何昌德

（臺州科技職業(yè)學院，浙江臺州318020）

凸輪軸是汽車發(fā)動機配氣機構中比較關鍵的零件，作用是控制進排氣門的關閉，其運轉的好壞，直接影響發(fā)動機的油耗、功率及尾氣排放。每臺四缸以上的發(fā)動機，都配有2根凸輪軸，全國每年凸輪軸的需求量在2000萬根左右，并且基本上全由國內廠家供應。隨著汽車價格的不斷降低，各汽車廠要求不斷降低凸輪軸的價格。

我國的凸輪軸生產廠家較多，普遍采用的材料為整體式澆鑄冷激鑄鐵。由于冷激鑄鐵凸輪軸采用的是澆鑄工藝，在表面易產生脹砂、縮孔、縮松等缺陷，不但生產成本高，而且加工成品合格率只有90%左右，甚至更低。所以，有些廠家當生產批量不大時，如年產量小于5萬件，則采用棒料切削成型，雖然原材料的成本降低了，但材料的利用率較低。

為了提升發(fā)動機的合格率，降低生產成本，分體式裝配工藝在國內也開始研究。目前都使用在一些簡單的非車用的凸輪軸上，如空壓機、割草機等。使用在汽車發(fā)動機上的分體式裝配凸輪軸，現(xiàn)已在研發(fā)階段。

目前國內合資的汽車企業(yè)生產的凸輪軸，已開始使用分體式凸輪軸，并開發(fā)出了可柔性生產的分體式裝配流水線，但設備價格昂貴，成本高，在我國具有自主品牌的汽車企業(yè)還沒有得到廣泛的使用。但是，凸輪軸整體式工藝改為分體式，是目前國內汽車發(fā)動機凸輪軸的發(fā)展方向。

本文主要是通過對整體式凸輪軸的局部分體零件優(yōu)化設計和裝配工藝進行研究，希望能徹底解決傳統(tǒng)整體式凸輪軸存在的一系列弊端，使國產汽車為最終能實現(xiàn)發(fā)動機輕量化、低成本、零排放、高性能、高精度等要求奠定基礎。

1 傳統(tǒng)凸輪軸生產工藝及存在問題

目前，國內傳統(tǒng)的凸輪軸加工，主要是采用整體鑄造的凸輪軸毛坯，通過切削加工而成，常用材料是冷激鑄鐵。雖然冷激鑄鐵材料硬度高，耐磨性好，但凸輪軸上的齒輪最易斷裂并且也最難加工。

一方面由于凸輪軸與齒輪是整體式鑄造的，齒輪的磨損或斷裂，會造成整根凸輪軸的報廢，甚至出現(xiàn)發(fā)動機點火時間的混亂，而且齒輪的成本只有凸輪軸的20%；

另一方面由于凸輪軸是細長軸，在剃齒加工時易出現(xiàn)凸輪軸抖動，而造成齒輪精度達不到技術要求，也造成整根凸輪軸的報廢。

基于上述原因，發(fā)動機組裝廠迫切要求對凸輪軸的加工工藝進行改進，以減少廢品率，提高發(fā)動機的可靠性和耐久性。

目前491QE發(fā)動機凸輪軸材料，普遍使用合金冷激鑄鐵，以提高耐磨性。由于冷激鑄鐵的磨損量僅為其他材料的12%左右，所以冷激鑄鐵作為凸輪軸材料以其低成本、高性能的顯著特點，得到了廣泛的應用。而與凸輪軸一起整體鑄造的凸輪軸齒輪，其材料也是合金冷激鑄鐵材料，雖然具有較高的表面硬度，但芯部的抗拉強度較低，韌性也較差。由于機械行業(yè)里齒輪的材料一般情況下都應使用調質鋼或合金滲碳鋼，如 45、40Cr、20CrMnTi等。因為齒輪在嚙合過程中轉速高，負荷大，容易磨損，所以齒輪不但要求表面具有高的硬度，而且芯部必須具有高的抗拉強度。表1是冷激鑄鐵與45、40Cr、20CrMoTi在各項力學性能上的比較。

表1 冷激鑄鐵與45、40Cr、20CrMoTi力學性能比較表

從表中數據可看出，冷激鑄鐵的表面硬度接近于其他材料，但抗拉強度只有250 MPa，并且屈服點和伸長率基本為零，這就是齒輪用冷激鑄鐵材料易斷裂的原因。

2 局部分體式裝配工藝及其優(yōu)勢

把491QE發(fā)動機整體式凸輪軸改為局部分體式凸輪軸，從圖1分析來看,由于齒輪在支承軸頸的右側，所以如果要使齒輪分離出來，齒輪左側的支承軸頸也必須分離，而且在支承軸頸與齒輪之間還須加上一個隔套，這樣改成分體式后的凸輪軸組件，由4個零件組成，分別是分體式凸輪軸、左側支承軸頸、隔套、斜齒輪。

