摘要：凸轮机构是柴油机配气机构及燃油喷射系统中的核心传动机构，通过凸轮轮廓曲线将主动件的连续回转运动转化为从动件（挺柱、气门、喷油器柱塞等）的预期往复运动，从而实现气门定时开启与关闭、燃油定时喷射等关键功能。本文系统阐述了凸轮机构的基本名词术语与分类方法，详细解析了盘形凸轮、圆柱凸轮及移动凸轮的结构特点，以及尖顶、滚子、平底三种从动件形式的适用范围与技术优劣；深入分析了等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律及正弦加速度运动规律四种常用推杆运动规律的速度、加速度曲线特征及冲击特性；以反转法为核心设计原理，系统介绍了对心式与偏置式直动从动件、滚子从动件、平底从动件及摆动从动件盘形凸轮的轮廓设计方法；阐述了压力角、许用压力角的定义与计算，以及基圆半径、滚子半径、平底长度和偏置距离等基本参数的设计原则；最后归纳了滚子从动件基圆半径定义、理论轮廓与实际轮廓区分、凸轮转角判断等常见易错点。本文可为柴油机凸轮机构的设计分析提供理论基础。
一、凸轮机构的基本名词术语
凸轮机构是柴油机配气机构与燃油喷射系统中的关键传动装置，其设计涉及一系列专业术语。准确理解这些术语的含义及其在柴油机工程中的具体指向，是进行凸轮机构设计、分析与故障诊断的基础。凸轮机构的运行原理如图1所示。
1. 凸轮机构
（1）定义：凸轮机构是由凸轮、从动件（推杆）和机架三个基本构件组成的高副机构（即通过点或线接触传递运动的机构）。
（2）在柴油机中的应用：在柴油机中，凸轮轴上的凸轮作为主动件（原动件），通常作等速回转运动。凸轮的轮廓曲线在旋转过程中推动从动件（如挺柱、气门推杆、喷油器柱塞等）按照预定的运动规律（位移、速度、加速度）做往复直线运动或摆动，从而实现气门的定时开启与关闭、喷油泵的定时供油等关键功能。
（3）核心优势：凸轮机构的核心优势在于，通过凸轮轮廓曲线（型线）的合理设计，可使从动件按任意预期的复杂运动规律运动，实现对运动规律的高度控制自由度，这是齿轮机构、连杆机构等其他传动形式难以比拟的。
2. 凸轮轴
（1）定义：凸轮轴是柴油机配气机构和燃油喷射系统中的核心运动部件，由凸轮、轴颈（支撑部位）和轴体（连接各凸轮的管状或实心轴）组成。
（2）凸轮的排列：凸轮轴上安装有各缸的进、排气凸轮，在四冲程柴油机中还可能装有喷油泵凸轮（驱动柱塞式喷油泵）、空气分配器凸轮（驱动起动空气分配阀）等。各凸轮按特定的相位角度排列，以保证各缸在正确的曲轴转角下完成进、排气和喷油动作。
（3）驱动方式：凸轮轴由曲轴通过正时齿轮（或链条/齿形皮带）以2:1的减速比驱动（四冲程柴油机），即凸轮轴转速为曲轴转速的一半，确保在曲轴旋转两周（720°）的完整工作循环中，凸轮轴旋转一周，各缸气门按顺序各开启一次。
（4）材料与制造：凸轮轴通常采用优质碳素钢或合金钢（如45钢、40Cr）制造，凸轮工作表面经高频淬火或渗碳淬火处理，硬度要求达到HRC 55～62，以提高耐磨性和抗接触疲劳能力。
3. 凸轮
（1）定义：凸轮是凸轮轴上的核心工作元件，是具有特定轮廓曲线（型线）的构件。凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动规律。
（2）分类（按凸轮在柴油机中的功能划分）：
① 进气凸轮：用于驱动进气门，控制新鲜空气进入气缸的定时和升程。
② 排气凸轮：用于驱动排气门，控制废气排出气缸的定时和升程。
③ 喷油泵凸轮：用于驱动喷油泵柱塞（或单体泵），控制燃油喷射的定时和供油量。在PT燃油系统中，凸轮驱动喷油器柱塞实现泵油与喷射的一体化。
