崔曉敏 張欣亮

摘要：軸承作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略物資，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，它是機(jī)械裝備中最重要最關(guān)鍵的基礎(chǔ)零部件，可以稱(chēng)之為機(jī)械的心臟。軸承主要起到受力和傳動(dòng)的作用，它的好與壞直接決定機(jī)械的性能、質(zhì)量和可靠性。本文在此基礎(chǔ)上主要分析的是滾動(dòng)軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸上的研究與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：滾動(dòng)軸承；發(fā)動(dòng)機(jī)；凸輪軸；應(yīng)用

1滾動(dòng)軸承基本結(jié)構(gòu)

為滿足工作需求，滾動(dòng)軸承的生產(chǎn)日趨標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、多樣化。軸承按照其所承受載荷方向的不同可以分為向心軸承（徑向）、推力軸承（軸向）和向心推力軸承（同時(shí)承受徑向軸向），按照滾動(dòng)體的形狀又可以分為球軸承和滾針軸承。其種類(lèi)雖然繁多，但主要結(jié)構(gòu)基本相同，都是由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架四大部件構(gòu)成。在實(shí)際情況中，通常我們會(huì)發(fā)現(xiàn)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其內(nèi)圈在不停的轉(zhuǎn)動(dòng)，而外圈卻停止不動(dòng)。究其根本是因?yàn)檩S承內(nèi)圈與軸采用了過(guò)盈配合的配合方式，故當(dāng)主軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)圈會(huì)與之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而軸承外圈與軸承座孔通過(guò)過(guò)盈連接相互配合，與之固定并起到支撐軸承元件的作用。與之相反即固定內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)外圈情況也存在，但是相對(duì)較少。滾動(dòng)體是軸承的核心部分，均勻分布在軸承內(nèi)外圈之間，降低滾動(dòng)軸承內(nèi)外圈之間的摩擦阻力、減少熱量的產(chǎn)生，將內(nèi)外圈表面之間的滑動(dòng)摩擦變成滾動(dòng)摩擦使兩者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變得更加順暢是滾動(dòng)體的主要作用。有些軸承內(nèi)圈外側(cè)和外圈內(nèi)側(cè)設(shè)有凹槽滾道，其目的是為了降低滾動(dòng)體和內(nèi)外圈之間的接觸應(yīng)力，同時(shí)還能防止?jié)L動(dòng)體發(fā)生軸向移動(dòng)。此外滾動(dòng)體的形狀、大小和數(shù)量對(duì)軸承的抗壓承載能力有一定影響。保持架位于軸承內(nèi)外圈之間，其功能是固定滾動(dòng)體，并將一定數(shù)量的滾動(dòng)體按同等間隔分開(kāi)，以防彼此之間相互碰撞擠壓，保證滾動(dòng)體安全順利的運(yùn)動(dòng)。

2發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸概述

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，凸輪軸桃尖部位的硬度和白口層深度是決定凸輪軸使用壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)效率的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在保證凸輪有足夠高的硬度和相當(dāng)深的白口層的前提下，還應(yīng)考慮軸頸不出現(xiàn)較高的碳化物，使其具有較好的切削加工性能。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)凸輪軸的主要方法有：采用鋼質(zhì)鍛造毛坯經(jīng)切削加工后，凸輪桃尖部分經(jīng)高頻淬火形成馬氏體層的工藝。20世紀(jì)70年代末，德國(guó)和法國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了凸輪軸氬弧重熔新工藝；另有以美國(guó)為主的可淬硬鑄鐵凸輪軸；以日本和法國(guó)為主的冷硬鑄鐵凸輪軸；以及凸輪部位用Cr-Mn-Mo合金涂料進(jìn)行鑄件表面合金化的生產(chǎn)工藝等。

3滾動(dòng)軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸上的應(yīng)用

3.1選擇軸承類(lèi)型

根據(jù)凸輪軸工作環(huán)境和滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，深溝球軸承和滾針軸承均可應(yīng)用于凸輪軸，根據(jù)周邊尺寸選擇具體類(lèi)型。研究方案一：受限于凸輪軸外徑和缸蓋軸承蓋內(nèi)徑尺寸，只能選擇滾針軸承，在此條件下，必須設(shè)計(jì)額外的止推面以限制凸輪軸軸向移動(dòng)。研究方案二：通過(guò)缸蓋軸承蓋內(nèi)徑設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用球軸承集成了止推功能，取消凸輪軸上的止推特征，同時(shí)考慮降低摩擦效果，取消了滾針軸承。

3.2選擇軸承尺寸

軸承在承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于套圈滾道面及滾動(dòng)體滾動(dòng)面不斷地受到交變負(fù)荷的作用，即使使用條件正常，也會(huì)因材料疲勞使?jié)L道面及滾動(dòng)面出現(xiàn)魚(yú)鱗狀損傷（稱(chēng)做剝離或剝落）。出現(xiàn)這種滾動(dòng)疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱(chēng)做軸承的“（疲勞）壽命”。即使是結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、加工方法等完全相同的軸承，在同樣條件下旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承的（疲勞）壽命仍會(huì)出現(xiàn)較大的差異。這是因?yàn)椴牧掀诒旧砑淳哂须x散性，將一批相同的軸承在同樣條件下分別旋轉(zhuǎn)時(shí)，其中90%的軸承不出現(xiàn)滾動(dòng)疲勞損傷的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱(chēng)做“軸承的基本額定壽命”（即可靠性為90%的壽命）。因球軸承需裝配在凸輪軸上，因此凸輪軸前端最小直徑?jīng)Q定了滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑。本項(xiàng)目凸輪軸前端因安裝機(jī)油控制閥，導(dǎo)致外徑達(dá)到Φ33mm，為便于安裝，球軸承內(nèi)徑d設(shè)計(jì)為Φ33.5mm，同時(shí)缸蓋軸承蓋內(nèi)孔徑最大Φ52mm，即滾動(dòng)軸承外徑D最大為Φ52mm，軸承寬度B為10mm。

