第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计

柴油机配气机构两种 凸轮型线 的设 计及性 能对 比
苌转 ， 王素梅 王 海丰 ，
（． １ １９辽 宁 省 沈 阳市 ， 阳理 工 大 学 汽 车 与 交 通 学 院 ； ． １１ １ 宁 省 沈 阳 市 ， 阳远 大 环 境 工 程 有 限公 司 ） １ １０ ５ 沈 ２ １０ ６ 辽 沈
平稳 ， 产生 的振 动和噪声 小， 但对进 气充量 有不利影 响 ， 可通过增 大气 门直径 或采 用多气 门等工程 上常 用的
措 施 加 以改 善 。
［ 关键词 ］柴油机 ； 配气机构 ； 凸轮型线设计 ； 几何 凸轮 ； 函数 凸轮
［ 中图分类号 ］Ｔ ４ ９ Ｋ ２
［ பைடு நூலகம்献 标志码］Ｂ
第５ ０卷 第 ４期
Ｖｏ ． ０ １ ５ Ｎｏ ４ ．
农 业装 备 与车 辆工 程
Ａ Ｒ Ｃ Ｌ Ｕ Ａ Ｑ ＩＭＥ Ｔ＆ Ｖ Ｈ Ｃ ＥＥ Ｇ Ｎ Ｅ Ｉ Ｇ Ｇ ＩＵ Ｔ Ｒ ＩＥ Ｕ Ｐ Ｎ Ｅ ＩＬ Ｎ Ｉ Ｅ ＲＮ
２１ ０ ２年 ４月
Ａｐ ．２ ２ ｒ ０１
ｄ ｉ １．９ ９ｊｓ ． ７ — １ ２２ １ ． ． ５ ｏ ：０３ ６ ／．ｓ １ ３ ３ ４ ． ２０ ０ ｉｎ ６ ０ ４ ０
［ 摘要 ］利用几何法和 函数 法对 ４ ２ １ ５柴油机配 气机构 的凸轮 型线进行设计 ， 通过计算和 比较 两种 凸轮 型线下 挺 柱运动的位移 、 度和加速度 曲线得 出： 速 几何 凸轮 型线 的换 气时面值 大， 有利 于提 高发 动机 的充量 系数 ． 但
在 气 门 开 启 和 关 闭 的 瞬 间 以及 速 度 的 绝 对 值 达 到 最 大 时 ， 柱 的 加 速 度 均 发 生 突 变 ， 此 ， 用 几 何 凸轮 的 挺 因 采

一、绪论1.1引言配气机构是内燃机的重要组成部分。

它的功能是实现换气过程，即根据气缸的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃烧废气。

一台内燃机的经济性能是否优越，工作是否可靠，噪音与振动能否控制在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。

设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻底，即具有较大的时面值，泵气损失小，配气正时恰当。

与此同时，配气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规律，以及合适的正、负加速度值.内燃机配气凸轮机构是由凸轮轴驱动的，配气机构的这些性能指标很大程度上取决于配气凸轮的结构。

本文从改进配气凸轮型线设计角度来进行配气机构优化设计研究。

1.2配气凸轮型线设计凸轮机构从动件滚子直接与凸轮轮廓而接触并产生相对运动，利用滚子的滚动以减小因相对运动产生的摩擦与磨损，以提高机构的寿命和可靠性。

在设计凸轮型线时首先满足从动件的运动规律。

从动件运动规律的应满足下列要求:①应保证能获得尽量大的时间断面值，气门开启和关闭要快以求在尽可能小的凸轮转角内气门接近全开位置。

②应保证配气机构各零件所受的冲击和振动尽可能小，以求大得配气机构工作得平稳性和可靠性。

为满足以上从动件的设计要求，一条良好的凸轮型线应能保证:①适宜的配气相位。

使配气相位符合发动机的特性要求，如功率、油耗、怠速及最大功率和扭矩时的转速等，保证配气机构获得尽可能大的时面值或丰满系数，以提高内燃机的充气效率和降低残余废气系数。

