臂軸的轉動慣量；

Lv——搖臂軸到氣門軸線的距離；

i——搖臂比。

凸輪軸的最大撓度不得超過0.03mm。下置凸輪軸多是每隔兩缸設置一個支承，頂置凸輪軸高速內燃機多數採用全支承凸輪軸。

凸輪軸的直徑dc(一般取為(0.25～0.35)D，D為氣缸直徑。凸輪的基圓應比最細部分直徑大2～3mm。採用整體式凸輪軸軸承時，凸輪軸的裝拆條件要求凸輪軸軸頸應增大到能使整根凸輪軸通過軸承孔。有時為使安裝容易，各軸頸直徑從軸的一端向另一端遞減。

各氣缸同名凸輪在軸上的相對位置取決於發動機的缸數、氣缸排列和發火次序。單列四行程發動機各缸同名凸輪間的夾角等於相應氣缸發火間隔角(曲軸角)的一半，二行程發動機則等於此角。在V型發動機中確定異列氣缸同名凸輪相對位置時，還必須考慮相應挺柱間的空間角度。

同一氣缸進排氣凸輪在軸上的相對角位置佔取決於發動機的配氣定時和驅動方式。當進排氣門與發動機縱向成一列布置，凸輪外形又對稱時，同一氣缸進氣凸輪頂點落後於排氣凸輪頂點的角度為C時(圖7-2)：

當進排氣門與發動機縱向成雙列布置，由一根凸輪軸驅動時(圖7-18)，如排氣門搖臂的滾輪超前於進氣門搖臂的滾輪／角，則

ξ=C/2－γ (3)

如排氣門搖臂的滾輪落後子進氣門搖臂的滾輪／角，則

ξ=C/2＋γ (4)

3．凸輪與挺柱間的接觸應力和潤滑

由於配氣機構工作時，凸輪與挺柱間的接觸面承受很大的壓力，而由於零件的加工誤差和變形，會使凸輪與挺柱之間形成點接觸，因此工作面上的接觸應力很高。

帶有小錐度錐形的凸輪配用大半徑球面挺柱，可使凸輪與挺柱接觸點偏離挺柱軸線，使挺柱在工作中能緩緩轉動，磨損趨向均勻，且其接觸情況不會因凸輪與挺柱相歪斜而惡化，接觸應力會有所降低。

柱面凸輪配用平面桶形挺柱，不僅可以補償凸輪和挺柱之間的歪斜，而且可以獲得儘可能大的接觸面積，降低接觸應力。接觸應力的計算見第7．2．6節第5段。

由於凸輪與挺柱間的接觸應力很大，凸輪與挺柱工作面間的相對滑動速度又很高，散熱條件又差，工作面摩擦磨損很大，必須保證良好的動態潤滑。關於凸輪與挺柱間的潤滑特性和最小油膜厚度的計算將在7．6．4．4中進行詳細的論述。

4．凸輪軸的材料

在已定凸輪與挺柱工作條件下，合理選擇凸輪與挺柱的材料配副和通過適當的熱處理得到合適的金相組織，可以有效地降低凸輪和挺柱的早期磨損。

凸輪軸的材料大多用45、45Mn2中碳鋼或15Cr、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、20MnVB等低碳鋼、球墨鑄鐵、冷激合金鑄鐵等製造。中碳鋼凸輪軸所有工作表面和支承軸頸表面高頻淬火，硬度HRC56～63。低碳鋼凸輪軸用表面滲碳淬火，硬度HRC58～63。球墨鑄鐵凸輪軸用等溫淬火使硬度達到HRCA3—50，或用表面淬火使硬度達到HRC48～55。冷激合金鑄鐵凸輪軸表面硬度可達到HRC45～55，可淬硬冷激合金鑄鐵凸輪軸的表面硬度HRC>55。一般額定轉速超過3000r/min的發動機的凸輪軸多數採用合金鑄鐵材料。目前國外採用冷激合金鑄鐵和可淬硬冷激合金鑄鐵材料的凸輪軸已佔總產量的70％左右。

表7-2所列為一些有代表性的凸輪和挺柱的材料配副和材料的彈性模數E。

挺柱的硬度一般都需要在HRC50以上，挺柱硬度應比凸輪軸高3～7HRC。

作者： 吳工