顶置式凸轮轴汽车发动机结构设计分析

王 亮

0 引言

汽车发动机机构工作质量的重要决定部件是凸轮轴，其功能是确保发动机中的气门组可保持平稳的运动。现代汽车在制造过程中，出于节能的考虑，大都要求有较轻的重量，在运行中其转速较高，为减少配气机构的振动，在汽车发动机结构设计时，更多的运用了顶置式凸轮轴。本文在充分了解顶置凸轮轴分类及功能的基础上，对顶置式凸轮轴汽车发动机结构设计进行了分析与探讨。

1 顶置式凸轮轴概述

发动机是汽车的动力之源，在设计的过程中，要充分考虑汽车的动力性和燃油经济性的综合指标。发动机已问世100多年，其设计原理一直保持着原有的理念，但在结构设计方面及制造工艺等方面，都有了较大的创新。采用顶置凸轮轴结构来替代侧置凸轮轴设计现代发动机就是一项重要的技术革新与进步，为减少汽车行驶过程中配气机构较大的振动，顶置式凸轮轴配气机构被广泛的应用。顶置、中置、下置3个位置是发动机凸轮轴安装的3种形式。汽车发动机转速能达到5 000 r/min以上，因此，为使排气效率提高，多采用进气门和排气门倒挂的形式。同时由于下置式或中置式的凸轮轴在设计时，由于另外需要气门挺杆和挺柱等辅助零件，所需的传动机件比较多，设计结构复杂，体积大，会产生较大的噪声，有一定的局限性。采用顶置式凸轮轴则会改变这种现状。在发动机设计时采用顶置式凸轮轴的方式，将其配置在发动机的上方，可有效地简化传动机构，在用材上省略了气门的挺杆和挺柱部件，减轻了质量，有效地提高了传动效率。根据凸轮轴数目可将其分为单顶置凸轮轴和双顶置凸轮轴2种。很多中高档车的设计是采用多气门及V型气缸排列，要使用双凸轮轴来控制进排气门，所以很多的知名厂商都采用双顶置凸轮轴的形式来生产发动机。

1.1 单顶置凸轮轴（SOHC）

单顶置凸轮轴的设计原理是在汽缸盖内只设置1条凸轮轴，其设计相对较为简单，即在直列汽缸发动机上方安装1条凸轮轴，对于V形汽缸发动机，则分别在一侧汽缸组之上安装2条凸轮轴。在单顶置凸轮轴设计时要充分考虑同等条件下的推杆式发动机显著减少的情况，要利用精巧的设计提高发动机转速，提高发动机的功率输出。通过设计，凸轮轴能够直接或通过摇臂控制气门开闭，发动机结构更加紧凑，在进行多气门设计时其优点更加显著。在实际的设计过程中，为满足发动机的一些特定的要求，也会采用适宜的附加部件。如19世纪60年代出品的希尔曼顽童小型双门轿车，其4缸8气门发动机是单顶置凸轮轴发动的代表，其后置合金发动机的设计方案是从考文垂顶点系列赛车发动机改进而来的。在设计时，在发动机的同一侧安装了进气气门和排气气门，这种设计非常有利于火星塞的工作，但由于进排气门在进气道中的位置不同，使得开闭时会有影响。一些公司针对这一特性对设计进行了改装，如丰田、大众等公司配备了气门间隙调节垫片，以精确控制气门开闭时间。在设计时大众汽车采用的是桶状挺杆、丰田采用了液压挺杆，使设计更加紧凑、简单。

1.2 双顶置凸轮轴

双顶置凸轮轴又称为双凸轮轴，在汽缸盖内配备2条凸轮轴的气门，分别控制进气门和排气门。通常双顶置凸轮轴汽车发动机最多可拥有2～4条不等的凸轮轴。在设计双顶置凸轮轴结构的发动机时，不要求一定要设计2个以上的进气门和排气门，但如果想实现多气门发动机的气门直接被驱动，那么在设计时要采用双顶置凸轮轴。在现代的设计中，双顶置凸轮轴已和多气门技术等同起来，在现在的汽车发动机设计中，所有的双顶置凸轮轴发动机汽缸中都会设计3～5个气门。