②使发动机具有较好的充气性能。

由于发动机的形式不同，需要的气门运动规律也就有所不同。

例如球形燃烧室内燃机希望进气门尽快开启使空气尽早流入;而高速汽油机希望进气开始时缓慢一些，以便更好的利用惯性充气。

③适宜的从动件加速度。

加速度不宜过大或者带突变，加速度曲线应尽可能连续。

第五章配气机构设计第一节配气机构的形式及评价第二节配气机构运动学和凸轮形线设计第三节配气机构动力学第四节配气机构主要零件设计要点第五节可变配气机构第一节配气机构形式及评价一、配气机构的设计要求基本要求：气缸换气良好，气门通过能力大，气门开启时面值大，气门开口面积大且快开快关。

惯性力↗负荷↗磨损↗振动↗噪声↗。

二、配气机构形式1、下置凸轮轴侧置气门2、下置凸轮轴顶置气门3、顶置凸轮轴顶置气门1、下置凸轮轴侧置气门：可靠，但充气系数小，抗爆性差，HC排放多，趋于淘汰。

2、下置凸轮轴顶置气门：充气系数大，但零件多，质量大，刚性差。

3、顶置凸轮轴顶置气门：动力性能好，但传动链长。

三、每缸气门数：一般一进一排；现在有：二进二排；三进二排；二进一排四、凸轮轴的传动：齿轮（正时）传动；链条传动；齿带传动。

最近出现了各种配气定时可调的内燃机，使之能在更宽的范围内保持较为有利的配气定时。

第二节配气机构运动学和凸轮形线一、凸轮设计与机构运动学：配气凸轮外形决定气门的通过能力和构件加速度变化规律。

一般设计过程：从动件加速度规律→从动件运动规律→凸轮外形生产中，配气凸轮外形都是用靠模机床加工的，而凸轮靠模往往是用展成法制造的。

二、凸轮挺柱的运动规律：凸轮升程丰满系数1.等加速减速凸轮这种凸轮存在冲击性惯性负荷，甚至“飞脱”2、复合正弦凸轮：用一个正半波大幅短周期正弦曲线和一个负1/4波小幅长周期正弦曲线组成半作用角的挺柱加速度曲线。

3.高次多项式凸轮：为得到高阶光滑，提出高次多项式凸轮。

各待定系数和幂指数根据边界条件计算。

二.气门间隙与缓冲段设计：由于存在气门间隙等因素，所以需设计缓冲段。

缓冲段主要参数：高度：0.15~0.3mm速度：0.006~0.025mm/(°)包角：15°~40°缓冲段形线的形式：（１）等加速－等速型（２）余弦型三、有关配气凸轮机构的一些几何问题：确定了挺柱的运动规律（升程表）后，凸轮外形设计就算完成。

起点： =0 , s=0 , v=0
终点： = 0 , s=h
升程运动规律：
同理，得回程运动规律：
作推程运动线图
h/2
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
5
6
7
8
4
推程运动线图
s
O
h
0
0/2
：0 = ：
=(/ 0)
位移线图
速度线图
5
6
7
8
1
2
3
5
6
7
8
4
h /20
0
0/2
v
O
1
2
3
4
2
A
O
B
180º
120º
60º
o
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
（1）作出角位移线图；
（2）作初始位置；
（4）找从动件反转后的一系 列位置，得 C1、C2、 等点，即为凸轮轮廓上的点。
A1
A2
A3
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
（3）按- 方向划分圆R得A0、 A1、A2等点；即得机架 反转的一系列位置；
二．图解法设计凸轮轮廓曲线
1. 对心直动尖端从动件盘形凸轮机构
已知：推杆的运动规律、升程 h；凸轮的及其方向、基圆半径r0
设计：凸轮轮廓曲线
h
s
O
/2
h/2

