发动机结构概念设计

发 动 机 结 构发 动 机 结 构发 动 机 结 构概 念 设 计概 念 设 计概 念 设 计中 国 北 方 发 动 机 研 究中 国 北 方 发 动 机 研 究中 国 北 方 发 动 机 研 究所所所2007年年年 8月月月 中国北方发动机研究所主 要 内 容一 、 机 体 与 气 缸 套 ；二 、 气 缸 盖 ；三 、 活 塞 ；四 、 连 杆 ；五 、 曲 轴 ；六 、 配 气 机 构 ； 中国北方发动机研究所一 、 机 体 与 气 缸 套 1 机 体 机 体 是 发 动 机 的 基 础 （ 骨 架 ） ， 几 乎 所 有 零 部 件 和 辅 助系 统 均 装 置 于 机 体 的 内 外 。 体 积 最 大 ： 决 定 发 动 机 的 外 形 尺 寸 重 量 最 大 ： 占 发 动 机 总 净 质 量 20% 25%1.1 机 体 结 构 形 式 平 分 式 和 下 沉 式 （ 图 ） ； 根 据 有 无 气 缸 套 及 其 安 装 形 式 ， 机 体 又 可 分 为 ： 无 缸 套 、干 式 缸 套 和 湿 式 缸 套 三 种 形 式 。1.2 机 体 设 计 要 求 具 有 足 够 的 强 度 机 体 承 受 交 变 的 拉 压 、 弯 曲 和 扭 转 载 荷 ， 在 长 期 和 连 续作 用 下 ， 必 须 具 有 足 够 的 强 度 ， 发 动 机 强 化 程 度 愈 高 ， 对 强 度 的 要 求 愈 苛 刻 。 中国北方发动机研究所 具 有 足 够 的 刚 度 刚 度 是 机 体 设 计 中 极 为 重 要 的 指 导 思 想 。 缸 体 刚 度 不 足 会 使 气 缸 套 失 圆 ， 气 缸 密 封 失 效 ， 造 成 漏气 ， 机 油 耗 量 增 大 ， 严 重 时 导 致 拉 缸 ； 曲 轴 主 轴 承 孔 、 凸 轮 轴 孔 变 形 过 大 导 致 各 摩 擦 副 的 磨 损加 剧 ， 严 重 时 会 影 响 曲 轴 与 凸 轮 轴 对 气 缸 中 心 线 的 垂 直 度 ，这 将 大 大 影 响 发 动 机 工 作 可 靠 性 和 使 用 寿 命 ； 机 体 上 壁 ， 特 别 是 曲 轴 箱 壁 刚 度 不 足 时 ， 将 产 生 过 大 变形 及 振 动 ， 从 而 激 发 出 强 烈 的 噪 声 ， 构 成 发 动 机 噪 声 中 的 重要 组 成 部 分 ； 传 动 箱 刚 度 不 足 则 导 致 各 传 动 孔 相 对 位 置 偏 差 过 大 ， 传动 平 稳 性 变 差 ， 齿 轮 磨 损 加 剧 ， 受 力 状 况 恶 化 ， 噪 声 增 大 ，严 重 时 导 致 断 齿 ， 直 至 发 动 机 失 效 。1.3 机 体 设 计 规 范1.3.1 材 料 中国北方发动机研究所 高 强 度 灰 铸 铁 （ HT250 、 HT300） 或 合 金 铸 铁 、 高 强 度铝 硅 合 金 （ 如 ： ZL101、 ZL702A、 ZL114A） 。 1.3.2 缸 心 距 与 缸 径 比 （ L/D） 为 缩 小 体 积 、 减 小 重 量 ， 机 体 在 缸 径 D确 定 的 情 况 下 ，缩 小 外 形 尺 寸 的 潜 力 主 要 就 是 最 大 限 度 地 压 缩 缸 心 距 L， 以求 得 最 短 的 机 体 长 度 尺 寸 。 L/D： 1.10 1.15（ 国 外 ） ， 1.20 1.25（ 国 内 ） ， 依赖 于 铸 造 技 术 无 缸 套 机 体 ： L/D=1.17（ Ricardo） 干 式 缸 套 机 体 ： L/D=1.20 湿 式 缸 套 机 体 ： L/D=1.281.3.3 基 本 壁 厚 缸 径 D为 100mm以 下 时 ， 基 本 壁 厚 为 4 5mm； 缸 径 D为 100 130mm时 ， 基 本 壁 厚 为 5 6mm； 缸 径 D为 130 150mm时 ， 基 本 壁 厚 为 6 8mm。 中国北方发动机研究所1.3.4 气 缸 盖 螺 栓 数 目 及 位 置 中 小 缸 径 多 缸 机 多 采 用 每 缸 六 个 螺 栓 近 似 均 布 的 方 案 ，其 中 四 个 布 置 在 两 缸 相 邻 的 隔 板 平 面 内 ， 螺 栓 孔 搭 子 须 用 一定 高 度 和 宽 度 的 筋 条 与 主 轴 承 盖 螺 栓 搭 子 相 联 。 缸 径 较 大 的 机 型 一 般 采 用 七 个 或 八 个 螺 栓 。 缸 径 小 于 90mm的 2、 3、 4缸 机 也 有 采 用 四 个 螺 栓 的 例 子 。螺 栓 搭 子 若 靠 近 机 体 壁 面 时 ， 螺 栓 孔 中 心 线 应 移 至 气 缸 壁 的中 心 线 ， 并 以 缓 慢 的 坡 度 过 渡 到 机 体 的 壁 面 。 螺 栓 孔 的 螺 纹 应 尽 可 能 下 沉 ， 采 用 湿 式 缸 套 时 甚 至 可 下沉 到 缸 套 支 撑 面 以 下 ， 以 改 善 机 体 顶 平 面 的 受 力 情 况 。1.4 提 高 机 体 结 构 刚 度 的 设 计 方 法1.4.1 合 理 的 外 形 设 计 清 砂 孔 位 置 中国北方发动机研究所清 砂 孔 不 应 布 置 机 体 两 侧 外 表 面 ， 即 使 是 直 径 较 小 的 孔 、洞 ， 这 一 点 为 国 外 许 多 高 速 柴 油 机 的 结 构 所 证 实 。 机 体 的清 砂 宜 从 上 、 下 及 前 、 后 端 面 处 理 。 两 侧 外 形 设 计机 体 上 部 的 外 壁 设 计 成 波 浪 形 曲 面 ， 实 践 证 明 ， 类 似 的 结构 形 状 有 利 于 提 高 机 体 上 部 的 刚 度 。在 机 体 外 侧 面 布 置 连 续 的 加 强 筋 ， 也 有 利 于 提 高 机 体 上 部的 刚 度 。