如圖2～圖5是在原整體式凸輪軸的左側部份，分離出1個凸輪軸、1個齒輪、1個軸頸，并增加1個隔套，并對分離出來的零件進行材料優(yōu)化和精益加工，再組裝成整體凸輪軸的新型加工工藝。齒輪一般采用40Cr或20CrMnTi材料，并進行高頻淬火或滲碳處理，支承軸頸和隔套分別采用40Cr材料，和45號材料，也進行高頻淬火。

圖1 整體式凸輪軸

圖2 局部分體式凸輪軸

圖3 支承軸頸

圖4 隔套

圖5 斜齒輪

與傳統(tǒng)的整體式加工方法相比，局部分體式凸輪軸加工工藝有如下優(yōu)勢：

（1）通過更改齒輪的材料，并采用單獨加工，有利于提高齒輪的強度和精度，減少齒輪斷裂和磨損，凸輪軸加工合格率從90%提高到98%以上。

（2）因齒輪單獨加工，消除了原加工齒輪時因精度達不到而造成整根凸輪軸報廢的情況，提高了凸輪軸加工合格率。

（3）用戶使用后因齒輪損壞而退回來的凸輪軸廢品，通過更換齒輪后，仍可重新使用，大大降低了凸輪軸的生產成本。

（4）提升了凸輪軸的可靠性和耐久性。

3 零件裝配精度的選擇

3.1 分體零件與凸輪軸配合公差帶的選擇

由于凸輪軸在發(fā)動機中作高速轉動，所以要求分體出來的支承軸頸內孔、齒輪內孔與凸輪軸外圓必須是過盈配合，并且過盈量在0.03～0.05 mm范圍。壓裝過程中要求保證各個零件與凸輪軸配合不打滑，具體配合公差帶如下：

支承軸頸內孔與凸輪軸外圓的配合為Φ28.5 H7/u6；

斜齒輪內孔與凸輪軸外圓配合：Φ29 H7/u6。

而隔套與凸輪軸的配合，應為間隙配合，隔套內孔尺寸為Φ29 mm，以保證與凸輪軸有0.5 mm左右的配合間隙。具體配合尺寸見如圖6～圖9。

圖6 凸輪軸配合尺寸

圖7 支承軸頸配合尺寸

圖8 隔套配合尺寸

圖9 斜齒輪配合尺寸

3.2 左支承軸頸的加工工藝改進

整體式凸輪軸的4個軸頸，是一次磨削加工，保證4個軸頸的同軸度控制在0.025 mm以內。但分體后壓入的左支承軸頸，與其余3個軸頸的同軸度，很難達到圖紙規(guī)定的要求。所以為了保證4個軸頸的同軸度精度，加工左支承軸頸外圓時，需保留0.03～0.05 mm的精加工余量，裝配后與其它4個軸頸一起加工，確保5個軸頸的同軸度達到圖紙所規(guī)定的0.025 mm范圍以內。

3.3 分體零件的材料及熱處理選擇（如表2）

3 個分體零件的材料及熱處理選擇如表2所列。

表2 分體式凸輪軸3個分體零件材料及熱處理選擇表

4 檢測及試驗情況

491QE凸輪軸齒輪，由整體式改為局部分體式后，經小批量生產，并在凸輪軸相位檢測儀上進行尺寸公差、形位公差及凸輪相位的精度檢測，各項精度指標都比原來的圖紙要求有了很大的提高。經汽車總裝廠進行發(fā)動機可靠性臺架試驗，沒有出現(xiàn)斜齒輪磨損及齒的斷裂故障。并且由于齒輪單獨進行滾齒加工，齒輪的加工精度有了極大的提高，降低了齒輪的嚙合噪聲。

5 結束語

491QE發(fā)動機凸輪軸由整體式改為局部分體式，解決了傳統(tǒng)整體式凸輪軸存在的一系列弊端，改善了齒輪的強度和加工精度，降低了凸輪軸的報廢率，提高了發(fā)動機配氣性能的可靠性和耐久性，為國產汽車為最終能實現(xiàn)發(fā)動機輕量化、低成本、零排放、高性能、高精度等要求提供了科學依據。

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