思考题 1从动件的常用运动规律是指哪几个物理量的变化规律 ？
位移、速度、加速度
2如何判断某种运动规律从动件是否有冲击？何种性质的冲击？
判断凸轮在某位置时所对应从动件的加速度有无突变。 若加速度存在无穷大突变，则为刚性冲击； 若加速度存在有限值突变，则为柔性冲击
3选择或设计从动件运动规律应考虑那些因素 ？
5.4 凸轮机构基本尺寸的确定
1凸轮轮廓的压力角 从动件的运动方向和凸轮作用于它的法向力 Fn方向之间所夹的 角称为压力角 将从动件受力F分解为：
推杆驱动力 F1=Fcosα； 导路正压力 F2=Fsinα； 产生的最大摩擦力Ff = F“ f 。当存在 关系Ff F‘ 时，机构发生自锁； 有f tanα 1。 压力角a愈大，有效分力Ｆy愈小。当a角大到某一数值时，会出现Fy<Fx。 不论施加多大的Fn力，都不能使从动件运动，这种现象称为自锁。为 保证凸轮机构正常工作，必须对凸轮机构的压力角进行限制。
5-4-1
一般随压力角α增大，机构的磨损加重、传力性能恶化、效
率降低→与工程实践相一致 。 凸轮机构设计时，应满足：αmax≤［α］ 一般许用压 力角[α]的经 验值为：
从动件 推程 回程 移动 [α]= 30～40° 摆动 [α]= 45～50°
[α]=70～80°
凸轮基圆半径r0与其各位置压力角αi 密切相关。增大r0则αi 减小； 减小r0必然导致αi 增大。即结构紧凑与传力性能良好间存在矛盾。 虽然偏距e也能适量减小推程压力角，但却会增大回程压力角。运用时 应注意偏置方位。
5-3-2
作图
取比例尺μ1，先根据已知尺寸作出基圆与偏距圆，然后用 反转法作图设计。逆时针左偏，顺时针右偏
当e=0时，即对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构。其设计方法与上述 方法基本相同，不同的是推杆反转时其各导路位置线始终过轴心

内燃机课程设计凸轮说明书题目 90kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计学院机电工程学院专业热能与动力工程专业班级热动1002 学号姓名指导老师刘军日期 2013-6-2590kW四行程四缸汽油机凸轮型线设计前言四冲程汽车发动机都采用气门式配气机构，其功用是按照发动机的工作顺序和工作循环要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出。

其中，凸轮机构作为机械中一种常用机构，在自动学和半自动学当中应用十分广泛，凸轮外形设计在配气机构设计中极为重要，这是由于气门开关的快慢、开度的大小、开启时间的长短都取决于配气机构的形状。

因此，配气凸轮的外形设计和配气凸轮型线设计就决定了时间的大小、配气机构各零件的运动规律及其承载情况。

任务书首先对凸轮进行设计，然后利用最大速度和最大加速度位置基于高次方程凸轮运动规律进行凸轮型线的优化设计，建立数学模型，并设计图论过渡段和绘制图轮廓图。

凸轮的设计1.给定的参数及要求（1）凸轮设计转速nc=4636r/min；（2）进气门开启角233°（曲轴转角），凸轮工作段包角116.5°；（3）排气门开启角220°（曲轴转角），凸轮工作段包角110°；（4）气门重叠角15°（曲轴转角），凸轮转角7.5°；（5）凸轮基圆直径 28mm；（6）进气门最大气门升程hvmax =8.2，排气门最大气门升程hvmax=8。