1.4.2 采 用 无 缸 套 或 干 式 缸 套 机 体 能 最 大 限 度 缩 小 外 形 尺 寸 ， 提 高 刚 度 。 无 缸 套 机 型 多 为 四 缸 机 ， 干 式 缸 套 机 型 的 最 大 缸 径 可达 146mm。 统 计 数 据 ： 日 本 八 大 汽 车 制 造 企 业 近 年 生 产 的 194种 汽车 柴 油 机 （ 缸 径 为 74 146mm， 标 定 转 速 为 5200 2200r/min的 4、 6缸 直 列 和 V8、 V10、 V12缸 机 ） 中 ， 无 缸 套 机 型 54种 （ 28%） ， 干 式 缸 套 机 型 90种 （ 46%） ， 共 144种 ； 湿 式 缸 套 机 型 50种 （ 26%） 。 中国北方发动机研究所1.4.3 加 强 主 轴 承 盖 刚 度 或 采 用 整 体 框 架 轴 承 盖 对 于 下 沉 式 机 体 ： 采 用 横 拉 螺 栓 结 构 ， 如 丰 田 IHD-FTE、 150A等 。 对 于 平 分 式 机 体 ： 采 用 整 体 框 架 式 轴 承 盖 ， 如 潍 柴 的 Steyr WD615（ 6L-126 130） 、 D12V150ZALL及 三 代 改 。1.4.4 整 体 式 传 动 箱 式 机 体 1.4.5 提 高 机 体 顶 板 厚 度 机 体 顶 板 是 湿 式 缸 套 机 体 刚 度 最 薄 弱 的 环 节 ， 增 大 机 体顶 板 厚 度 ， 可 提 高 缸 套 座 圈 部 分 的 刚 度 ， 避 免 缸 套 支 撑 凸 肩因 刚 度 不 足 而 导 致 气 缸 变 形 。 刚 性 好 的 顶 板 也 有 助 于 增 加 整个 机 体 的 抗 弯 刚 度 。 1.4.6 缩 小 两 缸 间 隔 板 通 水 孔 面 积 ， 并 尽 可 能 降 低 其 位 置 对 于 串 联 或 串 并 联 进 水 方 式 的 机 体 ， 两 缸 之 间 隔 板 的 通孔 ， 是 局 部 刚 性 薄 弱 环 节 ， 设 计 中 可 对 模 型 进 行 模 态 分 析 ， 修 改 设 计 ， 以 提 高 局 部 刚 度 。 中国北方发动机研究所2 气 缸 套 （ 图 ）2.1 整 体 式 气 缸 套 （ 无 气 缸 套 ） 设 计 规 范 与 应 用 广 泛 用 于 高 速 、 高 紧 凑 、 高 强 化 车 用 柴 油 机 。 螺 栓 孔 螺 纹 深 度 ： 10%D 机 体 顶 部 厚 度 ： 20%D（ 改 善 气 缸 孔 变 形 ） 缸 筒 壁 厚 ： 7%D 典 型 应 用 ： Ford的 BSD-678（ 522kW/3000r/min） ,平 均 有 效 压 力 ：2.678MPa Benz的 OM603D35A（ T） 车 用 、 五 十 铃 的 4EEI（ T） 轿 车 Cummins B系 列 载 重 货 车 柴 油 机 缺 点 ： 铸 造 要 求 严 格 ， 维 修 性 差 。 中国北方发动机研究所2.2 干 式 气 缸 套 设 计 规 范 该 结 构 形 式 是 从 整 体 式 气 缸 套 考 虑 维 修 性 而 发 展 起 来 ，覆 盖 范 围 D： 82mm 146mm壁 厚 ： 1.2 3.5mm（ 离 心 浇 注 ） ， 1mm（ 冷 拉 低 碳 无 缝 钢 管 ） 配 合 ： 过 渡 配 合 （ H6/r6） ， 压 入 机 体 后 珩 磨 。 滑 配 合 （ H6/g6） 。 典 型 应 用 ： Hino（ 日 野 ） 的 F20C（ 280、 350kW/2200r/min）2.3 湿 式 气 缸 套 设 计 规 范 湿 式 缸 套 是 我 国 广 泛 应 用 的 传 统 结 构 形 式 ， 设 计 原 则 是综 合 考 虑 刚 度 与 热 应 力 的 平 衡 。 刚 度 与 壁 厚 三 次 方 成 正 比 ，增 加 刚 度 是 解 决 穴 蚀 的 有 效 方 法 ， 壁 厚 受 到 热 应 力 的 限 制 ，最 佳 壁 厚 7%D。 中国北方发动机研究所湿 式 气 缸 套 设 计 规 范 中国北方发动机研究所2.4 材 料 和 表 面 处 理 2.4.1 材 料 主 要 有 锻 钢 和 铸 铁 一 般 强 化 程 度 要 求 的 柴 油 机 气 缸 套 ： 采 用 中 磷 钒 钛 铸 铁 、硼 铸 铁 、 加 铌 铸 铁 、 硼 钛 铸 铁 等 材 料 ； 高 强 化 程 度 要 求 的 柴 油 机 气 缸 套 ： 采 用 球 墨 铸 铁 、 可 锻 铸铁 或 半 可 锻 铸 铁 以 及 锻 钢 ， 但 必 须 经 专 门 的 热 处 理 。 2.4.2 表 面 处 理 表 面 处 理 的 目 的 ： 其 一 为 加 速 活 塞 、 活 塞 环 与 气 缸 套 的 磨 合 ， 如 对 气 缸 套 进行 磷 化 处 理 ； 其 二 为 提 高 气 缸 套 的 耐 磨 性 和 抗 拉 伤 能 力 ， 如 采 用 表 面 镀铬 、 气 体 氮 碳 共 渗 、 表 面 激 光 淬 火 、 渗 浸 碳 化 硅 、 表 面 等 离子 喷 涂 多 元 合 金 等 。2.4.3 平 台 网 纹 表 面 用 SiC油 石 珩 磨 加 工 出 有 一 定 规 范 要 求 （ 交 角 22 23 ） 的 交 叉 网 纹 ， 使 珩 磨 形 成 的 沟 槽 内 储 油 ， 沟 槽 之 间 的平 台 承 受 活 塞 和 活 塞 环 的 侧 压 力 ， 从 而 改 善 磨 合 条 件 。 中国北方发动机研究所1 概 述 气 缸 盖 与 活 塞 、 气 缸 套 并 与 共 同 组 成 燃 烧 室 ， 其 结 构 形状 复 杂 ， 除 承 受 高 温 、 高 压 燃 气 的 作 用 外 ， 还 承 受 很 大 的 螺栓 预 紧 力 。 气 缸 盖 各 部 分 的 温 度 分 布 很 不 均 匀 ， 底 面 燃 烧 室部 分 温 度 很 高 ， 而 冷 却 水 套 部 分 温 度 较 低 ， 进 、 排 气 道 温 度相 差 也 较 大 。 