④ 空气分配器凸轮：用于驱动起动空气分配阀，控制各缸起动空气的供给顺序。
（3）凸轮的几何参数：
① 基圆：凸轮轮廓上最小半径的圆弧段，是从动件处于静止（或基本静止）状态时与凸轮接触的部分，对应于气门关闭或喷油泵不供油的阶段。
② 升程段（推程段）：凸轮轮廓从基圆向外凸出的过渡部分，驱动从动件上升（如气门开启、喷油器加压供油）。
③ 回程段：凸轮轮廓从最高点回到基圆的过渡部分，驱动从动件下降（如气门关闭、喷油停止）。
④ 缓冲段：在升程段与基圆之间设置的平缓过渡区域，用于减小从动件在运动起始时的冲击。
⑤ 凸轮桃尖：凸轮轮廓的最高点，对应于从动件的最大位移（如气门最大升程）。
4. 从动件（推杆）
（1）定义：从动件是被凸轮直接推动并按照凸轮轮廓所规定的运动规律运动的构件，是凸轮机构中的从动元件。
（2）在柴油机中的主要形式：
① 挺柱（随动件/从动件体）：直接与凸轮接触的元件，将凸轮的旋转运动转化为自身的往复直线运动，再将运动传递给推杆或直接驱动摇臂。挺柱端部可安装滚轮（滚轮式挺柱）以减小与凸轮的摩擦。
② 推杆：连接挺柱与摇臂的长杆件，将挺柱的运动传递到气缸盖上的摇臂。
③ 摇臂：将推杆的向上运动转换为向下运动以开启气门，或向喷油器传递驱动力。
（3）从动件的运动规律：从动件的位移、速度和加速度随凸轮转角的变化规律称为从动件运动规律，是凸轮设计中最核心的控制目标。
5. 机架
（1）定义：机架是凸轮机构中固定不动的部分，用于支撑和定位凸轮轴、从动件导路（或导轨）及其他相关零部件。
（2）在柴油机中的具体体现：在柴油机中，机架对应为气缸体（机体）和气缸盖上的相关支撑结构。凸轮轴通过轴承安装在机体上，挺柱在机体上的导向孔内滑动，摇臂在摇臂轴（固定于气缸盖上）上摆动。机架为所有运动件提供精确的定位基准和足够的支撑刚度。
6. 基圆
（1）定义：以凸轮回转中心为圆心，以凸轮轮廓上最小半径所作的圆称为凸轮的基圆。基圆半径是凸轮轮廓设计的基础参数。
（2）工程意义：基圆半径的大小直接影响凸轮机构的整体尺寸、压力角大小和从动件的运动特性。基圆半径越大，凸轮机构越平缓，压力角越小，传动效率越高，但凸轮轴的径向尺寸和惯性质量增大；基圆半径越小，结构越紧凑，但压力角增大，侧向力加剧，磨损和噪音增加。
（3）对滚子从动件的特殊说明：对于滚子从动件盘形凸轮，基圆半径指理论轮廓的最小半径（从回转中心到滚子中心的最短距离），而非实际工作轮廓的最小半径。
7. 行程
（1）定义：从动件在凸轮驱动下，从最低位置到最高位置的最大位移量（升程），或从最高位置回到最低位置的最大位移量（回程）。
（2）在柴油机中的对应关系：
① 气门升程：气门在凸轮驱动下离开气门座的最大距离（mm），直接影响进气流量和充气效率。
② 喷油器柱塞行程：喷油泵柱塞或单体泵柱塞在凸轮驱动下的最大位移（mm），直接影响循环供油量。
（3）行程的确定：行程由凸轮轮廓的升程段总高度决定，是凸轮设计时首先确定的参数之一，需根据柴油机的功率需求、气门流通能力和喷油量要求进行匹配设计。
8. 理论轮廓与实际轮廓
（1）定义：
① 理论轮廓：对于滚子从动件凸轮机构，理论轮廓是指滚子中心在凸轮旋转过程中所描绘的轨迹曲线。
② 实际轮廓：实际轮廓是指与滚子直接接触的凸轮工作表面曲线，是理论轮廓的法向等距曲线（内等距线或外等距线，具体取决于凸轮类型）。
（2）区别与联系：理论轮廓用于运动规律计算和压力角分析，实际轮廓用于加工制造。两者相距一个滚子半径的距离。对于尖顶从动件，理论轮廓与实际轮廓重合；对于平底从动件，不存在理论轮廓的概念，直接设计实际轮廓。其对比如图2所示。
