第八章 配气机构设计

2、函数凸轮 从发动机性能对配气机构、气门通过能力等的性能 要求出发，先拟出挺柱（或气门）的运动规律，然 后求出凸轮外形。典型的函数凸轮如高次方凸轮 。 三、凸轮型线设计
如图所示，发动机配气凸轮由三部分组成：基圆段、缓冲(过渡) 段、工作段。
缓冲段作用：控制气门的开始升起和落座速度，缓和气门开闭时对 气门座的冲击，降低噪声，并确保时面值。为克服配 气机构的热变形，保证气门在任何工况下都能闭合， 必须留有气门间隙；为克服配气机构的弹性变形，保 证时面值，必须留有缓冲段。设计的缓冲段升程h0应 保证大于两者所需凸轮升程之和。
典型的气门凸轮机构
2、每缸气门数及布置 （1）每缸气门数 现代内燃机绝大多数仍采用每缸一进气门、一排气门的方案， 但多气门技术仍是发展趋势
对车用汽油机：D>80mm时，每缸2进、2排可得最大的进气通流面 积； D<80mm时，每缸4气门火花塞不易布置，可采用 3进、2排方案； 对排量1.5L以下的4缸小型轿车发动机采用每缸 2进、 1排方案，可保证性能、且结构简单 高速柴油机：一般D>120mm时采用每缸2进、2排方案，现 代D=80~90mm的直喷柴油机上亦开始采用4阀 方案
液力挺柱目前多用于轿车发动机上，可以降低噪声；无需检查、 调整气门间隙，简化维护保养；配气正时更为精确，保养周期更 长。
液力挺柱工作原理
2、工作段设计 工作段的设计应保证时面值大，加速度曲线无突变，曲 线尽可能高阶光滑。能较好地满足此条件的典型凸轮为高次 多项式凸轮。 这类凸轮的整个工作段为以无因次量 1 / w （下降段为 / w 1）作自变量的高次多项式，通常取5 ～7项。其挺柱升程表达式形式为：
第八章 配气机构
8－1 概 述 一、配气机构设计要求
1、保证发动机气缸的换气质量：排气尽量干净，进气尽量充分,因 此要求气门的通过能力足够；
气门 通过 能力
时间-断面值(角度-断面值)
流量系数
（1）气门时面值（角面值）
任意气门升程h时刻气门的通 过断面为：
h f (d d h ) 2 (h cos ) [(d h 2 h cos sin ) d h ] 2 1 h cos (d h h sin 2 ) 2
如右图所示，实际的丰满系数 因为有气门的提前开启、推迟 关闭比上式的计算值大。
可见，气门时面值和丰满系 数取决于dh、γ 、H、气门升程 变化规律和配气相位。
（2）流量系数μ m 平均流量系数μ m需在不同气门升程下作稳流实验， 由实测流量与计算得出的理论流量之比，绘出曲线求 平均值。 流量系数反映了气门处的流动阻力特性。阻力的影 响可通过马赫指数Z考核： 2 进气马赫数 D v m Z ＝ a kRT 平均流量系数 d h m a 式中：a－气门座处的音速 k－绝热指数 R－气体常数 T－气门处气体绝对温度 μ m－平均流量系数 D－气缸直径
采用多气门技术的优点：气缸充量更换彻底；气门组尺寸小、 质 量轻，更适应高速运转；排气门 热负荷小，工作可靠性易于保证； 喷油器或火花塞可以布置在燃烧室 中心位置，便于燃烧过程的组织。 缺点：气缸盖结构复杂，制造困难；气门 驱动机构复杂；零件数量增加。
（2）气门布置 ①每缸2气门布置方案
(a)相邻两缸可以共用进气道，可使进气道结构简化，并可获得 较大的通道 (b)进排气阀交替配置，气道单独布置，冷却效果好，气缸盖温 度场均匀，热变形小，适合热负荷较大发动机；对采用螺旋进 气道的高速柴油机必须采用此方案 (c)二冲程直流扫气发动机用 (d)进排气阀分置曲轴中心线两侧，气阀中心线可以同气缸中心 线布置成一倾斜角度，从而可以增大气阀直径；但此方案气门 驱动机构较复杂，采用顶置凸轮轴时，须通过摇臂驱动