因 此 ， 气 缸 盖 承 受 的 机 械 应 力 和 热 应 力 都 很 大 。此 外 ， 因 结 构 形 状 复 杂 ， 铸 造 残 余 应 力 也 很 大 。2 设 计 要 求 具 有 足 够 的 强 度 和 刚 度 ， 保 证 工 作 时 变 形 小 ， 避 免 气 门磨 损 、 气 门 杆 咬 死 、 气 缸 密 封 失 效 等 故 障 。 设 计 合 理 的 气 门 （ 数 目 、 大 小 ） 和 进 、 排 气 道 ， 保 证 高充 气 效 率 ， 对 直 喷 式 燃 烧 室 还 要 求 有 合 适 的 进 气 涡 流 强 度 。 结 构 力 求 简 单 ， 铸 造 工 艺 性 良 好 ， 冷 却 适 宜 ， 温 度 场 分布 均 匀 。二 、 气 缸 盖 中国北方发动机研究所3 气 缸 盖 的 结 构 形 式3.1 水 冷 柴 油 机 气 缸 盖 分 为 整 体 式 、 单 体 式 和 分 块 式 （ 图 ） 中国北方发动机研究所3.2 按 气 门 数 分 为 二 气 门 和 四 气 门 两 种 结 构 形 式 D 110mm的 中 、 小 型 非 直 喷 柴 油 机 ： 多 采 用 两 气 门 结 构 ，燃 烧 室 偏 置 ； D 140mm直 喷 柴 油 机 ， 采 用 四 气 门 结 构 ； 110mm D 140mm， 传 统 上 采 用 两 气 门 ， 近 年 来 对 排 放 指标 要 求 的 不 断 提 高 ， 越 来 越 多 的 柴 油 机 采 用 四 气 门 结 构 。 中国北方发动机研究所4 气 缸 盖 设 计 规 范4.1 气 门4.1.1 气 门 直 径 流 通 能 力 流 量 系 数 相 对 面 积 系 数其 中 ： 流 量 系 数 是 衡 量 气 道 品 质 的 参 数 ； 相 对 面 积 系 数 是 衡 量 气 门 座 内 通 道 面 积 的 参 数 ， 是 气 门座 内 通 道 总 面 积 与 气 缸 流 通 截 面 积 之 比 。 对 于 两 气 门 结 构 ： 进 气 门 头 部 直 径 ： dvi=(0.4 0.45)D， 排 气 门 头 部 直 径 ： dvo=(0.35 0.4)D。 对 于 四 气 门 结 构 ： 进 气 门 头 部 直 径 dvi=0.32D。 两 气 门 与 四 气 门 的 流 通 能 力 差 ： 进 气 11%， 排 气 25%。4.1.2 直 喷 两 气 门 布 置 （ 图 ） 中国北方发动机研究所直 喷 两 气 门 布 置 中国北方发动机研究所4.2 气 缸 盖 的 预 紧 与 密 封4.1.1 气 缸 盖 螺 栓 的 数 目 与 位 置 气 缸 盖 螺 栓 的 数 目 为 4 8， 尽 可 能 靠 近 气 缸 套 并 沿 气 缸中 心 均 匀 布 置 。 四 螺 栓 布 置 用 于 小 缸 径 发 动 机 上 （ 一 般 D 85mm） ； 大 多 数 中 、 小 缸 径 柴 油 机 ， 采 用 六 螺 栓 布 置 ， 对 于 直 喷燃 烧 室 ， 一 般 可 沿 气 缸 中 心 近 似 地 布 置 成 六 角 形 ； 重 车 水 冷 柴 油 机 ， 至 少 应 采 用 6个 螺 栓 布 置 ； 增 压 机 型 常 采 用 7 8个 螺 栓 布 置 。 4.1.2 气 缸 盖 的 预 紧 与 密 封 水 冷 单 体 式 气 缸 盖 ： 每 缸 预 紧 力 =(2.5 3)Pz， AVL推 荐2 2.5； 风 冷 柴 油 机 气 缸 盖 ： 每 缸 预 紧 力 =(2 2.5)Pz； 中国北方发动机研究所4.3 气 缸 盖 的 材 料 对 在 热 负 荷 下 工 作 的 材 料 ， 常 用 的 判 据 是 Eichelberg品质 因 子 ， 即 品 质 因 子 = /aE 式 中 ， 为 导 热 率 W/(mK)； 为 极 限 拉 伸 应 力（ MPa） ； a为 线 胀 系 数 （ 1/K） ； E为 弹 性 模 量 （ MPa） 。 灰 铸 铁 除 强 度 比 较 差 外 ， 其 余 三 个 因 素 都 比 较 好 ， 加 上其 铸 造 工 艺 性 良 好 ， 是 气 缸 盖 的 较 理 想 材 料 。 球 墨 铸 铁 虽 然 强 度 较 高 ， 但 其 他 三 个 因 素 多 较 差 ， 因 此在 相 同 条 件 下 容 易 发 生 热 裂 。 在 热 负 荷 与 机 械 负 荷 比 较 高 的 情 况 下 ， 在 灰 铸 铁 中 加 入Cu、 Cr、 Mo等 合 金 元 素 ， 可 以 使 其 热 品 质 进 一 步 提 高 。 高 强 度 铝 硅 合 金 的 热 品 质 可 与 灰 铸 铁 相 比 ， 但 硬 度 不 足是 一 个 问 题 ； 另 外 其 线 胀 系 数 太 大 ， 且 最 高 表 面 允 许 温度 只 有 220 ， 所 以 仅 限 于 应 用 在 重 量 要 求 苛 刻 的 军 用 柴油 机 。 中国北方发动机研究所4.4 气 缸 盖 的 热 负 荷 不 同 类 型 的 燃 烧 室 对 气 缸 盖 热 负 荷 影 响 很 大 ， 在气 缸 盖 中 的 分 布 也 很 不 均 匀 。 无 涡 流 直 喷 式 柴 油 机 气 缸 盖 的 热 负 荷 最 低 ， 有 涡流 的 直 喷 式 次 之 ， 热 负 荷 最 高 的 是 涡 流 室 。 特 别是 小 缸 径 柴 油 机 ， 由 于 铸 造 壁 厚 不 能 随 缸 径 减 小按 比 例 减 小 ， 相 对 冷 却 水 腔 不 足 ， 热 负 荷 特 别 高 。球 型 燃 烧 室 的 热 负 荷 介 于 直 喷 式 和 涡 流 室 之 间 。 气 缸 盖 中 央 的 热 流 量 最 大 ， 形 成 最 危 险 区 域 。 