凸轮与气门弹簧的设计

通机知识技术培训

题目：凸轮与气门弹簧的设计

培训时间：2009年11月10日

培训人：Mr.Ma

培训地址：通机技术部三楼会议室

参加人员：技术部人员

记录：曾平

培训内容：

为便于研究凸轮与气门之间在结构上的相互关系，可以把气门与凸轮之间看作简单的点接触运动副。其中凸轮型线的变化规律应与气门的运动规律相一致，对于配气机构设计，就应该以气门的运动规律作为凸轮型线设计的出发点，根据设计所要求达到的气门升程、加速度、速度变化规律进行综合分析，准确的完成凸轮设计。

首先不得不提到一种简单的凸轮设计方法：第一步作出凸轮的理论基圆，找出气门在基圆上的开启角和关闭角；第二步，在开启点与基圆中心的延长线上确定一点，以这点为圆心作弧，同样在关闭点与基圆中心的延长线上确定一点作弧；第三步，在已作的两条圆弧之间作出公切圆。这样，三段相切的圆弧段构成了凸轮的凸包。由于实际上气门与凸轮基圆并不是一直接触的，而是存在一小段距离，这段很小的距离不仅能够保证凸轮基圆与气门接触时，气门完全关闭，而且影响着发动机整体性能，这段距离即为气门间隙。

图1 图2

虽然以上所述凸轮设计方法在现目前已经被更科学，更精确的方法所替代了，但从这种简单方法中我们可以很直观的看到，设计凸轮时，应该特别注意的要点。这些看似简单的要点将直接决定配气机构的设计是否合理，是否可行。

以这种简单的凸轮设计方法，可得出下图，不难看出，气门的速度呈一次线性变化，所产生的直接影响是导致加速度突变，在θ/3处，由正加速跳变成负加速，这个变化将给整个配气机构带来很大的影响。加速度的突变将会造成凸轮对气门的冲击，其结果不仅是产生磨损，碰撞，影响配气机构性能，同时会产生噪声。所以，发动机的转速一旦达到较高时，冲击的频率更高，程度越剧烈，造成的噪声会更加严重。

要设计出低噪声，高转速的发动机，

就要考虑到凸轮型线所产生的加速度变化规

律，能够实现加速度的平缓过度，就能在很大程度上减小凸轮与气门之间的冲击，减小噪声。

图3 图4

如图4所示，曲线2是目前实际凸轮所设计的加速度曲线，相比之下，加速度的变化相对平缓，带给气门的冲击较小，但在A区域，随着负加速的增大，气门弹簧所承受的力值也随之增大，如若弹簧的弹力不能够达到气门回位的力值，那么气门就不能按照设计要求正常的关闭，这势必导致整个配气机构的无序工作，从而出现更加严重的后果。出现这种情况就需要对弹簧进行重新设计，可从以下三个方面考虑：

1）、减小弹簧自身重量；

2）、改变凸轮型线，即改变负加速度的大小；

3)、减小合力。

图5 图6

如图5，L1为弹簧原长，L2为气门关闭时的长度，L3为压缩量最大时的长度。弹簧的弹力值随长度的变化呈一介线性关系。

对气门进行受力分析，忽略其自身重量产生的重力影响，在无燃烧情况下，气门受到向下的推力以及弹簧产生的弹力。两者的差值可作为分析气门弹簧的依据。例如，现已知凸轮的加速度曲线如左图所示，①、②为两弹簧的加速度曲线，右图为这两个弹簧的受力情况，如何分辨出哪条曲线属于哪种受力情况？

图7 图8

就右图的受力分析可以看出，弹簧所受力的差值不同，R1大于R2，由于弹簧的弹力与长度成正比，反应在左图上即为(b2-P1)>(b1-P1),于是可以判定图8中左侧为弹簧②，右侧为弹簧①。