10. 凸轮转角
（1）定义：凸轮从某一参考位置（通常为从动件开始上升的位置）开始转过的角度，称为凸轮转角。
（2）关键区分：
① 推程转角：从动件从最低位置上升至最高位置所对应的凸轮转角。
② 远休止角：从动件在最高位置停留（静止）期间所对应的凸轮转角。
③ 回程转角：从动件从最高位置下降回最低位置所对应的凸轮转角。
④ 近休止角：从动件在最低位置停留期间所对应的凸轮转角。
（3）四阶段之和：推程转角 + 远休止角 + 回程转角 + 近休止角 = 360°（凸轮旋转一周）。
11. 凸轮型线
（1）定义：凸轮轮廓曲线的数学表达式或工程图纸上的具体形状称为凸轮型线（凸轮升程曲线）。
（2）工程设计要求：在柴油机凸轮设计中，凸轮型线需满足以下要求：
① 保证气门开启和关闭的正时准确，满足配气相位要求。
② 保证足够的气门升程和开启面积，满足充气效率要求。
③ 保证从动件运动平稳，加速度连续变化，避免高速时的飞脱、弹跳和剧烈冲击。
④ 保证凸轮与挺柱之间的接触应力不超过材料许用值，防止点蚀和剥落。
（3）常见型线类型：早期柴油机采用简单几何曲线（圆弧、直线）凸轮，现代高速柴油机普遍采用高次多项式凸轮型线（如五项式、七项式），以优化加速度和跃度（加速度变化率）曲线，实现高速平稳运行。
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图1 柴油机凸轮机构运行原理图 |
图2 柴油机凸轮理论与实际廓线对比图 |
二、凸轮机构的基本要求
1、凸轮机构的分类
凸轮机构由凸轮、从动件和机架三个基本构件组成。凸轮是具有特定曲线轮廓或凹槽的构件，通常作等速回转运动；从动件（推杆）按预定运动规律在凸轮轮廓的驱动下运动；机架用于固定和支撑各构件，保证机构运动副的正确相对位置。
● 按凸轮形状可分为以下三类：
（1）盘形凸轮：凸轮轮廓曲线为平面曲线，从动件在垂直于凸轮回转轴线的平面内运动，是应用最广泛的凸轮形式，柴油机配气凸轮即属此类。
（2）圆柱凸轮：凸轮为圆柱体，凹槽曲线为空间曲线，从动件沿圆柱母线方向运动，属于空间凸轮机构，适用于需要从动件作较大行程运动的场合。
（3）移动凸轮：凸轮作往复直线运动，从动件在凸轮轮廓驱动下运动，适用于行程较小的特殊机构。
● 按从动件形式可分为以下四类：
（1）尖顶从动件：结构简单、制造容易，但接触应力大、易磨损，仅适用于低速轻载场合或仪表类精密机构。
（2）滚子从动件：在从动件端部装有可自由转动的滚子，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，磨损小、承载能力大，可传递较大动力，在柴油机凸轮机构（如挺柱滚轮）中应用广泛。
（3）平底从动件：从动件端部为平面，与凸轮轮廓形成面接触，润滑条件好、受力平稳、传动效率高，适用于高速场合。
（4）曲面从动件：为克服尖顶从动件接触应力大的缺点而发展，从动件端部为特定曲面形状。
● 按封闭方式可分为以下两类：
（1）力封闭：利用重力、弹簧力等外力保持凸轮与从动件之间的接触，适用于小型载荷不大的机构，柴油机气门弹簧即属于力封闭方式。
（2）形封闭：利用凸轮自身的结构特征（如凹槽）实现从动件与凸轮的始终接触，无需外加弹簧，适用于中低速轻载场合。
2、推杆的运动规律
（1）一次多项式运动规律（等速运动规律）：从动件速度在整个行程中保持恒定，加速度理论上为无穷大（实际上在行程始末瞬间速度突变），曲线如图3所示。该规律存在刚性冲击（速度突变引起的巨大惯性力冲击），仅适用于低速轻载、对运动平稳性要求不高的场合。
