凸轮优化设计解析 .pdfVIP

一.配气凸轮优化设计

1.1配气凸轮结构形式及特点

配气凸轮是决定配气机构工作性能的关键零件，如何设计和加工出具有合理型线的凸轮轴

是整个配气系统设计中最为重要的问题。对内燃机气门通过能力的要求，实

际上就是对由凸轮外形所决定的气门升程规律的要求，气门开启迅速就能增大时面值，但这将导

致气门机构运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧、机构动力特性变差。因此，对气

门通过能力的要求与机构动力特性的要求间存在一定矛盾，应该观察所设计发动机的特点，如发

动机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，主要在凸轮外形设计中兼顾解决发动机配气凸

轮外形的设计也就是对凸轮从动件运动规律的设计。从动件升程规律的微小差异会引起加速度规

律的很大变动，在确定从

动件运动规律时，加速度运动规律最为重要，通常用其基本工作段运动规律来命名，一般有下面

几种：

1.1.1等加速凸轮

等加速凸轮的特点是其加速度分布采取分段为常数的形式，其中又可分为两类，一类可称

为“正负零型”，指其相应的挺柱加速度曲线为正一负一零：另一类可称“正零负型”，指其

加速度曲线为正一零一负。当不考虑配气机构的弹性变形时，对最大正负加速度值做一定限制且

在最大升程、初速度相同的各种凸轮中，这种型式的凸轮所能达到的时面值最大。等加速型凸

轮常常适用于平稳性易保证，而充气性能较差的中低速柴油机中。但就实际情况而言，配气机

构并非完全刚性，等加速凸轮加速度曲线的间断性必然会影响机构工作平稳性，在高速内燃机中

一般不采用等加速型凸轮

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1.1.2组合多项式型

组合多项式型凸轮的基本段为一分段函数，它由几个不同的表达式拼接而成。通过调整

各段所占角度及函数方程，获得不同斜率的加速度曲线。组合多项式型凸轮时面值大，而且能够

方便地控制加速度变化率及确保正、负加速段间的圆滑过渡，可以

较好地协调发动机充气性能及配气机构工作平稳性的要求⑺。由于凸轮从动件运动规

律由若干函数组成，在各段间联结点处不易保证升程规律三阶以上导数的连续性，可

能会影响配气机构工作的平稳性，组合多项式型凸轮主要应用在要求气门时面值大和较好动力性

能的情形。

1.1.3高次方凸轮

高次方凸轮是目前整体式的函数凸轮型线中应用较为广泛的一种。它的基本段挺

柱升程函数是高次多项式，项数和幕次的选取有一定的任意性。一般情况下，幕指数越大，升

程曲线就越丰满，且最大负加速度越小，而使凸轮外形最小曲率半径增大，有利于减小该处接触

应力、降低磨损。但是其负加速度初段形状不理想，往往会提高对弹簧的要求，而且还使最大

正加速度值增大，正加速度段宽度减小，导致配气机构振动加剧。在设计过程中，一般先针对若

干组幕指数，计算出反映凸轮特性的各相关参数，确定性能较好的一组作为计算方案。高次多项

式型凸轮主要应用在对动力性能要求较高的现代高速车用发动机上[22]0

1.1.4多项动力凸轮

以上三种型线的凸轮都是把配气机构视为完全刚性的。但配气机构总是存在弹性变形。无

论挺柱升程怎样设计，它与气门升程之间总是有差别的，因此，基于这一差别的考虑，对挺柱升

程曲线预先做一定的修正，这样使用动力学计算方法算出的气门升程曲线才比较理想。多项动

力凸轮基本工作段的气门升程曲线是高次多项式来设计的，因此能够进行这种动力学修正的型线

有很多种，应用最为广泛的是多项动力凸轮，这种凸轮具有良好的高速适应性。目前多项动力

凸轮主要应用在高速汽油机中。

1.2配气凸轮优化设计方法

内燃机配气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。配气凸轮的丰满系数越大，则进气量越多，内燃机的动力性能与经济性能越好，

排气烟度与热负荷越低，凸轮形线的圆滑性越好，内燃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，内燃机配气机构的冲击载荷及摩擦磨损越小。

配气凸轮型线优化设计的任务就是在确保配气机构能可靠工作的前提下寻求最佳的凸轮设

计参数。凸轮型线的