在涡 流 室 气 缸 盖 上 ， 中 央 和 边 缘 的 热 流 量 相 差 可 达3倍 ； 而 在 直 喷 式 气 缸 盖 上 ， 热 流 量 分 布 要 均 匀得 多 ， 因 而 直 喷 式 柴 油 机 更 适 合 增 压 。 气 缸 盖 材 料 的 许 用 极 限 温 度 ： 铸 铁 气 缸 盖 ： 375 ， 铝 合 金 气 缸 盖 ： 220 中国北方发动机研究所4.5 降 低 气 缸 盖 热 负 荷 的 措 施4.4.1 薄 壁 强 背 结 构采 用 冷 却 条 件 好 且 承 载 能 力 强 的 结 构 来 承 担 燃 气 压 力 ，而 热 负 荷 由 较 薄 的 元 件 承 受 ， 同 时 用 大 量 支 撑 将 压 力 载荷 传 递 到 强 背 上 。4.4.2 钻 孔中 、 小 型 柴 油 机 ， 为 解 决 冷 却 与 刚 度 问 题 ， 常 采 用 钻 孔的 冷 却 水 道 ， 钻 孔 尺 寸 为 10%D， Ricardo推 荐 ： 流 向 鼻 梁区 的 水 流 量 应 占 总 水 流 量 的 1/3， 流 速 要 达 到 3m/s， 具 有以 下 优 点 ： 可 保 证 气 缸 盖 关 键 部 位 的 最 大 壁 厚 不 超 过 临 界 值 。 钻 孔 表 面 光 洁 ， 传 热 效 果 好 ， 避 免 铸 造 表 面 热 障 。 提 高 气 缸 盖 抗 热 疲 劳 性 能 ， 同 时 降 低 铸 造 工 艺 要 求 。 钻 孔 大 小 及 合 理 布 置 可 调 节 水 流 速 度 和 水 流 的 分 布 。 对 于 直 喷 式 气 缸 盖 ， 钻 孔 可 降 低 喷 油 器 部 位 的 热 负 荷 。 中国北方发动机研究所1 活 塞 的 总 体 结 构 现 代 高 速 柴 油 机 活 塞 总 体 结 构 均 为 “ 三 环 短 活 塞 ” （ 图 ）以 降 低 发 动 机 的 总 体 高 度 ， 减 小 活 塞 质 量 ， 降 低 高 速 时 活 塞的 往 复 惯 性 力 。 活 塞 的 设 计 高 度 H：对 于 缸 径 D 100mm， 活 塞 高 度 H=（ 0.85 1） D；100mm D 120mm， H=（ 0.95 1.15） D；120mm D 140mm， H=（ 1.00 1.20） D； （ 150:0.925D）2 活 塞 的 材 料 为 了 满 足 高 强 化 程 度 柴 油 机 的 需 要 ， 要 求 活 塞 的 材 料 具备 热 强 度 高 、 热 稳 定 性 好 、 导 热 性 能 好 的 轻 合 金 ， 目 前 多 采用 共 晶 高 硅 铝 合 金 ZAISi12NiMg和 过 共 晶 高 硅 铝 合 金 ZAISi118CuNiMg （ 硅 含 量 高 出 共 晶 点 ） 或 ZAISi25CuNiMg等 。三 、 活 塞 中国北方发动机研究所3 活 塞 头 部对 于 非 增 压 直 喷 柴 油 机 ， 为 加 强 活 塞 冷 却 ， 向 活 塞 顶 底部 连 续 喷 射 润 滑 油 以 冷 却 活 塞 。对 于 增 压 直 喷 柴 油 机 ， 在 活 塞 头 部 的 环 槽 带 内 用 水 溶 性盐 芯 铸 出 专 用 的 冷 却 油 腔 ， 润 滑 油 在 该 油 腔 内 流 动 带 走更 多 的 热 量 （ 第 1环 ： 50%） ， 以 降 低 活 塞 头 部 的 温 度 。（ Mahle推 荐 ： 润 滑 油 流 量 为 5L/kWh）现 代 高 速 柴 油 机 活 塞 为 了 解 决 排 放 问 题 ， 出 现 了 “ 高 置顶 环 ” 的 设 计 结 构 ， 完 全 不 同 于 传 统 的 设 计 方 法 ， 即 为降 低 第 一 道 活 塞 环 的 热 负 荷 ， 将 环 岸 设 计 得 较 低 ， 如 推荐 该 值 为 （ 0.15 0.2） D， 同 时 要 求 第 一 道 活 塞 环 处 于冷 却 水 腔 处 。 （ 三 代 改 ： 0.153D）典 型 应 用 ： Ford的 BSD-678柴 油 机 （ YC6112） ， 其 环 岸 高 度 仅 10mm，而 缸 套 冷 却 水 腔 顶 部 距 气 缸 体 上 平 面 距 离 为 22mm， 第 一道 活 塞 环 远 远 高 出 水 腔 顶 部 。 中国北方发动机研究所 通 过 铸 入 含 镍 奥 氏 体 铸 铁 镶 圈 ， 来 强 化 第 一 道 活 塞 环 槽 。 第 一 道 活 塞 环 （ Mahle推 荐 ） 采 用 球 墨 铸 铁 桶 面 梯 形 环 ，外 层 镀 0.10 0.20mm的 硬 铬 ， 硬 度 要 求 达 800HV2以 上 。 它集 中 了 桶 面 环 和 梯 形 环 的 优 点 ， 在 具 有 良 好 润 滑 性 、 密 封性 和 磨 合 性 能 的 同 时 ， 能 把 高 温 下 形 成 胶 状 的 润 滑 油 从 环槽 中 排 出 ， 而 代 之 以 新 鲜 的 润 滑 油 ， 由 于 其 优 越 的 抗 结 胶能 力 而 能 适 应 在 高 温 下 工 作 。4 活 塞 销 座 4.1 活 塞 销 座 的 受 力 状 态 活 塞 销 座 是 活 塞 承 受 机 械 负 荷 最 严 重 的 部 位 ， 作 用 在 活 塞顶 上 巨 大 的 燃 烧 压 力 会 导 致 活 塞 、 活 塞 销 及 销 座 产 生 变 形 ； 销 和 销 座 的 变 形 不 一 致 会 导 致 销 座 内 部 上 边 缘 处 出 现 所 谓尖 峰 负 荷 ， 由 此 引 起 严 重 的 应 力 集 中 ； 销 座 承 压 面 积 小 ， 发 动 机 工 作 时 活 塞 销 与 销 座 之 间 仅 有 很小 角 度 的 摆 动 ， 无 法 形 成 润 滑 所 需 要 的 油 膜 。 