摘要：柴油機凸輪軸凸輪優化設計的優劣直接影響到其動力性，經濟性，可靠性，振動，噪聲與排放特性的好壞。凸輪的豐滿系數越大，則進氣量越多，柴油機的動力性能與經濟性能越好，排氣煙度與熱負荷越底；凸輪形線的圓滑性越好，柴油機的振動與噪聲越小；凸輪與挺柱間的接觸應力越小；潤滑特性越好，柴油機配氣機構的沖擊載荷及摩擦磨損越小。隨著柴油機不斷地向輕巧化，高速化，高性能與高壽命方向發展，對配氣凸輪設計與制造的要求越來越高。顯然，研究出具有n階導數連續，自變量為柴油機主要結構參數，充氣性能好，振動小，噪聲低，設計簡單的新型配氣凸輪形線方程，是一個極其重要的研究課題。

一、凸輪軸結構

      凸輪軸由凸輪軸頸、正時齒輪、凸輪、驅動齒輪和偏心輪等組成。凸輪軸一般是由鑄鋼或鍛鋼制成的。凸輪和軸承表面經過硬化處理，以提高抗磨能力。

1、凸輪

      凸輪用來控制進、排氣門的開和關，凸輪數等于進、排氣門個數。凸輪軸上通常有一些輔助設施。凸輪在凸輪軸上的相對位置，決定氣門開、閉時機，噴油泵凸輪相對位置和形狀決定供油規律和供油時機。另外，凸輪軸上還有一個齒輪，用于驅動分電器（如果使用）和機油泵。

      凸輪軸通常通過凸輪軸正時齒輪由曲軸齒輪驅動。也有通過正時鏈條、傳動帶傳遞曲軸轉矩的。

2、凸輪的夾角

      氣門間隙一定時，氣門的升程取決于凸輪的高度。氣門開啟時間取決于凸輪頭部的角度，也叫夾角。凸輪的夾角是指凸輪曲線的起點和終點分別與圓心連線的夾角。在理論上此夾角應是90°（六缸機120°，如圖1所示），由于進、排氣門需要早開晚關，實際上都超過了90°。凸輪軸通過齒輪或鏈條由曲軸驅動。為減小磨損和噪聲，凸輪軸齒輪和曲軸齒輪多用不同材料制成，一般是曲軸齒輪用鋼，凸輪軸齒輪用鑄鐵或夾布膠木。

3、凸輪軸止推墊片

      凸輪軸需要采取一些措施來控制其軸向推力。采用的方法之一是在凸輪軸齒輪和法蘭（加工在凸輪軸上）之間加一個止推墊片。止推墊片用螺栓擰在缸體上，以阻止凸輪軸發生任何軸向移動。在一些頂置凸輪軸的發動機上，止推墊片用螺栓直接擰在缸蓋上。圖2顯示了如何檢查凸輪軸和止推墊片之間的間隙。

二、凸輪的設計

1、凸輪設計

      凸輪軸上的凸輪有多種設計。凸輪軸凸輪的輪廓決定了氣門打開和關閉的方式和時間，它們在容積效率方面起著重要的作用。氣門打開的速度和程度，以及氣門的關閉速度都是由凸輪的形狀控制的。

      凸輪軸凸輪具有幾個設計部分，如圖3所示。氣門升程是由凸輪軸凸輪的輪廓形狀決定的，因為升程顯示了氣門將能打開多少，所以非常重要。凸輪軸升程是指從基圓直徑往上凸輪能夠到達的高度。凸輪軸周期測量的是氣門保持打開有多長時間。

2、凸輪的輪廓形狀

      凸輪的輪廓形狀也就是它從基圓的何處開始以及到何處結束，決定了凸輪軸的周期。凸輪軸的周期用轉動的角度表示。凸輪軸凸輪上的打開和關閉凸面用于舉升氣門和允許氣門關閉。凸輪可能有多種輪廓，取決于氣門打開和關閉的速度需要。例如，對于有些凸輪軸，可能需要將氣門逐漸地打開，然后再緩慢地關閉，不能有突然的跳動。如圖4所示，夸大地顯示了幾種不同的凸面。