2.凸轮型线类型的选择配气机构是发动机的一个重要系统，其设计好坏对发动机的性能、可靠性和寿命有极大的影响。

其中凸轮型线设计是配气机构设计中最为关键的部分，在确定了系统参数后，重要的问题是根据发动机的性能和用途，正确选择凸轮型线类型及凸轮参数。

凸轮型线有多种，如复合正弦，复合摆线，低次方，高次方，多项动力，谐波凸轮等。

其中，高次方、多项动力、谐波凸轮等具有连续的高阶倒数的凸轮型线，具有良好的动力性能，能满足较高转速发动机配气机构工作平稳性的要求。

第二节 凸轮机构的传力特性 G
传力特性分析目的 确定构件之间相互的作用力，为 解决磨损及强度尺寸设计提供可靠的 数据。
压力角—不计摩擦时，凸轮对
从动件作用力方向线nn与从动件上 力作用点的速度方向之间所夹的锐 角。
FR2 2
d
vl
F2R1
n
tb
B
t
1 F
n
传力特性分析
Fx 0 F sin( 1) (FR1 FR2 )cos2 0
确定凸轮的基圆半径rb。 步骤
● 确定凸轮转动轴心的位置
● 确定从动件的正确偏置方位以及偏距e
● 将[]代入前式
rb
d
s d tan[ ]
e
s
2
e2
● 确定ss()，求出dsd，代入上式求出一系列rb值，选
取其中的最大值作为凸轮的基圆半径
工程上常常借助于诺模图(Nomogram)来确定凸轮的 最小基圆半径。借助于诺模图既可以近似确定凸轮的最大 压力角，也可以根据所选择的基圆半径来校核最大压力 角。
一、工作循环图与凸轮工作转角的确定 凸轮的工作转角应当根据机器中各个执行机构动作之间 的配合关系，由工作循环图(Working cycle diagram)来确 定。
电阻坯件 电阻送料机构凸轮
电阻帽 送帽压帽机构凸轮
送帽压帽机构凸轮
夹紧机构凸轮
工艺过程
电阻自动压帽机传动系统图
电阻体上料
电阻体夹紧
送帽
合。
,t
⑸ 3–4–5次多项式运动规律(Law of polynomial motion)
推程
s
h10
3
15
4
6
5

序号：编码：重庆理工大学第二十四届“开拓杯〞学生课外学术科技作品竞赛参赛作品作品名称：配气凸轮型线设计作品类别： A类别：自然科学类学术论文科技创造制作C哲学社会科学类学术论文与社会调查报告配气凸轮型线设计摘要：配气机构是内燃机重要组成局部，它控制着内燃机的换气过程，其设计优劣直接影响着内燃机的动力性，经济性和排放性以及工作可靠性。

今年来随着内燃机的高速化，低排放化的趋势，人们对其配气机构的性能要求越来越高。

而凸轮型线配气机构的核心局部，其设计的合理性影响着配气机构的各个性能指标。

凸轮型线的设计既要保证获得尽可能的大时面值和饱满系数以提高换气效率，又要保证加速度曲线连续，、无突变。

本次论文针对以上情况，设计出一款缸径为68的配气凸轮，并对其性能做出相应的评价。

关键词：配气机构凸轮升程凸轮型线Abstract:Airdistribution mechanism is animportant part ofthe internal combustion engine,which controls the gasexchang e process of the internalcombustion engine,thedesignofwhich has a direct impact on theengine power,economy andemissions aswell aswork reliability.Thisyear,with the high speed of theinternal combustion engine,thetrend of lowemission,the performance requirements of thegasdistributionagenciesaregettinghigherandhigher.And thecorepartofthecamtypeairdistributionmechanism,the rationalityofitsdesignaffectstheperformanceindexesofthe airdistribution mechanism.The design of the cam profile is notonlytoensurethatthefacevalueandfullnesscoefficientareobtained asmuchas possible to improvethe ventilationefficienc y,but alsotoensure that the acceleration curveiscontinuous,andthereisnomutation.Thispaper,inviewofthe abovesituation,designabore68ofthecam,andmakethe correspondingevaluationonitsperformance.Keyword:Valvetrain Camlift Camprofile1.凸轮设计的根本原那么凸轮的设计即凸轮外轮廓线的设计，凸轮廓线有两种表示方法：1〕型线式，给出凸轮对应的挺柱升程曲线以及基圆半径，2〕外型式，给出轮廓形的几何形状和曲线方程。

