新聞主題	康明斯柴油發(fā)動機凸輪軸從動件特點和運動規(guī)律曲線圖

摘要：凸輪機構(gòu)是一種柴油發(fā)動機中重要的機械傳動裝置，主要由凸輪，從動件和機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu)，凸輪是一個具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，一般為主動件作等速回轉(zhuǎn)運動或往復(fù)直線運動。凸輪從動件的位移S、速度Ｖ和加速度A隨時間（或凸輪轉(zhuǎn)角）的變化變化規(guī)律是由凸輪輪廓的形狀、凸輪的尺寸決定的。凸輪的作用是驅(qū)動從動件沿著一定的軌跡進(jìn)行運動，從而實現(xiàn)柴油機配氣機構(gòu)傳動的功能。因此，從動件的運動規(guī)律特點及應(yīng)用是柴油機凸輪機構(gòu)設(shè)計的一個重要考慮因素。

 

一、凸輪機構(gòu)的分類

 

1、按凸輪的形狀

      凸輪具有曲線輪廓（如圖1所示）或凹槽，有盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹槽曲線是空間曲線，因而屬于空間凸輪。

2、按從動件的形式

      滾子從動件、平底（或弧底）從動件、尖頂從動件等，如圖2所示。

（1）尖頂從動件：

      外形如圖2（a）所示。從動件的尖端能夠與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，從而使從動件實現(xiàn)任意的運動規(guī)律。這種從動件結(jié)構(gòu)簡單，但尖端處易磨損，故只適用于速度較低和傳力不大的場合。

（2）滾子從動件：

       外形如圖2（b）所示。為減小摩擦磨損，在從動件端部安裝一個滾輪，把從動件與凸輪之間的滑動摩擦變成滾動摩擦，因此摩擦磨損較小，可用來傳遞較大的動力，故這種形式的從動件應(yīng)用很廣。

（3）平底從動件：

      外形如圖2（c）所示。從動件與凸輪輪廓之間為線接觸，接觸處易形成油膜，潤滑狀況好。此外，在不計摩擦?xí)r，凸輪對從動件的作用力始終垂直于從動件的平底，受力平穩(wěn)，傳動效率高，常用于高速場合。缺點是與之配合的凸輪輪廓必須全部為外凸形狀。

（4）曲面從動件：

       為了克服尖端從動件的缺點，可以把從動件的端部做成曲面，稱為曲面從動件。這種結(jié)構(gòu)形式的從動件在生產(chǎn)中應(yīng)用較多。

3、按封閉的方式不同

      為了保證凸輪機構(gòu)正常工作，必須使凸輪與從動件始終保持接觸，這種作用稱為封閉（或鎖合）。

（1）力封閉

      利用重力、彈簧力或其它外力進(jìn)行封閉。這種封閉方式比較簡便，但凸輪經(jīng)常承受一個附加的壓力，所以只適用于小型和載荷不大的凸輪機構(gòu)。

（2）利用凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行封閉

      這種封閉形式最簡單，但加大了凸輪的尺寸和重量。同時，在運動過程中，滾子往往與凸輪槽兩過交替接觸，滾子經(jīng)常變換轉(zhuǎn)向，不利于滾子的輪槽的潤滑，易于磨損。所以只適用于中、低速輕載的凸輪機構(gòu)。

 

圖1  柴油機凸輪軸輪廓形狀

圖2  柴油機凸輪從動件分類

 

二、凸輪軸從動件的優(yōu)缺點

 

      凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)的傳動特點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便，只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，就可以使從動件實現(xiàn)預(yù)期運動規(guī)律的空間運動。

1、優(yōu)點

（1）構(gòu)件少，運動鏈短，結(jié)構(gòu)簡單緊湊

      為了使從動件與凸輪始終保持接觸，可采用彈簧或施加重力。具有凹槽的凸輪可使從動件傳遞確定的運動，為確動凸輪的一種。一般情況下凸輪是主動的，但也有從動或固定的凸輪。多數(shù)凸輪是單自由度的，但也有雙自由度的劈錐凸輪。凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，最適用于要求從動件作間歇運動的場合。

（2）可塑性強

      凸輪具有良好的可塑性和適應(yīng)性，因此能夠滿足不同的工作條件，適用于各種機械設(shè)備。

（3）操作安全

      凸輪的設(shè)計能夠確保機械運行的安全，大大減少柴油機機械故障的發(fā)生。

（4）使用壽命長

      凸輪制作材料可以是高強度合金，使其具有長久的使用壽命和較高的耐磨損能力。

2、缺點

（1）點、線接觸，易于磨損

      從動件與凸輪作點接觸或線接觸，有滾子從動件、平底從動件和尖端從動件等。尖端從動件能與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，可實現(xiàn)任意運動，但尖端易磨損，適用于傳力較小的低速機構(gòu)中。