（2） 二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律）：从动件加速度在推程前半段和后半段分别保持恒定（前半段等加速，后半段等减速），位移曲线为两段抛物线连接而成，曲线如图4所示。在行程始末和加速度换向点存在加速度突变，产生柔性冲击（加速度有限突变引起的冲击），适用于中低速场合。
（3）余弦加速度运动规律（简谐运动规律）：从动件加速度按余弦规律变化，位移曲线为余弦曲线，曲线如图5所示。在行程始末点加速度存在不连续突变，产生柔性冲击，适用于中速场合。
（4） 正弦加速度运动规律（摆线运动规律）：从动件加速度按正弦规律连续变化，位移和速度曲线均光滑连续，无任何冲击，适用于高速场合，曲线如图6所示。在柴油机凸轮型线设计中，工作段常采用高次多项式（如高次七项式或更高阶多项式），以保证加速度和跃度（加速度的变化率）连续光滑，改善高速运转平稳性，降低气门机构在高速时的飞脱和反弹风险。
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图3 柴油机推杆的一次多项式运动规律曲线图 |
图4 柴油机推杆的二次多项式运动规律曲线图 |
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图5 柴油机推杆的余弦加速度运动规律曲线图 |
图6 柴油机推杆的正弦加速度运动规律曲线图 |
3、凸轮轮廓曲线的设计
（1）设计原理——反转法
反转法是凸轮轮廓设计的基本方法，原理如图7所示。其核心思想是：给整个凸轮机构施加一个与凸轮角速度大小相等、方向相反的角速度（即令凸轮“反转”），使凸轮在数学上保持相对静止，而从动件则相对于机架按原运动规律反向运动。在此相对运动条件下，从动件端部各时刻的位置点连线即为凸轮的理论轮廓曲线。
图7 柴油机凸轮机构反转法原理
（2） 对心式直动尖底从动件盘形凸轮
● 设计要求：从动件导路通过凸轮回转中心，需确定基圆半径、推程运动角、回程运动角及从动件运动规律。
● 设计过程：运用反转法，将凸轮转角按运动规律对应为从动件位移，在基圆上确定各位置点，光滑连接成轮廓曲线。设计过程参考图8。
图8 对心式直动尖底从动件盘形凸轮廓线示意图
（3） 偏置式直动尖底从动件盘形凸轮
● 设计要求：从动件导路偏离凸轮回转中心一定距离（该距离称为偏置距），以改善凸轮机构的受力特性。
● 设计过程：确定偏置距和偏置方向，以凸轮回转中心为圆心、偏置距为半径作偏置圆。运用反转法时，从动件导路始终与偏置圆相切，按位移曲线确定各位置点，光滑连接成轮廓。设计过程参考图9。
图9 偏置式直动尖底从动件盘形凸轮廓线示意图
（4）对心式直动滚子从动件盘形凸轮
● 设计要求：从动件端部装有可转动的滚子，需确定滚子半径。
● 设计过程：先按尖顶从动件设计方法求出理论轮廓曲线；再以理论轮廓上各点为圆心、滚子半径为半径作一系列圆；这些圆的包络线即为实际工作轮廓曲线。理论轮廓与实际轮廓为法向等距曲线，两者相距一个滚子半径。设计过程参考图10。
图10 对心式直动滚子从动件盘形凸轮廓线示意图
（5）对心式直动平底从动件盘形凸轮
● 设计要求：从动件端部为平底，需确定平底最小长度以保证接触点始终落在平底范围内。
● 设计过程：按反转法确定各转角下平底的方位（始终垂直于从动件导路），各平底位置的包络线即为凸轮轮廓曲线。设计过程参考图11。
