頂置式凸輪軸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王 亮

0 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)工作質(zhì)量的重要決定部件是凸輪軸，其功能是確保發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣門組可保持平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)代汽車在制造過(guò)程中，出于節(jié)能的考慮，大都要求有較輕的重量，在運(yùn)行中其轉(zhuǎn)速較高，為減少配氣機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，更多的運(yùn)用了頂置式凸輪軸。本文在充分了解頂置凸輪軸分類及功能的基礎(chǔ)上，對(duì)頂置式凸輪軸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與探討。

1 頂置式凸輪軸概述

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力之源，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要充分考慮汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的綜合指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)已問(wèn)世100多年，其設(shè)計(jì)原理一直保持著原有的理念，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面及制造工藝等方面，都有了較大的創(chuàng)新。采用頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)來(lái)替代側(cè)置凸輪軸設(shè)計(jì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)就是一項(xiàng)重要的技術(shù)革新與進(jìn)步，為減少汽車行駛過(guò)程中配氣機(jī)構(gòu)較大的振動(dòng)，頂置式凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用。頂置、中置、下置3個(gè)位置是發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸安裝的3種形式。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到5 000 r/min以上，因此，為使排氣效率提高，多采用進(jìn)氣門和排氣門倒掛的形式。同時(shí)由于下置式或中置式的凸輪軸在設(shè)計(jì)時(shí)，由于另外需要?dú)忾T挺桿和挺柱等輔助零件，所需的傳動(dòng)機(jī)件比較多，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，有一定的局限性。采用頂置式凸輪軸則會(huì)改變這種現(xiàn)狀。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用頂置式凸輪軸的方式，將其配置在發(fā)動(dòng)機(jī)的上方，可有效地簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在用材上省略了氣門的挺桿和挺柱部件，減輕了質(zhì)量，有效地提高了傳動(dòng)效率。根據(jù)凸輪軸數(shù)目可將其分為單頂置凸輪軸和雙頂置凸輪軸2種。很多中高檔車的設(shè)計(jì)是采用多氣門及V型氣缸排列，要使用雙凸輪軸來(lái)控制進(jìn)排氣門，所以很多的知名廠商都采用雙頂置凸輪軸的形式來(lái)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.1 單頂置凸輪軸（SOHC）

單頂置凸輪軸的設(shè)計(jì)原理是在汽缸蓋內(nèi)只設(shè)置1條凸輪軸，其設(shè)計(jì)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，即在直列汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)上方安裝1條凸輪軸，對(duì)于V形汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)，則分別在一側(cè)汽缸組之上安裝2條凸輪軸。在單頂置凸輪軸設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮同等條件下的推桿式發(fā)動(dòng)機(jī)顯著減少的情況，要利用精巧的設(shè)計(jì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。通過(guò)設(shè)計(jì)，凸輪軸能夠直接或通過(guò)搖臂控制氣門開閉，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，在進(jìn)行多氣門設(shè)計(jì)時(shí)其優(yōu)點(diǎn)更加顯著。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的一些特定的要求，也會(huì)采用適宜的附加部件。如19世紀(jì)60年代出品的希爾曼頑童小型雙門轎車，其4缸8氣門發(fā)動(dòng)機(jī)是單頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)的代表，其后置合金發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案是從考文垂頂點(diǎn)系列賽車發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來(lái)的。在設(shè)計(jì)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的同一側(cè)安裝了進(jìn)氣氣門和排氣氣門，這種設(shè)計(jì)非常有利于火星塞的工作，但由于進(jìn)排氣門在進(jìn)氣道中的位置不同，使得開閉時(shí)會(huì)有影響。一些公司針對(duì)這一特性對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改裝，如豐田、大眾等公司配備了氣門間隙調(diào)節(jié)墊片，以精確控制氣門開閉時(shí)間。在設(shè)計(jì)時(shí)大眾汽車采用的是桶狀挺桿、豐田采用了液壓挺桿，使設(shè)計(jì)更加緊湊、簡(jiǎn)單。

1.2 雙頂置凸輪軸

雙頂置凸輪軸又稱為雙凸輪軸，在汽缸蓋內(nèi)配備2條凸輪軸的氣門，分別控制進(jìn)氣門和排氣門。通常雙頂置凸輪軸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)最多可擁有2～4條不等的凸輪軸。在設(shè)計(jì)雙頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，不要求一定要設(shè)計(jì)2個(gè)以上的進(jìn)氣門和排氣門，但如果想實(shí)現(xiàn)多氣門發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門直接被驅(qū)動(dòng)，那么在設(shè)計(jì)時(shí)要采用雙頂置凸輪軸。在現(xiàn)代的設(shè)計(jì)中，雙頂置凸輪軸已和多氣門技術(shù)等同起來(lái)，在現(xiàn)在的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，所有的雙頂置凸輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸中都會(huì)設(shè)計(jì)3～5個(gè)氣門。

