凸輪軸型線設(shè)計

莫漢忠

（東風(fēng)柳州汽車有限公司 廣西柳州市 545005）

摘要：凸輪軸是汽車發(fā)動機(jī)開發(fā)設(shè)計過程設(shè)計的主要部分，對汽車做功大小具有直接影響。同時也正是由于其做功的速率變化，會產(chǎn)生不同的噪聲，是現(xiàn)代汽車設(shè)計開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)部分。本文對凸輪軸型線的研究，主要從凸輪軸型線的設(shè)計、優(yōu)化以及確定角度進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī)開發(fā)；凸輪軸型線；選定與優(yōu)化

引言：隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提升，社會資源結(jié)構(gòu)也逐步優(yōu)化。一方面，電子信息技術(shù)，成為社會發(fā)展的主要分支，社會發(fā)展的各個方面，都融合自動化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)程序，成為提升現(xiàn)代社會發(fā)展速率的主要動力；另一方面，機(jī)械做功系統(tǒng)，也在發(fā)展中進(jìn)一步優(yōu)化。其中汽車設(shè)計系統(tǒng)，是其發(fā)展的突出性代表?，F(xiàn)代系統(tǒng)資源開發(fā)與應(yīng)用中，凸輪軸型線是汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計的主要部分，探索凸輪軸型線設(shè)計的結(jié)構(gòu)，基于傳統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實現(xiàn)凸輪軸型線設(shè)計開發(fā)，推進(jìn)現(xiàn)代汽車設(shè)計結(jié)構(gòu)逐步完善，帶來更新的發(fā)展技術(shù)新引導(dǎo)。

一、 凸輪軸型線的設(shè)計概述

凸輪軸是汽車發(fā)動力內(nèi)部的構(gòu)成部分，主要用于控制氣門的開啟和閉合，實現(xiàn)對汽車做功的調(diào)節(jié)。發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣缸做功，實現(xiàn)汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部周期性循環(huán)，系統(tǒng)氣壓壓力變化與曲軸的動力之間形成慣性運動，氣缸內(nèi)部動力傳輸過程中，系統(tǒng)資源獲得有效的動力做功傳輸。同時凸輪軸型線做功，氣缸內(nèi)部氣體做功與發(fā)動機(jī)做功之間形成了力的相互碰撞，氣缸內(nèi)部做功速率越快，動力之間的摩擦也越大，產(chǎn)生的噪聲也就越大；其次，汽車發(fā)動機(jī)做功情況與凸輪軸型線變化，也具有一定的變化規(guī)律，把握運動的基本規(guī)律，也是發(fā)揮凸輪軸型線動力做功引導(dǎo)的重要保障。如圖1為凸輪軸型線做功分析圖[1]。從圖中來看，凸輪軸型線的做功變化與發(fā)動機(jī)的動力做功規(guī)律可以總結(jié)為：凸輪軸型線周期運動兩次，汽車動力系統(tǒng)做功運動一次，分析其做功運轉(zhuǎn)速率；同時，當(dāng)凸輪軸型線做功與氣缸動力做功處于力相互平衡狀態(tài)，汽車發(fā)動機(jī)做功的運轉(zhuǎn)速率車相對平穩(wěn)。

二、 凸輪軸型線設(shè)計優(yōu)化

（一） 建立凸輪軸型線分析模型

基于現(xiàn)代汽車發(fā)動力做功系統(tǒng)，建立凸輪軸型線應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖，導(dǎo)入凸輪軸型線做功運行的運動力學(xué)分析公式，分析凸輪軸型線分析的影響因素，優(yōu)化力學(xué)分析各部分系統(tǒng)運行的做功結(jié)構(gòu)，確定凸輪軸型線做功的最大做功脈沖值。假設(shè)凸輪軸型線在發(fā)動機(jī)做功中的變化系數(shù)為K，則系統(tǒng)做功的最優(yōu)變化值在1-1.5之間，設(shè)定凸輪軸型線的做功運動的變化為X1，X2，X3……，同時也分析機(jī)械做功系統(tǒng)闊系數(shù)做功變化頻率，總結(jié)凸輪軸型線發(fā)動機(jī)做功中的諧波變化規(guī)律。一般而言，系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析具有階段性特征歸結(jié)為：諧波做功的頻率與發(fā)動機(jī)做功運動的變化頻率間具有規(guī)律進(jìn)行波動。但值得注意的是，發(fā)動機(jī)啟動時與關(guān)閉前的做功分析，與汽車平穩(wěn)運行的做功運動相比，存在一定的做功差距。基于以上凸輪軸型線數(shù)據(jù)模型研究，要做好汽車做功的系統(tǒng)性分析。