中国北方发动机研究所4.2 活 塞 销 座 的 结 构 设 计 在 设 计 时 应 尽 可 能 加 大 销 座 上 半 部 的 长 度 以 增 加 承 压 面积 ； 采 用 异 形 销 孔 结 构 ， 可 改 善 销 座 的 应 力 集 中 ， 提 高 活 塞销 及 销 座 的 承 载 能 力 ， 防 止 销 座 孔 内 表 面 开 裂 ； 异 形 销孔 结 构 主 要 包 括 椭 圆 形 销 孔 、 卸 荷 腔 （ 离 隙 销 孔 ） 及 锥形 销 孔 等 ； 椭 圆 形 销 孔 和 卸 荷 腔 销 孔 （ 17.5 ） 可 减 少 应 力 集 中10%左 右 ， 据 Mahle公 司 的 实 验 结 果 锥 形 销 孔 可 降 低 应 力集 中 达 30%左 右 ,具 体 结 构 是 在 销 孔 内 端 设 计 一 小 段 锥 孔 ，锥 度 一 般 为 0.014 0.04。 5 活 塞 裙 部5.1 活 塞 裙 部 的 长 度 中国北方发动机研究所活 塞 裙 部 的 长 度 ： （ 0.50 0.55） D， 传 统 设 计 为 （ 0.60.8） D， 如 日 产 的 FD-42型 车 用 柴 油 机 ， 其 活 塞 裙 部 长 度仅 为 0.47D。5.2 活 塞 裙 部 型 线 现 代 高 速 柴 油 机 活 塞 裙 部 外 形 多 为 中 凸 变 椭 圆 形 。 5.2.1 裙 部 横 向 型 线裙 部 横 向 型 线 多 采 用 双 椭 圆 坐 标 方 程 来 设 计 。椭 圆 度 （ 椭 圆 长 轴 与 短 轴 的 差 值 ） 为 ： =(G/4)(1-cos2 ( /25)(1-cos4 ) 其 中 ： G为 裙 部 最 大 椭 圆 度 ， 对 于 中 、 小 缸 径 柴 油 机 ， 一般 取 0.4， 若 基 于 特 殊 原 因 ， 可 大 于 或 小 于 此 值 ； 为 圆周 角 ； 为 无 因 次 修 正 系 数 ， 计 算 时 一 般 取 2。 5.2.2 裙 部 纵 向 型 线 活 塞 裙 部 的 纵 向 型 线 一 般 为 桶 形 曲 线 ， 目 前 多 采 用 国外 成 熟 的 型 线 ， 或 根 据 活 塞 的 实 际 工 作 情 况 对 已 有 中 凸 型 线 进 行 修 正 。 中国北方发动机研究所1 连 杆 结 构 设 计1.1 中 心 距 L 的 确 定 现 代 高 速 柴 油 机 普 遍 采 用 短 连 杆 结 构 ， 以 降 低 总 体 高 度和 质 量 。 但 过 小 的 连 杆 中 心 距 或 曲 柄 连 杆 比 （ =R/L）会 引 起 活 塞 侧 压 力 的 增 加 ， 导 致 柴 油 机 摩 擦 损 失 增 大 ，加 速 活 塞 、 活 塞 环 、 气 缸 套 的 磨 损 ， 曲 柄 连 杆 比 的 取 值为 ： 0.32。 现 代 高 速 柴 油 机 连 杆 一 般 采 用 碳 钢 或 合 金 钢 经 模 锻 而 成 ，常 用 材 料 有 ： 45、 40Cr、 42CrMo、 35CrMoA等 。1.2 连 杆 的 结 构 形 式1.2.1 连 杆 大 头 的 剖 分 形 式 （ 图 ） 平 切 口 （ 水 平 剖 分 ） ： 刚 性 好 ， 尽 可 能 采 用 。 斜 切 口 （ 45 剖 分 ） ： 只 有 在 连 杆 轴 颈 较 大 ， 连 杆 不 能通 过 气 缸 套 时 才 采 用 。四 、 连 杆 中国北方发动机研究所1.2.2 连 杆 盖 的 定 位 方 式 平 切 口 ： 螺 栓 杆 定 位 、 定 位 销 （ 套 ） 定 位 斜 切 口 ： 止 口 定 位 、 锯 齿 定 位 在 一 些 轿 车 发 动 机 上 ， 也 有 采 用 涨 开 时 的 不 规则 断 面 来 定 位1.2.3 连 杆 小 头 的 结 构 形 式在 确 定 了 活 塞 销 直 径 ， 并 且 在 活 塞 内 腔 允 许 的情 况 下 ， 尽 可 能 增 大 连 杆 的 承 压 面 积 以 降 低 比压 ， 一 般 将 连 杆 小 头 设 计 成 楔 形 结 构 。2 连 杆 强 度 计 算（ 专 题 ） 中国北方发动机研究所 发 动 机 的 全 部 功 率 都 是 通 过 曲 轴 输 出 ， 曲 轴 承 受 周 期 性变 化 的 力 、 力 矩 （ 包 括 扭 矩 和 弯 矩 ） 共 同 作 用 ， 结 构 形 状 复杂 ， 应 力 集 中 严 重 ， 易 产 生 疲 劳 破 坏 。 因 而 曲 轴 的 设 计 必 须具 有 足 够 的 疲 劳 强 度 （ 图 ） 。1 曲 轴 结 构 设 计 曲 轴 的 基 本 尺 寸 依 赖 于 发 动 机 的 总 体 结 构 ， 必 须 同 时 考虑 连 杆 大 头 的 切 口 形 式 、 轴 瓦 的 许 用 比 压 、 气 缸 中 心 距 、 曲轴 的 强 度 、 发 动 机 的 强 化 程 度 等 各 方 面 的 因 素 。 1.1 轴 颈 的 确 定1.1.1 连 杆 轴 颈 Dp 连 杆 轴 颈 ： Dp=(0.6 0.65)D（ 直 切 口 连 杆 ） ， 大 于 该值 应 采 用 斜 切 口 连 杆 。 增 大 连 杆 轴 颈 直 径 ， 可 减 小 连 杆 轴 承 的 比 压 ， 但 曲 轴 不平 衡 旋 转 惯 性 力 急 剧 增 大 ， 使 发 动 机 振 动 加 剧 ， 特 别 是 高 速 发 动 机 。 五 、 曲 轴 中国北方发动机研究所1.1.2 主 轴 颈 Dj =(1.05 1.25)Dp主 轴 颈 直 径 的 确 定 ， 应 具 有 适 当 的 重 叠 度 ， 以 保 证 曲 轴的 强 度 。增 大 主 轴 颈 可 提 高 曲 轴 刚 度 、 降 低 轴 瓦 比 压 、 减 小 扭 振 。增 大 主 轴 颈 后 ， 由 于 主 轴 颈 投 影 面 积 增 大 ， 可 适 当 减 小主 轴 颈 长 度 ， 因 而 可 增 加 曲 柄 臂 厚 度 ， 提 高 曲 轴 强 度 。