2 顶置式凸轮轴汽车发动机结构设计

发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，必须具备以下一些机构和系统。

2.1 汽车发动机结构的构成

对于发动机要具备以下的机构和系统：（1）曲柄连杆机构。在发动机的设计中，曲柄连杆机构是实现发动机工作循环，能够进行能量转换的主要零件。曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。活塞是在气缸内进行直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，从曲轴对外输出动力。在进气和排气中，又转成了活塞的直线运动。（2）配气机构。配气机构其作用为定时对进气门和排气门进行开启和关闭，让可燃混合气或空气进入气缸，并把废气排出。（3）燃料供给系统。汽油机燃料供给系根据发动机的要求，将一定数量和浓度的混合气供入到气缸，并把废气排出。（4）润滑系统。润滑系统的功能是向零件表面输送清洁润滑油，减轻磨损并减小阻力，同时可清洗及冷却零件表面。（5）冷却系统。其功能是将零件吸收的部分热量散去，确保发动机工作在适宜的温度中。其系统是由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。（6）点火系统。能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。（7）起动系统。在外力作用下，驱动发动机曲轴，促进活塞往复运动，通过可燃混合气燃烧膨胀作功，促进活塞向下运动，进而旋转曲轴，使其从静止状态过渡到工作状态。

2.2 汽车发动机结构设计分析

（1）配气机构的平稳性设计。配气机构的平稳性是确保发动机能够正常稳定工作的关键部件，对其设计研究有着十分重要的意义。由于配气机构作为一个弹性的系统，在工作时，会引进机构的弹性振动。可根据设计出较多的高质量的动力模型车，来适应发动机顶置式凸轮轴的配气机构。能够较好地对弹簧的振动情况及时地进行分析，能够较好地了解凸轮的受力情况。该模型的设计有较高的精度。（2）齿形带传动系统设计。在发动机结构设计中，传动系统的作用也不容忽视。在传动系统中，同步带的齿形有梯形齿、弧齿等形式。对于弧齿同步带其工作面为弧齿形状，抗拉体为玻璃纤维绳的橡胶带，其传动性能及承载能力都非常好。国内现在生产较多的同步带为梯形齿。图1为齿形带传动系统的代表，其中，图1（a）为465QF型发动机双顶置凸轮轴正时传动布置，图1（b）为单顶置凸轮轴正时传动布置。在对传动系统设计中应该考虑发动机配气机构布置形式、传动链运动几何学、发动机额定转速等因素。可通过计算确定设计参数，包括：1）同步齿形带形式、长度、宽度、齿数；2）皮带轮直径、宽度、材料及设计公差；3）张紧装置形式、参数、张紧力；4）正时标记计算。在对传动系统进行设计时，要充分考虑传动系统的保护装置的设计，要关注其注意事项，以保证设计的精巧性和使用寿命。能让其在足够的疲劳强度下依旧可正常工作，同时要保证传动可靠，具备防磨损、防尘等功能。

3 结语

凸轮轴是影响发动机配气机构工作质量的关键部件，要求在设计时保证发动机气门组有准确、平稳的良好运动规律。因此，在实际设计中，要合理地对顶置式凸轮轴配气机构进行设计，尽可能地减少汽车行驶过程中配气机构的较大振动，为汽车的安全行驶提供技术保障。

图1 双顶置和单顶置凸轮轴正时传动布置

［1］刘兴富.凸轮检测应按设计要求选择测头.计量技术，2000（11）

［2］苏军，申屠淼.顶置凸轮配气机构气门升程的精确计算.内燃机学报，1999，17（3）

［3］陆际清，沈祖京，孔宪清，等.汽车发动机设计.北京：清华大学出版社，1993