（二） 實現(xiàn)凸輪軸型線的做功計算

基于以上對凸輪軸型線做功模型的綜合探究，確定凸輪軸型線做功計算的基本公式，形成凸輪軸型線在汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)部做功的規(guī)律性分析。凸輪軸型線做功設(shè)計結(jié)構(gòu)的計算公式為：f1=f2×n[2]。依據(jù)圖1對凸輪軸型線動力做功的圖像可知，凸輪軸型線的做功過程，呈現(xiàn)數(shù)列的有規(guī)律做功，進(jìn)行數(shù)據(jù)計算分析，應(yīng)力、做功效率以及機(jī)動車發(fā)動機(jī)的做功損耗等因素，在穩(wěn)定數(shù)據(jù)變化規(guī)律上，形成一個完整的做功運行體。凸輪軸型線做功應(yīng)力變化，會帶動發(fā)動機(jī)做功凸輪動力與做功動力系統(tǒng)之間形成做功動力傳輸循環(huán)體，系統(tǒng)做功氣門落座、氣門升程控制系統(tǒng)之間，形成氣門磨損與做功速率變化圖，如圖2[3]。

從圖2中數(shù)據(jù)變化來看，凸輪軸型線在汽車發(fā)動機(jī)中應(yīng)用，動力做功速率不同的情況下，凸輪軸型線的應(yīng)力做功變化波動不同。一方面，凸輪軸型線應(yīng)力做功中，氣缸活塞的做功頻率發(fā)生變化，凸輪軸的轉(zhuǎn)動周期需要的時間也不同，汽車發(fā)動機(jī)做功運轉(zhuǎn)的速率在氣缸做功為800MPa時，凸輪軸的做功狀態(tài)達(dá)到最佳標(biāo)準(zhǔn)，凸輪軸型線受到的牽引力也最大；當(dāng)數(shù)據(jù)波動在500-600MPa之間，凸輪軸型線的做功，發(fā)動機(jī)細(xì)氣缸中的動力系統(tǒng)出現(xiàn)輕微反跳的情況，從而使凸輪軸型線的動力做功曲線波動；其次，當(dāng)凸輪軸型線氣缸動力變化磨損力為達(dá)到發(fā)動機(jī)做功的最佳值，系統(tǒng)做功的數(shù)據(jù)值也會發(fā)生變化。如圖2中的數(shù)據(jù)變化為：數(shù)據(jù)在100-200MPa時，動力做功在400-450Pa之間；數(shù)據(jù)在450-600MPa時，動力做功在400-700Pa之間。凸輪軸型線帶動發(fā)動機(jī)系統(tǒng)做功，不同階段具有不同的標(biāo)準(zhǔn)，凸輪軸型線的動力分析也存在著較大的不同程度做功。

（三） 凸輪軸型線的因素分析

凸輪軸型線優(yōu)化，要抓住汽車發(fā)動機(jī)做功運動的基本規(guī)律。其一，發(fā)動機(jī)做功應(yīng)力分析：為了減小凸輪軸型線做功與氣缸內(nèi)部做功之間的動力傳輸，發(fā)動機(jī)內(nèi)部做功，必須實現(xiàn)凸輪軸型線與氣缸之間形成良好的做功傳輸，增加凸輪軸型線做功時，發(fā)動機(jī)的做功運動速率，降低凸輪軸型線的做功損耗，實現(xiàn)凸輪軸型做功速率更新的效果增強(qiáng)；其二，凸輪軸型線做功周期變化，與氣缸活塞運動產(chǎn)生的變化頻率相同，減小氣門坐落力和氣門落座速率的變化，避免凸輪軸運動的牽引動力增加、摩擦力增加、噪聲增加，假設(shè)凸輪軸型線受力50MPa，牽引力為20Pa，則按照計算公式f1=f2×n，則f1為1000Pa，那么，我們進(jìn)行汽車做功控制，應(yīng)當(dāng)將發(fā)動機(jī)做功動力控制在定力做功1000Pa為最佳，從而實現(xiàn)系統(tǒng)做功動力相互平衡。

三、 凸輪軸型線的選定

凸輪軸型線是現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)做工的主要構(gòu)成部分，實現(xiàn)現(xiàn)代汽車機(jī)械做功的創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)中凸輪軸型線充分應(yīng)用，適應(yīng)汽車發(fā)動機(jī)的設(shè)計需求。例如：系統(tǒng)做功的凸輪重力分析，要實現(xiàn)汽車做功動力系統(tǒng)，在重力相互平衡的狀態(tài)下，汽車動力做功滿足汽車發(fā)動機(jī)做功的基本需求；其次，氣門做功磨損性分析，也是發(fā)動機(jī)凸輪軸型線做功效率增加的有效途徑。例如：系統(tǒng)做功氣門做功的動力大小，對其氣門做功磨損力有直接影響，做好汽車做功的動力分析，實現(xiàn)凸輪軸型線做功的低速做功。

結(jié)論：凸輪軸型線做功研究，是提升汽車做功效率的有效途徑。結(jié)合凸輪軸型線的基本原理，探索新時期凸輪軸型線設(shè)計優(yōu)化的途徑，凸輪軸型線的數(shù)據(jù)分析和理論分析雙向結(jié)合，現(xiàn)代汽車設(shè)計提供設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈繼鵬.汽油發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析及凸輪型線優(yōu)化[D].吉林大學(xué)，2016.

[2]張鵬.組合式凸輪軸徑向滾花裝配工藝優(yōu)化及粉末凸輪裝配失效分析[D].吉林大學(xué)，2015.