但 过 多 增 大 主 轴 颈 会 引 起 轴 承 摩 擦 损 失 增 加 ， 影 响 发 动机 性 能 。为 了 避 免 过 大 的 扭 振 ， 在 曲 轴 较 长 时 应 适 当 加 大 主 轴 颈的 直 径 。1.1.3 轴 颈 有 效 长 度 （ 轴 瓦 有 效 长 度 ）主 轴 颈 有 效 长 度 与 主 轴 颈 直 径 之 比 为 ： 0.26 0.4连 杆 轴 颈 有 效 长 度 与 连 杆 轴 颈 直 径 之 比 为 ： 0.35 0.55 为 提 高 刚 度 ， 在 轴 瓦 比 压 许 可 条 件 下 ， 轴 颈 有 效 长度 越 小 越 好 ， 可 最 大 限 度 增 大 曲 柄 臂 厚 度 ， 以 增 加 曲 轴的 抗 弯 截 面 模 量 ， 降 低 曲 轴 臂 中 危 险 截 面 处 的 应 力 。 中国北方发动机研究所1.2 曲 轴 的 平 衡发 动 机 工 作 过 程 中 产 生 的 旋 转 和 往 复 惯 性 力 ， 其 大 小 和方 向 都 是 周 期 性 变 化 的 ， 如 不 加 以 平 衡 ， 则 成 为 发 动 机振 动 的 根 源 。 进 行 惯 性 力 系 平 衡 的 主 要 手 段 曲 轴 平 衡 块的 布 置 。 1.2.1 曲 轴 的 静 平 衡静 平 衡 是 指 曲 轴 在 旋 转 时 离 心 力 的 合 力 为 零 ， 即 其 质 心位 于 旋 转 轴 上 。 在 曲 轴 设 计 中 必 须 保 证 曲 轴 是 静 平 衡 的 。理 论 上 ， 曲 轴 都 可 设 计 成 静 平 衡 的 ， 但 由 于 制 造 时 的 偏差 会 产 生 静 不 平 衡 现 象 ， 因 此 必 须 对 曲 轴 进 行 静 平 衡 试验 。1.2.2 曲 轴 的 动 平 衡通 过 静 平 衡 试 验 可 实 现 曲 轴 的 静 平 衡 ， 但 其 旋 转 质 量 不一 定 在 同 一 个 旋 转 平 面 内 ， 因 而 会 产 生 惯 性 力 矩 ， 引 起曲 轴 振 动 ， 这 就 是 曲 轴 的 动 不 平 衡 。 设 计 中 必 须 保 证 曲轴 是 动 平 衡 ， 动 平 衡 的 曲 轴 则 必 定 是 静 平 衡 的 。 中国北方发动机研究所 4缸 机 曲 轴 的 曲 拐 平 面 对 称 布 置 ， 曲 轴 既 静 平 衡 又 动 平 衡 。但 曲 轴 存 在 内 弯 矩 ， 会 引 起 曲 轴 变 形 ， 必 须 在 曲 轴 臂 上设 置 平 衡 块 。 5缸 机 曲 拐 夹 角 为 72 （ 发 火 次 序 为 1-4-3-2-5） ， 其 旋转 惯 性 力 是 平 衡 的 ， 但 其 惯 性 力 矩 是 不 平 衡 的 ， 必 须 在曲 轴 臂 上 设 置 平 衡 块 。 6缸 机 曲 拐 夹 角 为 120 （ 发 火 次 序 为 1-5-3-6-2-4） ， 呈镜 面 对 称 布 置 ， 显 然 是 动 平 衡 的 ， 但 曲 轴 本 身 存 在 内 弯矩 ， 为 了 平 衡 上 述 内 弯 矩 ， 必 须 在 曲 轴 臂 上 设 置 平 衡 块 。2 曲 轴 材 料 曲 轴 材 料 主 要 是 锻 钢 和 球 墨 铸 铁 。 球 墨 铸 铁 一 般 用 于 强 化 程 度 不 高 的 非 增 压 发 动 机 中 ， 球墨 铸 铁 曲 轴 的 强 度 与 普 通 中 碳 钢 相 当 ， 伸 长 率 、 冲 击 韧度 和 弹 性 模 量 较 低 ， 综 合 力 学 性 能 低 于 锻 钢 ， 但 球 状 石墨 的 耐 磨 性 能 优 于 锻 钢 。 锻 钢 一 般 用 于 强 化 程 度 高 的 增 压 发 动 机 中 。 中国北方发动机研究所3 提 高 曲 轴 强 度 的 措 施3.1 结 构 措 施 提 高 曲 轴 强 度 的 结 构 措 施 主 要 是 降 低 轴 径 圆 角 处 的 应 力集 中 。 增 大 轴 径 重 叠 度 A重 叠 度 ： A=(Dp+Dj+S)/2其 中 ： Dp为 连 杆 轴 颈 直 径 ， Dj为 主 轴 颈 直 径 ， S为 活塞 行 程 增 大 过 渡 圆 角 R 过 渡 圆 角 的 大 小 、 形 状 、 材 料 的 组 织 ， 表 面 加 工 质 量 和粗 糙 度 等 ， 对 曲 轴 的 应 力 影 响 十 分 明 显 ， 增 大 圆 角 半 径 可 以使 局 部 应 力 峰 值 下 降 。 试 验 表 明 ， R/D0.05时 （ 此 处 D为 连杆 轴 颈 或 主 轴 颈 直 径 ） ， 应 力 集 中 系 数 趋 于 平 缓 。 较 大 的 圆 角 更 易 于 磨 削 加 工 ， 精 度 和 表 面 粗 糙 度 易 于 保证 ， 但 圆 角 半 径 的 大 小 受 曲 轴 轴 向 尺 寸 的 限 制 ， 因 此 在 设 计中 必 须 综 合 考 虑 。 中国北方发动机研究所3.2 工 艺 措 施 采 用 适 当 的 工 艺 措 施 ， 可 使 曲 轴 疲 劳 强 度 得 到 大 幅 度 提高 。3.2.1 液 体 氮 碳 共 渗 ， 疲 劳 强 度 可 提 高 40%左 右 ， 适 用 于 球铁 和 锻 钢 。3.2.2 圆 角 滚 压 强 化 ， 疲 劳 强 度 可 提 高 30% 60%。 圆 角 滚 压 强 化 是 利 用 滚 轮 压 力 的 作 用 ， 使 曲 轴 圆 角 表 面的 机 械 应 力 超 过 材 料 的 屈 服 极 限 而 产 生 塑 性 变 形 ， 让 曲 轴 表层 直 到 一 定 深 度 范 围 内 出 现 残 余 压 应 力 ， 在 工 作 时 ， 可 抵 消部 分 曲 轴 的 拉 应 力 。 3.2.3 圆 角 表 面 淬 火 ， 疲 劳 强 度 可 提 高 30% 50%。 在 非 液 体 氮 碳 共 渗 的 曲 轴 中 ， 由 于 轴 颈 表 面 的 硬 度 不够 ， 一 般 采 用 高 频 淬 火 工 艺 来 提 高 其 硬 度 。 