内燃机设计第五章
气门运动规律
2011-4-6
内燃机设计第五章
2、复合正弦凸轮
用一个正半波大幅短周期正 弦曲线和一个负1/4波小幅长 周期正弦曲线组成半作用角 的挺柱加速度曲线。
ht1 A0 A1c1 A2 sin( / 1 )c1
0 c1 1
ht 2 B0 B1 sin( / 2 2 ) c 2
2011-4-6
二、各零件设计
• 1、挺柱 • 对于平面挺柱，应注意其材料与凸轮材料 相异，形成合理的摩擦副，并应注意其底 平面最小半径的设计计算。 • 大缸径发动机常采用滚子挺柱。 • 为了消除气门间隙，可采用液压挺柱，如 书中图示了各种形式的液压挺柱。
2011-4-6
内燃机设计第五章
1、挺柱
为保证此系统的力闭合，必须满足下列条件：
F m h 0
* s * " c t
2011-4-6
或
内燃机设计第五章
h F / m
" t * s
* c
气门凸轮机构不同转速下的工作情况
2、弹性气门机构
• 实际系统并不是刚性的，各构件存在弹性， 需建立弹性模型进行动力学研究计算。 • 无阻尼单质量模型 • 气门凸轮机构动力学曲线比较（刚性模型 与弹性模型）
d / d c 1
dht / d c d sin (d / d c ) d sin
d ht / d d cos (d / d c ) d cos
2 2 c
2011-4-6
内燃机设计第五章
凸轮外形的曲率半径及接触点偏心量
最后得
e dht / d c
2011-4-6
内燃机设计第五章

凸轮机构设计1 概述凸轮机构由凸轮、从动件和机架三部分组成，结构简单，只要设计出适当的凸轮轮廓曲线，就可以使从动件实现任何预期的运动规律。

但另一方面，由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，因此只适用于传递动力不大的场合。

1.1 凸轮机构的应用（工程应用案例）内燃机配气机构凸轮机构自动车床上的走刀机构分度转位机构靠模车削机构1.2 凸轮机构的分类凸轮机构的类型很多，常就凸轮和从动杆的端部形状及其运动形式的不同来分类。

(1) 按凸轮的形状分1)盘形凸轮(盘形凸轮是一个具有变化向径的盘形构件绕固定轴线回转)尖顶移动从动杆盘形凸轮机构尖顶摆动从动杆盘形凸轮机构滚子移动从动杆盘形凸轮机构滚子摆动从动杆盘形凸轮机构平底移动从动杆盘形凸轮机构平底摆动从动杆盘形凸轮机构2)移动凸轮(移动凸轮可看作是转轴在无穷远处的盘形凸轮的一部分，它作往复直线移动。

)移动从动杆移动凸轮机构摆动从动杆移动凸轮机构3)圆柱凸轮(圆柱凸轮是一个在圆柱面上开有曲线凹槽，或是在圆柱端面上作出曲线轮廓的构件，它可看作是将移动凸轮卷于圆柱体上形成的。

