頂置式凸輪軸汽車發動機結構設計分析

王 亮

0 引言

汽車發動機機構工作質量的重要決定部件是凸輪軸，其功能是確保發動機中的氣門組可保持平穩的運動。現代汽車在制造過程中，出于節能的考慮，大都要求有較輕的重量，在運行中其轉速較高，為減少配氣機構的振動，在汽車發動機結構設計時，更多的運用了頂置式凸輪軸。本文在充分了解頂置凸輪軸分類及功能的基礎上，對頂置式凸輪軸汽車發動機結構設計進行了分析與探討。

1 頂置式凸輪軸概述

發動機是汽車的動力之源，在設計的過程中，要充分考慮汽車的動力性和燃油經濟性的綜合指標。發動機已問世100多年，其設計原理一直保持著原有的理念，但在結構設計方面及制造工藝等方面，都有了較大的創新。采用頂置凸輪軸結構來替代側置凸輪軸設計現代發動機就是一項重要的技術革新與進步，為減少汽車行駛過程中配氣機構較大的振動，頂置式凸輪軸配氣機構被廣泛的應用。頂置、中置、下置3個位置是發動機凸輪軸安裝的3種形式。汽車發動機轉速能達到5 000 r/min以上，因此，為使排氣效率提高，多采用進氣門和排氣門倒掛的形式。同時由于下置式或中置式的凸輪軸在設計時，由于另外需要氣門挺桿和挺柱等輔助零件，所需的傳動機件比較多，設計結構復雜，體積大，會產生較大的噪聲，有一定的局限性。采用頂置式凸輪軸則會改變這種現狀。在發動機設計時采用頂置式凸輪軸的方式，將其配置在發動機的上方，可有效地簡化傳動機構，在用材上省略了氣門的挺桿和挺柱部件，減輕了質量，有效地提高了傳動效率。根據凸輪軸數目可將其分為單頂置凸輪軸和雙頂置凸輪軸2種。很多中高檔車的設計是采用多氣門及V型氣缸排列，要使用雙凸輪軸來控制進排氣門，所以很多的知名廠商都采用雙頂置凸輪軸的形式來生產發動機。

1.1 單頂置凸輪軸（SOHC）

單頂置凸輪軸的設計原理是在汽缸蓋內只設置1條凸輪軸，其設計相對較為簡單，即在直列汽缸發動機上方安裝1條凸輪軸，對于V形汽缸發動機，則分別在一側汽缸組之上安裝2條凸輪軸。在單頂置凸輪軸設計時要充分考慮同等條件下的推桿式發動機顯著減少的情況，要利用精巧的設計提高發動機轉速，提高發動機的功率輸出。通過設計，凸輪軸能夠直接或通過搖臂控制氣門開閉，發動機結構更加緊湊，在進行多氣門設計時其優點更加顯著。在實際的設計過程中，為滿足發動機的一些特定的要求，也會采用適宜的附加部件。如19世紀60年代出品的希爾曼頑童小型雙門轎車，其4缸8氣門發動機是單頂置凸輪軸發動的代表，其后置合金發動機的設計方案是從考文垂頂點系列賽車發動機改進而來的。在設計時，在發動機的同一側安裝了進氣氣門和排氣氣門，這種設計非常有利于火星塞的工作，但由于進排氣門在進氣道中的位置不同，使得開閉時會有影響。一些公司針對這一特性對設計進行了改裝，如豐田、大眾等公司配備了氣門間隙調節墊片，以精確控制氣門開閉時間。在設計時大眾汽車采用的是桶狀挺桿、豐田采用了液壓挺桿，使設計更加緊湊、簡單。

1.2 雙頂置凸輪軸

雙頂置凸輪軸又稱為雙凸輪軸，在汽缸蓋內配備2條凸輪軸的氣門，分別控制進氣門和排氣門。通常雙頂置凸輪軸汽車發動機最多可擁有2～4條不等的凸輪軸。在設計雙頂置凸輪軸結構的發動機時，不要求一定要設計2個以上的進氣門和排氣門，但如果想實現多氣門發動機的氣門直接被驅動，那么在設計時要采用雙頂置凸輪軸。在現代的設計中，雙頂置凸輪軸已和多氣門技術等同起來，在現在的汽車發動機設計中，所有的雙頂置凸輪軸發動機汽缸中都會設計3～5個氣門。