但 由 于 工 艺 原 因 ，在 对 轴 颈 表 面 进 行 淬 火 处 理 时 圆 角 处 不 淬 火 ， 这 样 轴 颈 部 分产 生 残 余 压 应 力 ， 而 圆 角 部 分 则 因 不 淬 火 而 形 成 回 火 区 ， 出现 残 余 拉 应 力 ， 从 而 降 低 了 曲 轴 的 疲 劳 强 度 ， 因 此 ， 应 采 取工 艺 措 施 ， 使 轴 颈 与 圆 角 同 时 淬 火 。4 曲 轴 的 强 度 计 算 （ 专 题 ） 中国北方发动机研究所1 概 述 配 气 机 构 是 发 动 机 的 一 个 重 要 系 统 ， 其 设 计 好 坏 对 发 动机 的 性 能 、 可 靠 性 和 寿 命 有 极 大 的 影 响 ， 现 代 发 动 机 配 气 机构 在 设 计 理 论 和 方 法 上 取 得 了 重 大 突 破 。1.1 创 立 了 许 多 性 能 优 良 的 凸 轮 型 线 早 期 形 状 简 单 的 圆 弧 、 切 线 凸 轮 ， 虽 有 较 大 的 时 面 值 ，但 加 速 曲 线 不 连 续 ， 工 作 中 易 引 起 配 气 机 构 的 冲 击 和 跳 动 ，尤 其 对 转 速 较 高 的 发 动 机 情 况 更 严 重 ， 于 是 一 些 工 作 平 稳 性较 好 的 函 数 凸 轮 逐 渐 产 生 并 得 到 应 用 ， 如 无 冲 击 凸 轮 ， 复 合正 弦 、 复 合 摆 线 、 低 次 方 、 高 次 方 、 多 项 动 力 、 N次 谐 波 凸 轮等 。 这 些 凸 轮 型 线 ， 由 于 它 们 的 加 速 度 甚 至 高 阶 导 数 连 续 ，改 善 了 配 气 机 构 的 动 力 性 能 ， 同 时 时 间 截 面 也 足 够 大 ， 能 够满 足 发 动 机 充 气 性 能 的 要 求 ， 因 而 被 广 泛 用 于 现 代 各 种 发 动机 配 气 凸 轮 的 设 计 中 。六 、 配 气 机 构 中国北方发动机研究所1.2 由 刚 性 设 计 发 展 为 弹 性 设 计 配 气 机 构 是 一 个 刚 性 较 差 的 系 统 ， 因 气 门 弹 簧 和 惯 性 载荷 的 作 用 而 产 生 变 形 。 随 着 转 速 提 高 ， 变 形 加 大 ， 如 设 计 不当 ， 气 门 的 实 际 运 动 规 律 和 理 论 上 将 产 生 很 大 误 差 ， 造 成 系统 的 脱 离 、 跳 动 、 提 前 落 座 等 现 象 ， 影 响 发 动 机 的 性 能 和 零件 的 可 靠 性 。 因 而 ， 设 计 时 要 考 虑 配 气 机 构 的 弹 性 变 形 ， 它已 成 为 现 代 配 气 机 构 设 计 的 基 本 思 想 。1.3 由 凸 轮 设 计 研 究 发 展 到 系 统 设 计 凸 轮 设 计 必 须 同 系 统 设 计 结 合 在 一 起 ， 对 配 气 机 构 在 各工 作 转 速 下 的 动 态 行 为 进 行 研 究 ， 要 求 协 调 充 气 性 能 、 平 稳性 与 可 靠 性 等 方 面 的 要 求 。1.4 引 入 摩 擦 学 设 计 的 理 论 和 方 法 考 虑 到 配 气 机 构 中 摩 擦 副 的 润 滑 状 态 、 摩 擦 和 磨 损 状 况 ，在 配 气 机 构 设 计 中 引 入 摩 擦 学 设 计 的 理 论 和 方 法 ,是 现 代 设计 的 重 要 发 展 。 中国北方发动机研究所2 配 气 机 构 的 结 构 形 式 主 要 包 括 顶 置 和 下 置 凸 轮 两 种 结 构 形 式 （ 图 ） 。2.1 下 置 凸 轮 结 构 下 置 凸 轮 配 气 结 构 形 式 传 动 可 靠 ， 制 造 成 本 低 ， 用 于4000r/min以 下 的 发 动 机 中 。 缺 点 是 传 动 链 较 长 ， 系 统 刚 度较 低 ， 设 计 应 尽 可 能 提 高 系 统 的 刚 度 。 2.2 顶 置 凸 轮 结 构 发 动 机 转 速 达 到 4000r/min以 上 ， 应 采 用 顶 置 凸 轮 结 构 。 顶 置 凸 轮 可 通 过 摇 臂 传 动 气 门 ， 也 可 直 接 传 动 气 门 ， 顶置 凸 轮 结 构 的 传 动 链 短 ， 系 统 刚 度 有 很 大 的 提 高 ， 运 动 质 量小 。 由 于 摩 擦 副 数 目 减 少 而 使 摩 擦 损 失 减 小 ， 机 械 效 率 提 高 ；而 惯 性 负 荷 减 小 更 可 降 低 气 门 弹 簧 载 荷 ， 使 系 统 各 零 件 和 摩擦 副 受 力 减 小 ， 工 作 可 靠 性 提 高 ， 也 有 利 于 减 小 配 气 机 构 的噪 声 等 。 顶 置 凸 轮 传 动 较 复 杂 ， 发 动 机 高 度 尺 寸 增 加 ， 制 造 成 本较 高 。 中国北方发动机研究所3 配 气 机 构 的 结 构 设 计 3.1 凸 轮 型 线 的 设 计 凸 轮 型 线 设 计 是 配 气 机 构 设 计 中 最 关 键 的 部 分 ， 在 确 定了 系 统 参 数 后 ， 重 要 的 问 题 是 根 据 发 动 机 的 性 能 和 用 途 ， 正确 选 择 凸 轮 型 线 类 型 及 凸 轮 参 数 。 3.1.1 凸 轮 型 线 的 类 型 配 气 机 构 振 动 特 征 数 ，是 型 线 选 择 的 参 考 技 术 指 标 ： 其 中 ： m为 系 统 当 量 质 量 （ kg） ； C为 系 统 刚 度 （ N/mm） ； 为 凸 轮 轴 角 速 度 （ rad/s） 。 反 映 了 配 气 机 构 的 柔 性 程 度 。 当 系 统 刚 度 大 ， 质 量 小而 转 速 较 低 时 ， 很 小 ， 反 映 系 统 有 较 高 的 刚 性 ， 工 作 时 产生 的 变 形 和 振 动 较 小 。 