（2）加工難度高

      凸輪的加工工藝比較復(fù)雜，需要高水平的加工技術(shù)和設(shè)備，因此制造成本較高。

（3）運轉(zhuǎn)過程中的慣性力

      在凸輪高速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生慣性力，使凸輪產(chǎn)生橫向振動，進(jìn)而影響機械設(shè)備的工作效果。

      綜合來看，盡管凸輪具有一些缺點，但其優(yōu)點仍然非常突出。對于柴油機來說，凸輪仍然是不可替代的重要機械元件之一。當(dāng)然，在實際應(yīng)用過程中，我們需要根據(jù)不同的工作條件和要求來對凸輪的使用進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其效率和使用壽命。

 

三、凸輪從動件運動規(guī)律

 

       凸輪從動件運動規(guī)律一般有四種，通常從動件的位移s、速度v和加速度a的變化規(guī)律，全面反映了從動件的運動特性和動力特性的變化規(guī)律，運行特性比較如表1所列。凸輪機構(gòu)從動件的運動規(guī)律是指從動件的位移、速度、加速度隨時間（或凸輪轉(zhuǎn)角）的變化（規(guī)律）情況。當(dāng)把位移、速度、加速度作為縱坐標(biāo)，時間（或凸輪轉(zhuǎn)角）作為橫坐標(biāo)，以曲線的形式來表達(dá)它們之間的關(guān)系時，就分別稱為位移線圖（如圖3所示）、速度線圖和加速度線圖。

表1    凸輪從動件運行規(guī)律特性比較

1、等速運動

      從動件在推程(回程)中的速度v=常數(shù)。修正方法如下：

      在運動規(guī)律的兩端，因為存在著嚴(yán)重的沖擊現(xiàn)象，雖然由于凸輪機構(gòu)材料本身的彈性，使這種運動規(guī)律在工作中能夠應(yīng)用，但由于沖擊的存在，工作的噪音大。所以，為改善這一狀況，可以改變運動線圖中的兩端，使其緩和過渡，以減少沖擊。修正的措施，就是在曲線的兩端加上兩段圓弧過渡，圓弧半徑通?？梢匀/2，MN為兩圓弧的內(nèi)公切線（回程類同），如圖4所示。這樣加速度在曲線的兩端就變成較小的有限值，沖擊也變成有限值。

2、等加速-等減速

      如圖3所示，等加速、等減速運動規(guī)律，在前半程用等加速運動規(guī)律，后半程采用等減速運動規(guī)律，兩部分加速度絕對值相等。

3、余弦加速度運動

      余弦加速度運動規(guī)律的加速度曲線為1/2個周期的余弦曲線，位移曲線為簡諧運動曲線（又稱簡諧運動規(guī)律），如圖4所示。

4、正弦加速度

      運動規(guī)律的加速度曲線是連續(xù)的，沒有任何沖擊，可用于高速。

      從動件的運動規(guī)律特點主要表現(xiàn)在其運動形式、運動速度和加速度等方面。從動件的運動形式通常為直線運動或圓周運動，其運動速度和加速度的大小主要取決于凸輪的參數(shù)和從動件的特性。例如，當(dāng)凸輪的參數(shù)定死后，從動件的運動速度和加速度就可以通過調(diào)整機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來達(dá)到所需的目標(biāo)。 

 

柴油機凸輪從動件運動規(guī)律圖	凸輪修正后的等速運動位移線圖
柴油機凸輪轉(zhuǎn)角運動速度諾謨圖	柴油機凸輪轉(zhuǎn)角運動平衡諾謨圖

 

 四、康明斯凸輪從動件零件圖

 

      凸輪是一種具有特殊形狀的旋轉(zhuǎn)零件，通常為圓柱體或圓盤狀。它在周向上具有不規(guī)則的突起部分，稱為凸起或凸面。凸輪通常由高強度材料制成，以保證其在高速旋轉(zhuǎn)時能夠承受較大的載荷。從動件是凸輪機構(gòu)中被凸輪驅(qū)動的部分，它通過與凸輪的接觸，實現(xiàn)往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運動。常見的從動件有凸輪追蹤器和搖桿。凸輪追蹤器是一種與凸輪接觸并沿其周向移動的裝置，它將凸輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線或曲線運動。搖桿是一種通過與凸輪接觸并繞固定點旋轉(zhuǎn)的裝置，它將凸輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為角度變化。

      以下為適用于KTA19-G2/ G3等柴油發(fā)動機機型的康明斯凸輪從動件零件清單。

表2  凸輪軸從動件     Camshaft Follower    BP 4026

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