)圆柱凸轮自动送料机构4)曲面凸轮按锁合方式的不同凸轮可分为：力锁合凸轮，如靠重力、弹簧力锁合的凸轮等；形锁合凸轮，如沟槽凸轮、等径及等宽凸轮、共轭凸轮等。

沟槽凸轮槽凸轮机构 (2) 按从动杆的端部形状分1) 尖顶这种从动杆的构造最简单，但易磨损，只适用于作用力不大和速度较低的场合(如用于仪表等机构中)。

2) 滚子滚子从动杆由于滚子与凸轮轮廓之间为滚动摩擦，磨损较小，故可用来传递较大的动力，因而应用较广。

3) 平底平底从动杆的优点是凸轮与平底的接触面间易形成油膜，润滑较好，所以常用于高速传动中。

(3)按推杆的运动形式分1)移动往复直线运动。

在移动从动杆中，若其轴线通过凸轮的回转中心，则称其为对心移动从动杆，否则称为偏置移动从动杆。

2)摆动作往复摆动。

总结：凸轮机构的组成凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件。

回程:在重力或弹簧的作 用下，从动件由B’回到最 近位置A的过程。
s2
B’
D δ’s
h
A rmin
o δt δs
回程运动角h :与回程对应的 凸轮转角h称为回程运动角。
δt
δh
ω1
δs 设计：潘存云 B
t δh δs’ δ1
近休止角s’ ：从动件在最近 位置停留不动时，凸轮的转角。
C
图3-5 盘形凸轮机构
12
10
顶等条曲在光分④线各滑③①②各、将等曲运基等确选各分线动圆分定比点尖。角r位反例b占顶和，移转尺据点偏确曲后的距连l定，线从位圆接作反及动置e成位。转反件。一移向后尖 11
9
对应于各等分点的从动件的
位置。
10 9
3、对心滚子直动从动件盘形凸轮
滚子直动从动件凸轮机构中，已知凸轮的基圆
半径rmin，角速度ω1和从动件的运动规律，设
根据工作要求选定推杆运动规律，正确绘制运动简图 是凸轮轮廓曲线设计的基础。
一、名词术语与基本概念
名词术语：如图3-5所示 。
基圆：以凸轮轮廓的最小向径rmin为半径所绘的圆。
rmin (r0)——基圆半径
推程：凸轮以角速度1推动 从动件以一定运动规律由最 低 位 置 A 到 达 最 高 位 置 B' 的 过程。
运动规律：推杆在推程或回程时，其位移S2、速度V2、和加速
度a2 随时间t 的变化规律。 S2=S2(t)
V2=V2(t)
a2=a2(t)
s2 位移曲线
B’
以直角坐标中的横轴代表 凸轮转角δ1（t），纵轴代表
h
A
t
D δ’s rmin
o δt δs δh δ’s δ1

内燃机配气机构凸轮的设计
内燃机配气机构中，凸轮是最重要的零件之一，负责控制气门的
开启和关闭。

其设计需要考虑诸多因素，如气门开启角度、开启时间、开启速度等。

凸轮的形状通常为椭圆形或者正弦型，具体的形状与气门的开启
方式有关。

在设计凸轮时，需要分析气门的运动规律以及发动机的性
能要求，确定凸轮的最佳形状。

此外，凸轮的位置和大小也需要设计。

凸轮的位置通常与曲轴的
角度有关，而凸轮的大小则取决于发动机的排量和功率等因素。

在设
计时，需要根据实际情况进行具体的计算和调整。

总之，内燃机配气机构凸轮的设计复杂而关键，需要综合考虑多
种因素，以确保发动机的性能和可靠性。

《内燃机设计》教学大纲开课单位：汽车工程系课程代号：学分：3.5 总学时：56H课程类别：限选考核方式：考试基本面向：车辆工程专业一、本课程的教学目的、性质和任务本课程为车辆工程专业发动机方向的必修专业课。

通过本课程的学习，学生应对内燃机的设计指标、设计要求、内燃机的选型和主要参数的选择有较为系统的了解；能初步掌握内燃机设计中的主要零部件设计原则和方法；对结构尺寸的确定、材料的选择和受力情况的分析有较深的了解。

为毕业后从事内燃机专业方面的技术工作打下良好的基础。

二、本课程的基本要求系统的掌握内燃机设计的原则和方法；正确的进行内燃机的选型和主要参数的选择；能熟练的对内燃机及相关部件进行受力分析和计算；能用有限元等方法进行一定的分析计算。