2 頂置式凸輪軸汽車發動機結構設計

發動機是一種由許多機構和系統組成的復雜機器。要完成能量轉換，實現工作循環，保證長時間連續正常工作，必須具備以下一些機構和系統。

2.1 汽車發動機結構的構成

對于發動機要具備以下的機構和系統：（1）曲柄連桿機構。在發動機的設計中，曲柄連桿機構是實現發動機工作循環，能夠進行能量轉換的主要零件。曲柄連桿機構由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組等組成。活塞是在氣缸內進行直線運動，通過連桿轉換成曲軸的旋轉運動，從曲軸對外輸出動力。在進氣和排氣中，又轉成了活塞的直線運動。（2）配氣機構。配氣機構其作用為定時對進氣門和排氣門進行開啟和關閉，讓可燃混合氣或空氣進入氣缸，并把廢氣排出。（3）燃料供給系統。汽油機燃料供給系根據發動機的要求，將一定數量和濃度的混合氣供入到氣缸，并把廢氣排出。（4）潤滑系統。潤滑系統的功能是向零件表面輸送清潔潤滑油，減輕磨損并減小阻力，同時可清洗及冷卻零件表面。（5）冷卻系統。其功能是將零件吸收的部分熱量散去，確保發動機工作在適宜的溫度中。其系統是由冷卻水套、水泵、風扇、水箱、節溫器等組成。（6）點火系統。能夠按時在火花塞電極間產生電火花的全部設備稱為點火系，點火系通常由蓄電池、發電機、分電器、點火線圈和火花塞等組成。（7）起動系統。在外力作用下，驅動發動機曲軸，促進活塞往復運動，通過可燃混合氣燃燒膨脹作功，促進活塞向下運動，進而旋轉曲軸，使其從靜止狀態過渡到工作狀態。

2.2 汽車發動機結構設計分析

（1）配氣機構的平穩性設計。配氣機構的平穩性是確保發動機能夠正常穩定工作的關鍵部件，對其設計研究有著十分重要的意義。由于配氣機構作為一個彈性的系統，在工作時，會引進機構的彈性振動。可根據設計出較多的高質量的動力模型車，來適應發動機頂置式凸輪軸的配氣機構。能夠較好地對彈簧的振動情況及時地進行分析，能夠較好地了解凸輪的受力情況。該模型的設計有較高的精度。（2）齒形帶傳動系統設計。在發動機結構設計中，傳動系統的作用也不容忽視。在傳動系統中，同步帶的齒形有梯形齒、弧齒等形式。對于弧齒同步帶其工作面為弧齒形狀，抗拉體為玻璃纖維繩的橡膠帶，其傳動性能及承載能力都非常好。國內現在生產較多的同步帶為梯形齒。圖1為齒形帶傳動系統的代表，其中，圖1（a）為465QF型發動機雙頂置凸輪軸正時傳動布置，圖1（b）為單頂置凸輪軸正時傳動布置。在對傳動系統設計中應該考慮發動機配氣機構布置形式、傳動鏈運動幾何學、發動機額定轉速等因素。可通過計算確定設計參數，包括：1）同步齒形帶形式、長度、寬度、齒數；2）皮帶輪直徑、寬度、材料及設計公差；3）張緊裝置形式、參數、張緊力；4）正時標記計算。在對傳動系統進行設計時，要充分考慮傳動系統的保護裝置的設計，要關注其注意事項，以保證設計的精巧性和使用壽命。能讓其在足夠的疲勞強度下依舊可正常工作，同時要保證傳動可靠，具備防磨損、防塵等功能。

3 結語

凸輪軸是影響發動機配氣機構工作質量的關鍵部件，要求在設計時保證發動機氣門組有準確、平穩的良好運動規律。因此，在實際設計中，要合理地對頂置式凸輪軸配氣機構進行設計，盡可能地減少汽車行駛過程中配氣機構的較大振動，為汽車的安全行駛提供技術保障。

圖1 雙頂置和單頂置凸輪軸正時傳動布置

［1］劉興富.凸輪檢測應按設計要求選擇測頭.計量技術，2000（11）

［2］蘇軍，申屠淼.頂置凸輪配氣機構氣門升程的精確計算.內燃機學報，1999，17（3）

［3］陸際清，沈祖京，孔憲清，等.汽車發動機設計.北京：清華大學出版社，1993