3.3軸承安裝

軸承安裝是否正確，直接影響軸承使用時(shí)的精度、壽命和耐久可靠性。因此需要嚴(yán)格規(guī)范操作，按照作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。方案二球軸設(shè)計(jì)為內(nèi)外圈均需過(guò)盈壓入，第一步將球軸承壓入軸承蓋內(nèi)，此時(shí)壓頭必須僅作用于外圈直至壓至軸肩；第二步將凸輪軸壓入球軸承內(nèi)圈球，此時(shí)壓頭作用于凸輪軸，但支撐必須在球軸承內(nèi)圈。內(nèi)外圈表面涂潤(rùn)滑油有利于降低壓入力，可將平均壓入力峰值從5400N降低到3300N，且壓裝力更穩(wěn)定。

3.4滾動(dòng)軸承摩擦分析

凸輪軸的摩擦面積及摩擦頻率是發(fā)動(dòng)機(jī)所有摩擦副中排在前列的，它的功能是負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣門(mén)的工作，凸輪軸工作可靠性的高低，對(duì)降低油耗、提高功率、凈化尾氣有很重要的意義。凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)凸輪表面與液壓挺柱之間有很高很頻繁的接觸應(yīng)力，因此凸輪軸上最容易失效的是凸輪表面，極易磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，有時(shí)高達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)，在這種高負(fù)荷的工作環(huán)境下要求凸輪軸的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、耐磨性、強(qiáng)度等性能應(yīng)優(yōu)于其他部件。然而傳統(tǒng)的整體式凸輪軸使用鑄造或鍛造的方式加工，因此凸輪軸各部分采用相同的金屬材料，各部分力學(xué)性能一致，很難保證摩擦表面有更高的耐磨性。分體式凸輪軸正好相反，由于凸輪軸由多個(gè)小零件組成，各零件采用不同的金屬材料，保證各部位的力學(xué)性能滿足工作要求，正好彌補(bǔ)了整體式凸輪軸的不足，降低生產(chǎn)費(fèi)用。一般四缸發(fā)動(dòng)機(jī)均配有2根凸輪軸，中國(guó)汽車(chē)保有量很大，因此每年凸輪軸的用量十分巨大，并且?guī)缀蹙蓢?guó)內(nèi)供應(yīng)商提供。目前，國(guó)內(nèi)汽車(chē)銷(xiāo)售行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入了白熱化狀態(tài)，汽車(chē)價(jià)格透明而且日益走低，因此各汽車(chē)總廠對(duì)配件的價(jià)格也要求降低，凸輪軸亦如此。國(guó)內(nèi)凸輪軸供應(yīng)商很多，多數(shù)供應(yīng)商凸輪軸的生產(chǎn)方式是整體式澆鑄冷激鑄鐵。整體式凸輪軸運(yùn)用的是澆鑄工藝，脹砂、縮孔、縮松等生產(chǎn)缺陷極易出現(xiàn)在使用澆注鑄造工藝凸輪軸的表面，而且生產(chǎn)費(fèi)用高，關(guān)鍵是產(chǎn)品合格率不高，造成原料極大浪費(fèi)。因此，澆注的生產(chǎn)工藝只適用于大批量生產(chǎn)。當(dāng)生產(chǎn)數(shù)量較小時(shí)，棒料切削成型工藝比較合適，可以節(jié)省原材料，但切削出去的余料仍然造成了浪費(fèi)，原料利用率大大降低。為保證凸輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，提升發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)合格率，減少生產(chǎn)費(fèi)用，研究分體式凸輪軸的使用非常必要。分體式裝配凸輪軸很早就使用在一些簡(jiǎn)單的機(jī)械上面，汽車(chē)上使用的較晚，有些供應(yīng)商已經(jīng)采用，部分廠家也已經(jīng)進(jìn)行研發(fā)。當(dāng)下，中外合資的汽車(chē)企業(yè)采用分體式凸輪軸，而且也開(kāi)發(fā)出柔性生產(chǎn)線，但仍然受生產(chǎn)費(fèi)用居高不下而困擾。國(guó)產(chǎn)自主品牌汽車(chē)較少采用分體式凸輪軸。但是，分體式凸輪軸的采用是國(guó)產(chǎn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸生產(chǎn)裝配的必然趨勢(shì)。

4結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者和制造者追求更高的發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)之初，降摩擦技術(shù)要早期考慮。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用環(huán)境和空間要求，選擇合適的滾軸承類(lèi)型和尺寸，并設(shè)計(jì)好裝配制造方法，凸輪軸采用滾動(dòng)軸承可以顯著降低摩擦損失，是切實(shí)有效的技術(shù)方案。

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（作者單位：長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司；

河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）