汽车发动机配气机构凸轮机构型廓设计与研究

张志翔

摘 要：近年来，由于发动机低排放、高速化的发展趋势，对其性能指标要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、安全可靠地工作，同时对发动机的噪音和振动有较大的发展趋势，对其性能指标要求越来越高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、安全可靠地工作，因此对配气机构设计的要求也越来越高，本文对汽车发动机配气机构凸轮型廓设计的发展历程与优化方式进行了深入探究与分析。

关键词：汽车发动机 配气机构 凸轮机构 型廓设计

1 引言

在我国，由于我国的能源持续使用，一些非更新的资源日益匮乏，同时也带来了环境的严重破坏。从生态的观点看，要达到节能和环保目的，必须着重研究车辆的能耗和污染问题。引擎作为一种电力设备，其消耗的燃油十分巨大，同时也造成了严重的环境问题。为了应对环保问题，要求在提高引擎动力的前提下，减少油耗，减少废气的排放量。在汽车引擎中，空气动力学系统是一个非常关键的部件。在发动机的动态特性方面，配气机构起着决定性的影响。

2 汽车发动机配气机构概述

发动机的配气机构的工作性能与其工作指标有很大关系。在满足需求的情况下，必须保证引擎的工作和可靠。特别是在高速运行和大动力的引擎中。当对发动机的性能有较高的要求时，必须保证其动态特性，才能保证其工作的稳定性。同时，在引擎运转过程中，各部件也会产生摩擦力，对某些部件进行改进，尤其是要保证其抗磨损性能。这就给配气装置的结构设计带来了困难。在图1所示的气体传动装置的设计中，应将该结构形式和所述的凸轮型线的设置相结合。为了保证各个汽油机在工作时都能在工作时保证汽油机的通气性能。在开、关、开、关时，都要严格遵守科学的原则。该传动装置应与所用的引擎配套。若引擎是四行程，匹配的是气阀-凸轮即可。气阀-凸轮结构具有良好的工作性能，保证了气缸的密封件的耐用性。中国的汽车业发展很快，其引擎技术也取得了巨大的进步。因此，必须从多个角度来考虑配气的结构，从而拓展其发展的余地。

3 汽车发动机配气机构研究现状

3.1 配气机构工作原理

如上所述，配气机构的最大作用是将汽缸中的废气排出，同时将新鲜的气体及时地引入，保证汽缸中的燃油的稳定燃烧。因此，可以看出，该机构是一种能够完成引擎进气与排气的机械装置，其作用是使引擎能够按预先设定的程序开启或关闭进气阀。由于配置合理，引擎能够平稳地将汽油机中的废气抽进、排出，保证了引擎能够持续地运行。由于工作的条件很苛刻，配气装置的设计原则和构造要简单，工作可靠，维护和替换都要容易。

在具体的工作过程中，该系统的工作流程包括阀门开启和阀门闭合两大环节。（1）开启阀门。在汽油机内部需要换气的情况下，曲轴会用一个凸轮带动活塞和推杆，带动推杆转动，这时，摇杆的一头就会把阀门往下一推，同时弹簧也会受到挤压。进气阀和排气阀都是这种工作方式。（2）阀门的闭合。随着凸轮顶部转动，阀门的开启程度随着弹簧的转动而降低，最终的闭合。四冲程引擎，由于在加压和工作过程中，阀门会被紧固地闭合，从而使汽缸处于一个紧密的状态。

3.2 配气机构发展历程

随着人民的生活水准的不断提升，对车辆的能动性、外观和性价比的要求也越来越高，因此，汽车的动力系统技术的发展就成了大家关心的话题。在我国，我国的汽车发动机动力总成技术革新的重点是：顶置凸轮轴、变气门、多气门技术、非凸轮电动液压传动等。我们将详细解释上述的技术。

顶置凸轮轴技术是由一个凸轮轴的移动来实现的，该技术包括三个不同的结构形式，第一个是一个直立的气阀，一个是一个可以看到一个气阀的凸轮，这个凸轮可以很容易的看到一个动作，相对于另外两个模型来说，这个模型可以说是一个简单的周期动作。二是双臂法。摇臂的构造方式，顾名思义，就是更加的容易掌握，比起前面的更加复杂，但是使用起来，却更加有效。但是，这两种不同的结构型并不能很好地结合在一起，使得凸轮的移动效果并不理想。基于这个理由，形成了一种单一和双重顶部的三种凸轮运行方式，其不同之处是，汽缸罩上设有不同的凸轮轴，一个顶部和两个顶部的凸轮轴，这样的技术可以解决上述两个问题。

多气门技术是将两个或多个阀门安装在汽车引擎的每个汽缸中。因此，三阀型发动机很少见，四阀型是第二种，随着涡轮技术的发展，四阀型发动机越来越受欢迎，越来越多的汽油机选择四气阀，这样可以增加气门的气门，增加空气的流动范围，这样不但可以增加空气的流动，还可以加速汽油的燃烧，从而提高引擎的动力。