(0 01 ) (01 0 ) (0 01 ) (01 0 ) (0 01 ) (01 0 )
01为等加速度段所占凸轮转角
ห้องสมุดไป่ตู้
式中：C、E1、E0为常数，φ
相应的运动学曲线如图所示
不同型式缓冲段的特点比较：
等加速－等速型 终点加速度为零，同工作段加速度能光滑连接， 冲击、噪声小；当机构实际间隙发生改变时，不影响挺柱（气门） 的速度和加速度；且由于升程增加较快，间隙变动和制造误差对 气门正时影响不大。终点处二阶、三阶倒数为零，故更适宜与始 点处三阶导数为零的工作段相接。 余弦函数型 终点加速度为零，易于同一般函数凸轮工作段相接，保 证加速度曲线连续，冲击和噪声小，但存在制造偏差或气门间隙 变化时，不能保证气门在过渡段终点处启闭，气门会以加速度开 启或落座，造成冲击。 等加速度型 可使缓冲段终点附近曲线斜率较大，便于保持配气相位 准确，还能使机构的部分动变形在缓冲段内实现，有利于增大时 间－断面值。适用于采用液力挺柱的配气机构。
c0 hT max hT max S R Q v R ( S R S Q R Q S R Q 1) c1 ( S P)(R P)(Q P ) hT max S R P v R ( S R S P R P S R P 1) c2 ( S Q)(R Q)(P Q) hT max S P Q v R ( S Q S P P Q S P Q 1) c3 ( S R )(Q R)(P R) hT max P R Q v R (Q R R P P Q P R Q 1) c4 ( R S )(Q S )(P S )
如表所示，幂指数的选取对挺柱升程曲线的丰满程度、最大正负加 速度比值、正加速度段宽度等有直接影响。一般幂指数越大，升程 曲线越丰满，所得的时间－断面值越大；正加速度也增大，配气机 构所受负荷及冲击越大。但同时，负加速度降低，对提高气门弹簧 的弹力储备有利。
高次方凸轮的优点是： 高阶光滑，对既定方 程改变凸轮升程与凸 轮转角很方便。缺点 是：要求配气机构有 较高的刚度，否则易 发生气门“飞脱”； 负加速度段对弹簧的 适应性不好；方次高 时，正加速度段宽度 明显减小，不能满足 高速发动机的要求。
②每缸4气门布置方案
(a) 同名气门排成两列，并与曲轴轴线方向垂直：气门驱 动结构简单；但由于同名气门位于同一气道中前后串 连，两个进气门进气效率不一致影响充气效果，两个 排气门中靠近排气管的排气门将受到两股排气气流的 冲击，引起较高的热负荷，设计时须采取措施。 (b) 同名气门排成两列分置曲轴轴线两侧平行方向：气道 通畅，流动性能较好，缸盖热负荷较均匀，气缸盖中 央便于布置预燃室；但要采用两根凸轮轴或用一根凸 轮轴并采用复杂的气门驱动机构。 (c) 同名气门同曲轴轴线成斜线两列布置：两个进气门有 单独的气道，有利于组织进气涡流，对于两个同气道 的排气门易于采取措施改善排气门及缸盖热负荷的均 匀性
（5）在挺柱上升和下降区间内加速度曲线都只能有一个 最大值，即在两个区间内各只有一处 d3h/dφ 3＝0，以 保证加速度曲线不出现波浪形，可以证明，此时幂指 数满足以下关系式： R-Q=S-R＝m，一般可按下式选取：
Q 2n R 2n m S 2n 2m
式中：n=3、4、5、6、… ， m=2、4、6、…
式中：h－任意时刻气门升程 γ －气门锥角 dh－气门喉口直径
气门的时间－断面值（角度－断面值）为

t2
t1
f (t )dt
可用下图表示
( f ( )d )
1
2
气门通过能力还可以用时间－断面丰满系数表示：
f f m / f max
fm－气门平均通过截面, 1 fmax－气门最大通过截面： f max H cos (d h 2 H sin 2 )
hT c0 c1 c2 c3 c4