图11 对心式直动平底从动件盘形凸轮廓线示意图
（6）摆动从动件盘形凸轮
● 设计要求：从动件绕固定点作往复摆动，需确定摆动规律和摆杆长度。
● 设计过程：运用反转法，将凸轮转角对应为摆杆角位移，确定摆杆在各位置的角度，拟合得到凸轮轮廓。设计过程参考图12。
图12 摆动从动件盘形凸轮廓线示意图
（7）圆柱凸轮
● 设计要求：凸轮为圆柱体，从动件沿圆柱母线方向运动，需确定展开图上的轮廓曲线。
● 设计过程：将圆柱表面沿母线展开为平面，在展开图上按反转法设计轮廓曲线，再卷绕回圆柱表面。设计过程参考图13。
图13 圆柱凸轮廓线示意图.
4、凸轮机构的力学特性
（1）压力角：压力角定义为凸轮轮廓上某点法线方向与从动件速度方向之间所夹的锐角，如图14所示。压力角是凸轮机构力学性能的关键指标——压力角越大，沿从动件运动方向的有效分力越小，垂直于运动方向的有害分力越大，机构传动效率越低，侧向力越大，磨损加剧。
（2）许用压力角：为保证凸轮机构正常工作而允许的最大压力角称为许用压力角，其概念如图15所示。一般推荐值：直动从动件许用压力角≤30°；摆动从动件许用压力角≤35°～45°。在柴油机凸轮设计中，为保证高速下的动力学性能，通常将最大压力角控制在更小的范围内。
（3）压力角的计算
● 偏置式直动尖底从动件凸轮：压力角与偏置距、基圆半径、凸轮转角及从动件位移有关。导路右偏置与左偏置对压力角的影响相反——正确选择偏置方向（使推程压力角减小的方向）可有效提高传动效率。其右偏置的计算如图16所示，做偏置的计算如图17所示。
● 直动滚子从动件盘形凸轮机构：压力角的计算需以理论轮廓为基准，考虑滚子半径的影响，如图18所示。滚子半径不影响压力角的数值（因其不改变轮廓法线方向）。
● 直动平底从动件盘形凸轮机构：平底从动件的压力角恒为常数（通常为0°或固定小角度），受力方向始终垂直于平底，无有害侧向分力，传动效率高。其计算方法如图19所示。
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图14 柴油机凸轮压力角的概念图 |
图15 柴油机凸轮许用压力角的概念图 |
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图16 直动尖底从动件凸轮右偏置计算方法 |
图17 直动尖底从动件凸轮左偏置计算方法 |
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图18 直动滚子从动件盘形凸轮机构压力角的计算方法 |
图19 直动平底从动件盘形凸轮机构压力角的计算方法 |
三、凸轮机构基本参数的设计
1. 基圆半径的设计
基圆半径是凸轮轮廓设计的基准参数，直接影响机构整体尺寸和压力角大小。如图20所示，基圆半径越小，机构越紧凑但压力角增大，传动效率降低；基圆半径越大，压力角减小但结构尺寸增大，凸轮轴惯性质量增加。在柴油机凸轮设计中，基圆半径还需考虑与挺柱之间的润滑特性——基圆表面需保留足够的线速度以形成油膜。
2. 滚子半径的设计
（1）内凹凸轮廓线：如图21所示，滚子半径可小于或等于理论轮廓的曲率半径，实际轮廓仍保持平滑。
（2）外凸凸轮廓线：须保证滚子半径严格小于理论轮廓的最小曲率半径，否则实际轮廓会出现尖点或“运动失真”现象（实际轮廓自交），导致从动件无法按预定规律运动。
3. 平底长度的设计
需保证从动件平底与凸轮轮廓在任意转角下均有接触，如图22所示，。平底长度应大于凸轮与平底接触点相对于平底中心的最大偏移量的2倍，并留有适当裕量。