可变式多气门技术是汽车引擎中不可或缺的一项关键技术，它直接关系到车辆的整体性能。可变阀技术能够通过调节和实施结构来实现对车辆的配气流程的优化，并为车辆的配气机制提供了最基本的驱动装置。可变气阀在使用时，可以调整发动机的进气管和排气管的相位，从而可以根据发动机的速度改变进气管的流量，从而达到最佳的燃烧效果，同时也可以提高燃料的经济性。该技术能够利用高、低速度的速度来调节引擎的阀门打开时间和时间。

无凸轮电液驱动技术的使用既可以提高发动力的燃料经济性，又可以达到环境保护的目的，因此该技术是一项很有意义的技术。之所以说这台发动机是一种很有创意的技术，那就是不能弥补以前的不足，比如：发动机的阀门可以改变，而凸轮轴则可以控制阀门，但是，这种技术的局限性在于，价格昂贵，利用率不高，限制了发动机的推广。

4 汽车发动机配气机构凸轮型廓设计案例分析

4.1 设计思路

凸轮型廓设计包含静态、动态和系统优化三个阶段。在静态优化设计阶段，弧形凸轮由于具有简单的型线、挺柱位移、速度曲线等特点，得到了广泛的应用。发动机在低速时的振动和噪音都很小，但是它的加速度曲线不连续，配气机构的惯性力突然变化，发动机转速升高时的振动和噪音增大，使得它使用的圆弧凸轮的次数越来越少，因此它的位移、速度和加速度都是连续的。功能凸轮有：低次方凸轮、高次方凸轮、复合正弦凸轮、复合摆线凸轮等。虽然该方法能在一定程度上降低振动和噪声，但它的气门运动规律并不符合凸轮对挺杆的要求。在动态优化设计阶段，由于发动机的气门是一种弹性振动元件。考虑到内燃机的弹性振动和凸轮的控制运动，可以把发动机的配气机构看成是一个比较简单的单质量振动模式，或者是一个多质量的复合振动模式。如果选择了合适的物理模型参数，那么它的计算结果和试验值是一致的，但只有在凸轮型面设计完毕之后，才能进行发动机振动的校正。若振动超出容许范围，则必须进行凸轮的再设计，直至符合设计的要求。在系统优化阶段，通过凸轮转速、配气机构等各种精确的数据和参数，进行了系统的科学和有效的匹配和连接。在这种情况下，为了确保发动机的工作稳定，就需要对发动机的各种性能进行优化和优化。从而使产品的设计品质得到提高，又能达到产品的设计要求。通过实践证明，该模型不僅可以确保车辆的安全性，还可以解决其它车型在发动机动力系统参数方面存在的不足，同时也可以达到车辆的发动机性能指标。

在建立凸轮机构型廓模型时，由单质量模型、二质量模型、多质量模型和有限单元模型组成的气动机械结构的最优模型。该方法的特点是其构造不复杂、待确定的参量少、易于进行数值模拟。单一质量模式是指在阀的移动过程中所产生的阀的重量和其它转换到阀上的移动。另外，这种阀的运动的阀杆与凸轮的刚性叫做体系刚性，而各个元件的各个减振叫做体系的减振。二质量模式将阀门的品质和中心品质分开，并以单一的质量模式为依据。由于二重模型中的一些质点的刚性与单一质点的刚性近似，而单一质点的二质点和单一质点的模态可以用试验方法来确定。因此，可以用试验方法来求出二次质量模式的参数。为了让各部件的变形和阻尼能够得到合理的响应，在分析部件的动作和受力状况后，大多采用集中质量和刚度的形式，将其转化为有限的机械结构。这个体系叫做多质动态模式，在气门的推杆，挺杆，摇臂，气门和内气门的弹簧都可以由若干个中心块取代。最后，近年来，由于限制元技术的不断发展和完善，使得该方法能够从一个特定的角度对车辆的配气结构进行动态的全面的研究。采用该有限元方法进行气动机械结构的分析和计算，对于进一步研究气阀的寿命和可靠性具有重要意义。其优点在于可以精确地测量零件的位移、速度、加速度以及零件的接触应力和变形。

4.2 汽车发动机配气机构凸轮型廓设计

凸轮驱动装置的随动件辊轮与其直接接触，从而实现了与其相关的相对移动，从而降低了由于其相对移动引起的摩擦力和磨耗，从而延长了机械的使用寿命和可靠性。在以往的设计和使用中，由于其结构的复杂性较大，所以很难对其进行细致的分析。在对随动件的运动规则进行分析的时候，不仅要认识其工作原理，还要注意保证其动态特性，方便生产。随动件的运动规则的选取与设计，有许多方面的问题，如：

①在机械加工中对随动部件的运动有特别的规定时，必须根据工作流程的需要来进行运动规则的优化。

②在机床工作时，仅需随动部件的工作冲程，且不需特别规定其移动规则时，随动部件的移动规则就是最大的弹性。而对低转速的凸轮，则以方便的方式进行；针对高速型的凸轮，必须根据其动态性能进行优化，以减少惯量力和碰撞的影响，从而进行驱动机构的运动。