      凸輪的頂部被稱作凸頂，它的長度決定了氣門將在完全打開的位置保持多長時間。凸頂可能有多種不同的輪廓形狀，取決于氣門需要在完全打開的位置保持多久。凸輪軸的凸跟是指凸輪軸外形的底部部分。當挺桿或氣門在凸跟部分移動時，氣門處于完全關閉狀態。凸輪的這些外形特征決定了氣門打開過程的具體特性，即時間和速度。

三、氣門正時

1、配氣正時和相位原理

      進氣門和排氣門在哪個精確的時刻打開和關閉對于發動機獲得最大效率至關重要。例如，進氣門在排氣門關閉之前稍稍提前一點打開，這一點就十分重要。

      配氣相位圖反映了發動機配氣時機，如圖5（a）所示，圖中顯示了在發動機工作的整個四個沖程中何時打開和關閉進、排氣門。在本圖中，曲軸轉動了完整的兩周。通常，上止點（TDC）直接畫在相位圖的頂部，下止點（BDC）畫在相位圖的底部，并代表180°。進氣、壓縮、做功和排氣沖程用轉動的角度表示。注意：當活塞在排氣沖程向上運動時，進氣門在排氣門關閉之前開始打開。這段氣門重疊對發動機的正常工作十分重要。對于不同的發動機，重疊的度數有所不同。氣門重疊使得在高轉速時汽缸有較高的充氣效率。但是，氣門重疊也會導致發動機的真空度降低，以及在低轉速時的性能變差，怠速質量和低轉速燃油經濟性變差。另外需要注意的是：排氣門在下止點前57打開。當然，排氣門的打開時間決定了有效做功行程的終止時間。

      配氣正時的精確實現是由凸輪軸上的凸輪及凸輪軸驅動齒輪與曲軸齒輪的準確配合實現的。這項工作是在發動機制造廠進行大量實驗的基礎上確定的。在本書中主要是理解其原理，更好地維護發電機組。

      柴油發電機的進、排氣門開始開啟和關閉終了的時刻，通常用相對于上、下止點時曲軸位置的轉角來表示，稱為配氣相位或配氣定時。用環形圖表示，稱為配氣相位圖。

      柴油發電機的曲軸轉速很高，每一活塞沖程經歷時間很短，為了使汽缸內充氣較充足，廢氣排除較干凈，要求盡可能延長進、排氣時間。所以，四沖程柴油發電機氣門開始開啟和關閉終了時刻，并不正好在活塞的上、下止點，而是分別提前和延遲一些。氣門在上止點以前開啟時所對應的曲軸轉角叫提前角。氣門在上止點以后關閉時所對應的曲軸轉角叫延遲角（也稱遲閉角）。

      由圖5（a）可見，由于進氣門在上止點前開啟，而排氣門在上止點后才關閉，排氣和進氣又是兩個相鄰的連續過程，這就出現了在一段時間內排氣門和進氣門同時開啟的現象，這種現象稱為氣門重疊。由于新鮮氣流和廢氣氣流的流動慣性，在短時間內不會改變流向，只要氣門重疊角度選擇適當，就不會有廢氣倒流入進氣管，新鮮氣體也不會隨同廢氣排出去，反而有利于換氣。

2、正時標記

      為了讓氣門的開、閉與曲軸的位置保持正確的關系，凸輪軸必須根據曲軸設定正時。也就是說，在裝配曲軸和凸輪軸時，一定要保證凸輪在精確的時間打開氣門，而且與活塞和曲軸的位置有正確的關系。為了達到這個目的，柴油機廠家采用了多種方法確定準確配氣。

① 采用正時齒輪。

      裝在曲軸上的齒輪與裝在凸輪軸上的齒輪準確配合。這些齒輪通過鍵銷連接安裝在曲軸和凸輪軸上，鍵銷將齒輪保持在軸上的正確位置。在裝配凸輪軸和曲軸時，要對齊這兩個齒輪上的兩個點，如圖4（b）所示。如果凸輪軸和曲軸是這樣裝配的，相互之間正時匹配就是正確的。