三、本课程与其它课程的关系本课程涉及的知识范围广，本课程先修课程主要有：《工程热力学与内燃机原理》、《传热学》，同时要学习《内燃机燃烧学》。

四、本课程的教学内容第一章总论（一）发动机总体设计（二）发动机主要参数的选择（三）典型发动机的结构分析（四）活塞式发动机的发展（五）现代设计的基本方法第二章曲柄连杆机构受力分析（一）曲柄连杆机构运动学（二）曲柄连杆机构上的作用力第三章发动机的平衡（一）概述（二）平衡分析方法（三）曲轴轴系平衡块的布置（四）辅助平衡机构的设计第四章曲轴系统扭转振动控制（一）曲轴扭振系统的简化（二）自由振动计算CAE（三）发动机的阻尼（四）激振力矩（五）强迫振动计算（六）扭振减振器设计第五章发动机悬置设计（一）发动机的隔振（二）发动机悬置设计与计算（三）悬置件的设计第六章噪声控制技术（一）噪声基础知识（二）内燃机噪声及其控制第七章曲轴设计（一）曲轴的工作条件和设计要求（二）曲轴主要尺寸的确定和结构细节设计（三）曲轴强度计算连续梁法CAE（四）有限元法在曲轴设计中的应用（五）曲轴的实验应力分析和疲劳强度试验第八章连杆组设计（一）连杆的结构设计（二）连杆有限元分析（三）连杆螺栓设计第九章轴瓦设计（一）轴瓦的工作特点与要求（二）轴瓦结构设计与应力计算（三）轴心轨迹计算CAE（四）主要失效形式及对策第十章活塞组设计（一）活塞的设计（二）活塞销和活塞销座（三）活塞有限元分析（四）活塞的评价（五）活塞环结构和参数选择第十一章机体和气缸盖（一）机体设计综述（二）冷却水流的组织（三）机体和变形振动噪声控制（四）气缸和气缸套的设计（五）气缸盖设计（六）机体的实验分析第十二章配气机构（一）总布置设计（二）配气机构运动学（三）凸轮型线设计（四）配气机构动力学（五）凸轮轴与气门驱动件（六）气门组件的设计第十三章气流的组织（一）混合气分配均匀性的提高（二）气道、管道CAE/CAD/CAM（三）进排气管系的优化组合（四）可变进排气系统（五）空气滤清第十四章密封技术（一）燃烧室的密封（二）其它零部件的密封第十五章润滑系与冷却系（一）润滑系主要部件设计（二）主要摩擦副的摩擦学（三）润滑油的选择（四）冷却系的设计要求（五）散热器设计（六）节能风扇第十六章零件材料和强度（一）材料（二）金属表面强化（三）零件强度（四）可靠性设计五、本课程的重点、难点本课程的重点是：发动机的总体设计、典型发动机的结构分析；曲柄连杆、配气机构的受力分析与计算；曲轴系统的振动分析及计算；曲轴、连杆、活塞的设计；本课程的难点是：气道、管道的CAD/CAM/CAE;密封技术；零件材料和强度计算。

车辆工程技术6车辆技术汽车发动机配气机构配气凸轮型线优化设计姚晨超（江苏大学京江学院,江苏 镇江 212028）摘　要：配气机构设计关系到发动机的性能。

随着发动机技术的不断发展，高速下稳定可靠运转对于发动机设计来说非常关键，同时配气机构必须具有优秀的动力学特性，而凸轮型线的设计关系到配气机构的整体性能。

本文针对缓冲部分、工作部分这两个凸轮型线设计的关键环节进行了探讨。

关键词：汽车；发动机；配气机构；凸轮型线；发动机设计配气机构是发动机的重要组成部分，凸轮型线是配气机构的核心，其设计质量直接影响发动机性能。

凸轮型线由基圆部分，缓冲部分和工作部分组成。

基圆部分受汽缸盖尺寸的影响，在设计开始时就确定了。

仅当气缸盖的尺寸或配气机构的结构改变时才能更改。

因此，如果不改变配气机构的结构，则缓冲部分和工作部分的优化是优化的重点。

1　凸轮型线缓冲部分的设计凸轮型线的结构包括缓冲部分的结构和工作部分的结构。

缓冲部分的设计非常重要。

首先，由于气门间隙的存在，实际的气门打开时间晚于挺柱的动作时间。

其次，由于气门弹簧的偏压力，配气机构会产生一定的弹性变形。

一旦弹力超过弹簧的预紧力，气门阀就开始移动。

同样，由于气缸中存在气压，气缸压力与气门弹簧对排气门的偏压力具有相同的作用，都阻碍气门打开，导致气门阀迟开。

由于上述原因，气门阀的实际打开时间晚于理论时间，而实际的开启时间早于理论时间，导致冲击力强，落座速度快，加剧了机构的振动、噪音和磨损。

缓冲部分的上升段和下降段的高度通常是相同的。

汽车发动机凸轮型线的缓冲部分的高度范围在0.2mm-0.4mm。

带挺柱配气机构机构的缓冲部分的高度通常为0.02mm。

根据不同发动机的速度和稳定性，不带挺柱的配气机构缓冲部分的末端运动速度小于0.3m/s，高速发动机的配气机构缓冲部分的末端运动速度应在此基础上适当减小，以免对阀门造成过多冲击，带有液压气挺柱的可以进一步降低缓冲段的末端运动速度，可以根据实际情况进行调试，以使气门阀平稳落座。