③若机械对随动部件的运动有特别的规定，且仅有一种运动法则难以达到上述条件，则应根据所需的组合运动法则加以解决。

④在设计随动件的运动规则时，不仅要注意其碰撞特征，而且要同時兼顾其最大速度、加速度和跃度。随着随动件的工作冲程的最大加速，其惯量力也随之增大，而惯性力所产生的动力对构件的强度和耐磨性也有较大的影响。凸轮驱动装置的动作规则既要符合机床的运行需要，又要避免速度和加速度的突然变化。由于无限大的加速突然变化而产生的刚性冲击和由极限加速度的突然变化而产生的挠性冲击，都会对机器产生冲击和振动。惯性和撞击力太大也会增加机械触头上的压强。这一切都会对设备的工作造成不利的后果，从而加重设备的损耗和损伤，从而缩短设备的使用年限。在一般的凸轮机构随动部件的运动规律中，等速运动定律具有无限大的加速度和刚体碰撞，而等加速度和简谐的运动定律具有极限的加速度，从而导致挠性的撞击。由于通过合理的凸轮外形，可以实现随动件的任何期望的移动，因此在许多机械和机械上都有广泛的用途。

4.3 发动机配气机构进气门结构型线设计

一般情况下，汽车引擎进气阀的进气道升因子为0.4964，这种因素难以改善进气系统的充气性能，同时也无法增加引擎在运转时的动力。通过对凸轮的润滑和平坦挺杆的润滑因子分析，得出了在不同工况下，最小的润滑因子是0.118。当靠近凸轮桃尖处的润滑因子为0.15-0.30时，其润滑性能最佳。进给的凸轮不但润滑不好，而且对平板挺杆的润滑要求也很高。若在进气口的工作区段和缓冲区间的润滑作用不好，则会导致气阀阀位过高。这时，若进气凸轮仍处于正常运转，挺杆的接点压力比较稳定，弹性余量被限制在预定的限度之内，没有出现飞跑，则表明其传动系统的动态特性是很好的。通过对其结构进行优化，其目的在于改进进气阀的进气特性，增加进气比，从而改善润滑油状况，从而保证两个凸轮之间的有效的联接，保证阀门的跳速在一定的限度之内。

4.4 发动机配气机构排气门结构型线设计

为了获得最佳的最佳导向，本文运用了动力分析法对排气系统的排气系统进行了动力学计算。在车辆引擎的进气系统中，其排放阀的升力因子为0.5299。通过与平板式挺杆的对比，发现排气管的进气凸轮在接触衬底时，在与衬底接触的部位，会产生超过跳度量的现象。这时，如果气阀的气阀能稳定地稳定下来，没有松开的迹象，也没有弹簧，那就是发动机的动力系统运行得很好。若发生阀簧反弹，就是由于弹簧抖动所致。为了使进气系统的排气阀结构得到最优的设计，必须增加进气系统的升程系统，并使其润滑状况得到很好的改善，从而保证排气阀的形状曲线平滑，并使其在预定的数值范围之内。

5 汽车发动机配气机构检修措施

在检修过程中，由于操作工人的技术水平和知识水平存在一定的偏差，导致了机械设备的维护工作难以实现。所以，在检修时要特别重视燃气管道的维护，并采用相应的改进方法，以保证管道的正常运行。第一、气阀的光磨：在保养过程中，如果阀门出现烧蚀、麻点和凹痕，必须进行光磨（严重时需要换阀），此项工作一般在阀门光磨机上进行，在使用时要注意以下四点：第一，必须确保气门头部与阀体中心位置一致，否则必须首先调正；二是，在能完全磨削圆锥表面的情况下，磨削的数量愈少愈好；三是尽可能地改善表面的光泽性；四是阀杆末端的凹坑要进行平整。第二，关于阀座的铰削：阀座铰削一般采用人工操作，尤其要注意以下三个方面：第一，消除凹痕、斑点，铰出整体的圆锥，尽可能少的铰；二是在铰切时要平衡，提刀时要轻柔，要注意多铰，多看察，以确保铰断率低，表面光滑；三是对阀门进行试验，并对工作台的位置及宽度进行了测量。调节的部位要调节到阀锥中、下端，上、下端用铰刀调节；工作平面的宽度，进气阀可以控制在0.9 mm（标准是1-2.2 mm），排气阀可以控制在1.4 mm（1.5-2.5 mm）。实践表明，以上的宽度在经过气阀和阀座的磨削后，可以达到1 mm的进气阀和1.5 mm的出气阀，两者都在一定的下限范围内，从而极大地延长了它的使用年限。

6 结语

总之，汽车发动机配气结构的性能需求逐渐提升，在满足内燃机工作需求的前提下，必须保证其排气系统的充气特性，以保证其安全可靠的运行。通过对发动机的配气结构进行改进，并结合其工作需求进行了技术的优化，有助于发动机的操作品质和性能的提高。

项目名称：汽车发动机配气机构凸轮机构形廓设计与研究。?项目编号：S202114593008。

参考文献：

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