内燃机配气机构用凸轮齿轮结构

　　在往复式内燃机的配气系统里，凸轮轴齿轮是整个正时传动链路里不可缺少的核心传动零件，它的作用是把曲轴输出的旋转动力按照固定的传动比传递给凸轮轴，保证凸轮轴能以精准的相位驱动进排气门完成开闭动作，让发动机的进气、压缩、做功、排气四个冲程按既定时序稳定运行。这类齿轮在实际装机时，需要和凸轮轴的轴端做过盈配合或者通过键连接实现周向固定，安装时要严格对齐齿轮端面和凸轮轴轴肩的定位面，避免齿轮运转时出现轴向窜动，影响配气相位的精度。从结构设计来看，这个齿轮采用直齿圆柱齿形设计，齿部的参数匹配发动机正时传动的中心距要求，齿面的啮合侧隙控制在合理区间，既不会因为侧隙过小出现运转卡滞、齿面异常磨损，也不会因为侧隙过大导致传动间隙过大，

　　出现配气相位偏差、气门开闭时机不准的问题。齿轮一端的黄色环状结构是和凸轮轴轴端配合的定位凸台，这个凸台的外径和凸轮轴安装座的内孔做间隙配合，装配时可以起到导向定位的作用，降低现场装配的对中难度，同时凸台的轴向长度要满足安装后齿轮端面和凸轮轴轴肩完全贴合的要求，避免齿轮在高速运转时出现偏摆。齿轮中心的通孔是轴孔，孔径尺寸和凸轮轴的轴径公差带按照基孔制配合选取，保证装配后两者的同轴度符合设计要求，减少运转时的动不平衡量。在实际工况里，这类齿轮的运转转速通常是曲轴转速的二分之一，因为四冲程发动机的工作循环里，曲轴转两圈凸轮轴只需要转一圈就能完成一次完整的进排气动作，所以齿轮的齿数设计也对应这个传动比，和曲轴端的正时齿轮齿数保持2:1的比例。齿部的强度设计需要考虑发动机全速运转时的冲击载荷，尤其是在发动机急加速、急减速的工况下，传动链的瞬时冲击会直接作用在轮齿上，所以齿根的圆角半径做了优化，避免应力集中导致断齿故障。齿轮的材料通常选用中碳钢或者合金结构钢，经过调质处理后齿面做高频淬火，保证齿芯有足够的韧性来承受冲击，齿面有足够的硬度来抵抗长期啮合的磨损，延长零件的使用寿命。在建模过程中，首先要确定齿轮的基本参数，包括模数、齿数、压力角、齿顶高系数、顶隙系数，通过参数化生成渐开线齿形，然后对齿端做倒角处理，避免装配时齿部和啮合齿轮的端面发生磕碰，同时去除齿端的锐边，防止运转时锐边刮掉润滑油形成油泥。定位凸台部分的建模要注意和齿部的同轴度要求，

　　凸台的外圆和中心轴孔的同轴度公差控制在0.02mm以内，保证装配后齿轮的径向跳动量在允许范围内。中心轴孔的键槽尺寸按照对应的平键标准设计，键槽的对称度公差要满足传动要求，避免键连接时出现单侧受力，导致键或者键槽过早磨损。在实际的设备维护场景里，这类齿轮出现故障时通常会表现为发动机怠速不稳、动力下降、气门异响，严重时甚至会出现气门和活塞碰撞的恶性故障，所以在设计时除了保证尺寸精度，还要在齿轮的端面做正时标记，方便维修装配时对齐相位，不需要反复调整配气正时。齿轮的厚度尺寸要匹配正时齿轮室的内部安装空间，保证齿轮安装后和齿轮室壁之间留有足够的间隙，不会出现运转时的摩擦干涉，同时齿轮的端面和相邻的止推垫片之间要留有合理的轴向间隙，

　　补偿热胀冷缩带来的尺寸变化，避免高温下齿轮膨胀出现卡滞。这类齿轮除了应用在车用内燃机上，在通用汽油机、小型柴油机、工程机械的动力单元里也有广泛应用，不同功率段的发动机对应的齿轮模数、齿宽会做对应调整，大马力发动机的齿轮齿宽会更大，齿面的硬化层深度也会更深，来承受更大的传动扭矩。建模时还要考虑齿轮的减重设计，在不影响结构强度的前提下，齿轮的腹板部分可以做均匀的减重孔，降低齿轮自身的转动惯量，减少发动机运转时的传动损耗，不过减重孔的位置和大小要经过强度校核，避免腹板处出现应力集中，在长期交变载荷下出现裂纹。齿面的粗糙度要求控制在Ra1.6以内，降低啮合时的摩擦阻力，减少运转噪音，同时保证润滑油能在齿面形成稳定的油膜，减少齿面的磨损。定位凸台的端面粗糙度要求Ra3.2，保证和轴肩贴合时的接触面积足够，不会出现局部应力过大导致的压痕。