序号：编码：重庆理工大学第二十四届“开拓杯”学生课外学术科技作品竞赛参赛作品作品名称：配气凸轮型线设计作品类别： A类别：A自然科学类学术论文B 科技发明制作C哲学社会科学类学术论文与社会调查报告配气凸轮型线设计摘要：配气机构是内燃机重要组成部分，它控制着内燃机的换气过程，其设计优劣直接影响着内燃机的动力性，经济性和排放性以及工作可靠性。

今年来随着内燃机的高速化，低排放化的趋势，人们对其配气机构的性能要求越来越高。

而凸轮型线配气机构的核心部分，其设计的合理性影响着配气机构的各个性能指标。

凸轮型线的设计既要保证获得尽可能的大时面值和丰满系数以提高换气效率，又要保证加速度曲线连续，、无突变。

本次论文针对以上情况，设计出一款缸径为68的配气凸轮，并对其性能做出相应的评价。

关键词：配气机构凸轮升程凸轮型线Abstract:Air distribution mechanism is an important part of the internal combustion engine, which controls the gas exchange process of the internal combustion engine, the design of which has a direct impact on the engine power, economy and emissions as well as work reliability. This year, with the high speed of the internal combustion engine, the trend of low emission, the performance requirements of the gas distribution agencies are getting higher and higher. And the core part of the cam type air distribution mechanism, the rationality of its design affects the performance indexes of the air distribution mechanism. The design of the cam profile is not only to ensure that the face value and fullness coefficient are obtained as much as possible to improve the ventilation efficiency, but also to ensure that the acceleration curve is continuous, and there is no mutation. This paper, in view of the above situation, design a bore 68 of the cam, and make the corresponding evaluation on its performance.Key word:Valve train Cam lift Cam profile1.凸轮设计的基本原则凸轮的设计即凸轮外轮廓线的设计，凸轮廓线有两种表示方法：（1）型线式，给出凸轮对应的挺柱升程曲线以及基圆半径，（2）外型式，给出轮廓形的几何形状和曲线方程。

第二节 配气机构运动学和凸轮型线设计一、平底挺柱的运动规律大多数挺柱是平底形式。

而且无论是何种挺柱形式，在凸轮加工时一般也都需要运用平底挺柱的运动规律，因此先重点研究平底挺柱的运动规律。

平底挺柱运动关系简图如图5-9所示。

因为速度三角形与AOB ∆相似所以 AOr AB h c t ω= ，ct e h ω= 又因为 ct c c t t t h dtd d dh dt dh h ωϕϕ'=== （5-8） 所以 c t c he ωω'=， t h e '= （5-9）从以上的推导可以看出，当采用平底挺柱时，挺柱凸轮的接触点与挺柱轴线的偏心距值就等于平底挺柱的几何速度值（mm/rad ）。

因此，设计时为保证接触点不落在挺柱底面之外，平底挺柱的底面半径要大于最大偏心距，也就是在数值上要大于挺柱的最大几何速度max⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ctd dh ϕ。

另外，由rr r h v OA r OB v c t t c t ωω=+→=0 得 ()c t t h r v ω+=0 （5-10） 式中，t v 是挺柱相对凸轮表面的滑动速度，或者是接触线沿凸轮表面的移动速度c v i 与沿挺柱表面的移动速度it v 之差。

二、凸轮外形与平底挺柱运动规律间的关系设接触点A 沿挺柱表面的移动速度为it v ，接触点A 沿凸轮轴表面的移动速度为ic v 。

则c t cc t t i h dtd d h d dt h d dt de v ωϕϕ''='='==t （5-11） 如图5-10所示，假设ρ为接触点A 的曲率半径，c c d ϕϕ≈∆，则点A 沿凸轮表面移动的速度为c c cc c c c icd dl dt d d dl dt A dA v ρωωϕϕϕ====21 （5-12） 则挺柱相对凸轮表面的滑动速度为()c t c t c it ic t h r h v v v ωωρω+=''-=-=0 （5-13）图5-9 平底挺柱运动关系简图 图5-10接触点变化示意图所以凸轮各点的曲率半径ρ为t t h h r ''++=0ρ设计中要保证曲率半径不能为负值，且min ρ应大于3mm ，以保证较小的接触应力。