4. 偏置距离的设计
（1）正确偏置与错误偏置：偏置方向直接影响推程和回程压力角的大小。正确选择偏置方向可使推程压力角减小，提高传动效率。其正确偏置与错误偏置如图23所示。
（2）正确偏置的设计原则：使从动件在推程中压力角减小的偏置方向即为正确偏置。通常将偏置方向选择为使从动件导路偏向凸轮回转中心的某一侧，使推程时压力角最小化。
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图20 柴油机凸轮基圆半径设计示意图 |
图21 柴油机凸轮滚子半径内凹凸轮廓线示意图 |
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图22 柴油机凸轮平底长度设计示意图 |
图23 柴油机凸轮偏置差异示意图 |
四、易错点总结
1. 基圆半径和行程
易混淆基圆半径的定义——对于滚子从动件，基圆半径指理论轮廓的最小半径，而非实际轮廓的最小半径。行程为从动件最大位移与最小位移之差，需从位移曲线上正确读取，如图24所示。
2. 不同凸轮机构的轮廓线绘制法（如图25所示）
（1）尖顶从动件：实际轮廓即理论轮廓，两者重合。
（2）滚子从动件：先画出理论轮廓，再以理论轮廓各点为圆心、滚子半径为半径作圆，包络线为实际轮廓。理论轮廓与实际轮廓为等距曲线。
（3）平底从动件：作各转角下平底位置的包络线即为凸轮轮廓。
注意区分理论轮廓与实际轮廓的概念，两者不可混用。
3. 凸轮转角的定义
凸轮转角指从动件远离凸轮回转中心（即推程）所对应的凸轮转角，而非物理安装角度。正确判断凸轮转角需先确定凸轮的放置类型（对心或偏置），并区分推程转角、回程转角、远休止角和近休止角。
4. 常用推杆运动规律的要点归纳
（1）一次多项式运动规律（等速运动）：速度恒定，存在刚性冲击，位移曲线为直线，如图26所示。
（2）二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律）：加速度分段恒定，存在柔性冲击，位移曲线由两段抛物线组成，如图27所示。
易错点：等加速等减速运动规律属于二次多项式运动规律，其位移曲线由两段抛物线连接而成，需与等速运动规律的位移曲线（直线）相区分，避免混淆两种运动规律的特性。
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图24 柴油机从动件盘形凸轮机构 |
图25 不同放置方式的凸轮转角示意图 |
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图26 柴油机推杆一次多项式运动规律 |
图27 柴油机推杆二次多项式运动规律（等加速等减速运动规律） |
总结
凸轮机构是柴油机配气与燃油喷射系统中的核心传动装置，其设计涉及从动件运动规律选取、轮廓曲线几何设计、压力角校核及基本参数优化等多个环节。本章节从基础术语出发，全面梳理了凸轮机构的组成、分类、运动规律、轮廓设计方法、力学特性及参数设计原则。其中，基圆半径、压力角、行程、凸轮转角、相位角、凸轮型线等核心术语的确切含义及其在柴油机工程中的对应关系，是正确理解凸轮机构设计理论的基础。正确把握理论轮廓与实际轮廓的区别、滚子半径与基圆半径的关联、压力角的影响因素及偏置方向的选择原则，是避免设计错误的关键。上述知识体系构成凸轮机构设计分析的完整技术框架。
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