P Q R
S
式中的待定系数决定于凸轮设计的边界条件：
（1）当φ =φ w 时，hT=hTmax，从而有 c0=hTmax （2）当φ =0和φ =2φ w时，β ＝1，hT=0（气门关闭）， 从而有 c0+c1+c2+c3+c4=0 （3）当φ =0和φ =2φ w时，β ＝1，dhT/dt=v0/i（气门以v0 速度落座，i为摇臂比），凸轮转速为ω T，则有 Pc1+Qc2+Rc3+Sc4=v0φ w/iω T （4）当φ =0和φ =2φ w时，β ＝1，d2hT/dt2=0，亦即d2hT/dβ 2=0 （要求气门开启和关闭时，加速度为零，使工作段与缓冲段光滑过 渡），从而有 P(P-1)c1+Q(Q-1)c2+R(R-1)c3+S(S-1)c4=0 （5）当φ =0和φ =2φ w，即β ＝1时，d3hT/dt3=0，亦即 d3hT/dβ 3=0（要求气门开启和关闭时无脉冲），从而有 P(P-1)（P-2）c1+Q(Q-1)（Q-2）c2+R(R-1)(R-2)c3+ S(S-1)(S-2)c4=0 由上面五式可求出待定系数：
式中φ w、hTmax和vR及一组P、Q、R、S幂指数选定后，便可求出各 待定系数，这样，升程曲线也确定下来，再进行求导，就可计算出 dh/dφ 和d2h/dφ 2曲线。
幂指数按下列条件的确定： （1）当φ =φ w，即hT=hTmax，挺柱速度为零，dhT/dt=0， 因此P、Q、R、S都必须大于1 （2）通常配气凸轮为对称凸轮，故P、Q、R、S应为偶数， 且不妨设P<Q<R<S （3）当 φ =φ w ，即 hT=hTmax 时，挺柱具有最大负加速度， d2h/dφ 2<0，因此P＝2 （4）当φ =φ w ，即hT=hTmax时，加速度变化率为常数， 即d4h/dφ 4＝0，因此Q>4
3、凸轮轴的布置及传动 （1）下置式凸轮轴：齿轮传动 （2）顶置式凸轮轴：链条或齿带传动
§8－2 凸轮型线设计
一、凸轮设计要求： （1）保证获得尽可能大的时间断面值，即气门开启和关闭得快， 以保证在尽可能大的凸轮转角内气门接近全开位置； （2）保证配气机构各零件所受的冲击和跳动尽可能小，即正负加 速度尽可能小且不产生突变，以保证配气机构的可靠性和寿 命。 二、分类 按工作段曲线型式，发动机上采用两类配气凸轮： 1、几何凸轮 先选定凸轮的几何形状和气门驱动形式，计算挺柱（ 或气门）的运动规律，然后校核所设计凸轮的几何形 状是否满足设计要求。典型的几何凸轮如组合圆弧凸 轮
二、结构型式与布置
1、结构型式：有顶置凸轮轴式（overhead camshaft，OHC） 和下置凸轮轴式两类。
a)下置凸轮轴侧置气门 b)下置凸轮轴顶置一列气门
c)下置凸轮轴顶置两列气门
下 置 凸 轮 轴 式
a)顶置凸轮轴摆臂驱动气门 b)顶置凸轮轴摇臂驱动气门
c)顶置凸轮轴直接驱动气门
顶 置 凸 轮 轴 式
1、缓冲段设计
缓冲段设计包括缓冲段升程h0、所占凸轮转角φ 0和缓冲段 函数的选择。h0 必须保证大于气门间隙和配气机构的弹性变形 量之和； φ 0 必须依据 h0 确定。常用的缓冲段曲线型式有等加 速—等速型、余弦函数型、等加速型等。 以等加速—等速型为例，其方程式为：
C 2 hT E0 E1 dhT 2C d E1 d 2 hT 2C 2 d 0
实验表明：进气门的Z>0.6时，充气系数就大幅下降，设 计时一般Z值在0.5以下。现代发动机最大扭矩时Z＝0.4－ 0.45；最大功率时Z＝0.65－0.75，相应的充气系数在0.8 左右。马赫指数与充气系数的关系如下图所示：
2、具有良好的动力性，工作平稳，振动噪声小； 3、布置紧凑； 4、磨损小，使用寿命长； 5、结构简单，便于调节。