反 之 ， 较 大 ， 反 映 系 统 柔 性 大 ， 易产 生 变 形 和 振 动 。 C1000m 2 中国北方发动机研究所 0.001时 ： 系 统 刚 度 较 好 ， 可 采 用 组 合 曲 线 或 圆 弧 凸 轮 ， 获 得 较 大的 时 面 值 ， 有 利 于 充 气 性 能 的 提 高 ； 0.001 0.002时 ： 系 统 为 柔 性 系 统 ， 应 采 用 平 稳 性 更 好 的 多 项 动 力 、 N次谐 波 或 高 次 方 凸 轮 。 仅 指 出 选 用 型 线 的 大 致 范 围 ， 具 体 设 计 还 应 根 据 发 动机 的 性 能 、 用 途 等 要 求 ， 最 后 确 定 凸 轮 型 线 的 类 型 。3.1.2 凸 轮 设 计 准 则 正 确 选 择 凸 轮 设 计 的 原 始 参 数 ， 包 括 配 气 相 位 、 凸 轮 过渡 段 和 工 作 段 升 程 、 过 渡 段 和 工 作 段 包 角 以 及 基 圆 半 径 等 ，这 些 参 数 应 根 据 统 计 数 据 和 设 计 规 律 加 以 选 定 。 中国北方发动机研究所 评 价 系 统 工 作 平 稳 性 的 参 数 周 期 比 K ：式 中 ： nc为 凸 轮 轴 设 计 转 速 （ r/min） ， m为 凸 轮 正 加 速 度区 间 （ ） ， fn为 配 气 机 构 固 有 频 率 （ min-1） 。 K是 配 气 机 构 在 凸 轮 正 加 速 度 区 间 内 振 动 的 次 数 ， K越 大 ，系 统 工 作 越 平 稳 ， 但 凸 轮 丰 满 系 统 降 低 。 对 于 不 同 的 凸 轮 型线 ， 有 不 同 的 K值 ， 对 于 高 次 方 、 多 项 动 力 等 凸 轮 要 求 K在1.3左 右 。 应 具 备 较 好 的 充 气 性 能 ， 即 挺 柱 升 程 曲 线 下 的 面 积 （ 丰满 系 数 ） 较 大 ， 充 气 性 能 和 平 稳 性 常 常 会 有 矛 盾 ， 在 设 计 中应 优 先 考 虑 凸 轮 的 平 稳 性 ， 在 良 好 的 平 稳 性 基 础 上 尽 可 能 提高 充 气 性 能 。 改 善 气 门 及 气 门 座 的 工 作 条 件 ， 使 气 门 升 起 和 落 座 发 生 在 过 渡 段 上 ， 设 计 凸 轮 时 ， 过 渡 段 的 高 度 要 足 够 大 。 Cmn n360fK m1000C30fn 中国北方发动机研究所 最 大 挺 柱 速 度 受 挺 柱 底 面 直 径 的 限 制 挺 柱 速 度 正 比 于 凸 轮 与 挺 柱 接 触 点 的 偏 心 量 ， 接 触 点 不应 超 过 挺 柱 底 面 圆 周 之 外 ， 满 足 关 系 式 ： dTA=2emax+(2 3) dTA为 挺 柱 底 面 直 径 （ mm） ， emax为 接 触 点 最 大 偏 心 量（ mm） ， 当 挺 柱 速 度 以 mm/rad表 示 时 ， 其 数 值 与 接 触 点 的 偏心 量 相 同 ， 即 ： emax = vmax 凸 轮 曲 率 半 径 的 限 制 为 便 于 加 工 以 及 限 制 凸 轮 挺 柱 间 过 大 的 接 触 应 力 ， 最 小曲 率 半 径 不 能 太 小 。 当 采 用 滚 轮 挺 柱 时 ， 凸 轮 可 能 出 现 凹 弧 的 情 况 ， 考 虑 加工 工 艺 性 ， 一 般 凹 弧 的 半 径 为 350mm 400mm。 凸 轮 与 挺 柱 间 的 接 触 应 力 不 应 过 大 （ 1600 1800MPa） 凸 轮 与 挺 柱 的 异 常 磨 损 是 配 气 机 构 常 见 故 障 ， 设 计 时 应予 以 考 虑 。 中国北方发动机研究所3.1.3 凸 轮 过 渡 段 的 设 计 配 气 凸 轮 过 渡 段 的 型 线 有 多 种 ， 应 用 最 广 的 是 等 加 速 等 速 过 渡 段 。 气 门 落 座 发 生 在 速 度 不 变 的 等 速 段 上 ， 保 证 气 门 落 座 较为 平 稳 。3.1.4 凸 轮 工 作 段 的 设 计 几 何 凸 轮 具 有 丰 满 系 数 较 大 的 优 点 ， 但 其 动 力 性 能 不 好 ，影 响 配 气 机 构 工 作 的 平 稳 性 和 零 件 的 工 作 可 靠 性 和 寿 命 ， 因此 在 高 速 发 动 机 推 荐 采 用 函 数 凸 轮 。 复 摆 型 （ FB2） 凸 轮 属 于 组 合 式 函 数 凸 轮 ， 具 有 较 大 的 时 面 值 ， 平 稳 性 也 比较 好 ， 适 用 于 中 、 高 速 发 动 机 上 。 高 次 多 项 式 凸 轮 属 于 整 体 式 函 数 凸 轮 ， 不 仅 升 程 、 速 度 、 加 速 度 曲 线 连续 ， 而 且 其 高 阶 导 数 连 续 ， 因 而 工 作 平 稳 性 较 好 ， 可 用 于 高速 发 动 机 上 。 中国北方发动机研究所 多 项 动 力 凸 轮 属 于 整 体 式 函 数 凸 轮 ， 其 设 计 思 想 与 一 般 凸 轮 设 计 思 想不 同 ， 一 般 凸 轮 是 直 接 设 计 挺 柱 的 升 程 规 律 ， 而 多 项 动 力 凸轮 的 设 计 方 法 是 首 先 设 计 理 想 的 气 门 运 动 规 律 ， 预 先 考 虑 系统 动 、 静 变 形 的 影 响 ， 计 算 出 相 应 的 挺 柱 升 程 规 律 。 因 此 ，多 项 动 力 凸 轮 的 动 力 学 性 能 优 于 高 次 多 项 式 凸 轮 ， 在 高 速 发动 机 获 得 广 泛 的 应 用 。3.2 配 气 机 构 动 力 学 由 于 配 气 机 构 是 一 个 弹 性 系 统 ， 凸 轮 所 确 定 的 运 动 规 律经 过 刚 性 较 差 的 传 动 链 的 传 递 ， 就 会 产 生 失 真 ， 引 起 气