2 頂置式凸輪軸汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)是一種由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)器。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)正常工作，必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。

2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)要具備以下的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)：（1）曲柄連桿機(jī)構(gòu)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)，能夠進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要零件。曲柄連桿機(jī)構(gòu)由機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成?；钊窃跉飧變?nèi)進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從曲軸對(duì)外輸出動(dòng)力。在進(jìn)氣和排氣中，又轉(zhuǎn)成了活塞的直線運(yùn)動(dòng)。（2）配氣機(jī)構(gòu)。配氣機(jī)構(gòu)其作用為定時(shí)對(duì)進(jìn)氣門和排氣門進(jìn)行開啟和關(guān)閉，讓可燃混合氣或空氣進(jìn)入氣缸，并把廢氣排出。（3）燃料供給系統(tǒng)。汽油機(jī)燃料供給系根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，將一定數(shù)量和濃度的混合氣供入到氣缸，并把廢氣排出。（4）潤(rùn)滑系統(tǒng)。潤(rùn)滑系統(tǒng)的功能是向零件表面輸送清潔潤(rùn)滑油，減輕磨損并減小阻力，同時(shí)可清洗及冷卻零件表面。（5）冷卻系統(tǒng)。其功能是將零件吸收的部分熱量散去，確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在適宜的溫度中。其系統(tǒng)是由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、水箱、節(jié)溫器等組成。（6）點(diǎn)火系統(tǒng)。能夠按時(shí)在火花塞電極間產(chǎn)生電火花的全部設(shè)備稱為點(diǎn)火系，點(diǎn)火系通常由蓄電池、發(fā)電機(jī)、分電器、點(diǎn)火線圈和火花塞等組成。（7）起動(dòng)系統(tǒng)。在外力作用下，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸，促進(jìn)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)可燃混合氣燃燒膨脹作功，促進(jìn)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而旋轉(zhuǎn)曲軸，使其從靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到工作狀態(tài)。

2.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（1）配氣機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性設(shè)計(jì)。配氣機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性是確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常穩(wěn)定工作的關(guān)鍵部件，對(duì)其設(shè)計(jì)研究有著十分重要的意義。由于配氣機(jī)構(gòu)作為一個(gè)彈性的系統(tǒng)，在工作時(shí)，會(huì)引進(jìn)機(jī)構(gòu)的彈性振動(dòng)?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)出較多的高質(zhì)量的動(dòng)力模型車，來(lái)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)頂置式凸輪軸的配氣機(jī)構(gòu)。能夠較好地對(duì)彈簧的振動(dòng)情況及時(shí)地進(jìn)行分析，能夠較好地了解凸輪的受力情況。該模型的設(shè)計(jì)有較高的精度。（2）齒形帶傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳動(dòng)系統(tǒng)的作用也不容忽視。在傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步帶的齒形有梯形齒、弧齒等形式。對(duì)于弧齒同步帶其工作面為弧齒形狀，抗拉體為玻璃纖維繩的橡膠帶，其傳動(dòng)性能及承載能力都非常好。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在生產(chǎn)較多的同步帶為梯形齒。圖1為齒形帶傳動(dòng)系統(tǒng)的代表，其中，圖1（a）為465QF型發(fā)動(dòng)機(jī)雙頂置凸輪軸正時(shí)傳動(dòng)布置，圖1（b）為單頂置凸輪軸正時(shí)傳動(dòng)布置。在對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)布置形式、傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)、發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速等因素。可通過(guò)計(jì)算確定設(shè)計(jì)參數(shù)，包括：1）同步齒形帶形式、長(zhǎng)度、寬度、齒數(shù)；2）皮帶輪直徑、寬度、材料及設(shè)計(jì)公差；3）張緊裝置形式、參數(shù)、張緊力；4）正時(shí)標(biāo)記計(jì)算。在對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，要關(guān)注其注意事項(xiàng)，以保證設(shè)計(jì)的精巧性和使用壽命。能讓其在足夠的疲勞強(qiáng)度下依舊可正常工作，同時(shí)要保證傳動(dòng)可靠，具備防磨損、防塵等功能。

3 結(jié)語(yǔ)

凸輪軸是影響發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)工作質(zhì)量的關(guān)鍵部件，要求在設(shè)計(jì)時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)氣門組有準(zhǔn)確、平穩(wěn)的良好運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要合理地對(duì)頂置式凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡可能地減少汽車行駛過(guò)程中配氣機(jī)構(gòu)的較大振動(dòng)，為汽車的安全行駛提供技術(shù)保障。

圖1 雙頂置和單頂置凸輪軸正時(shí)傳動(dòng)布置

［1］劉興富.凸輪檢測(cè)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求選擇測(cè)頭.計(jì)量技術(shù)，2000（11）

［2］蘇軍，申屠淼.頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)氣門升程的精確計(jì)算.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1999，17（3）

［3］陸際清，沈祖京，孔憲清，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，1993