摘 要：為提高發(fā)動(dòng)機(jī)組合式凸輪軸裝配精度，保證組合式凸輪軸各缸同名凸輪相位角的精確度，設(shè)計(jì)制作操作方便的組合式凸輪軸裝配裝置，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明：該裝配裝置可以快速、精準(zhǔn)地裝配凸輪軸；各缸相位角調(diào)整操作簡(jiǎn)單、方便、快捷，準(zhǔn)確度高，使用該裝配裝置調(diào)整的各缸同名進(jìn)、排氣凸輪相位角滿足使用要求，凸輪軸裝機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：凸輪軸；相位角；同軸度；徑向跳動(dòng)

中圖分類號(hào)：TK426文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2024）04-0096-05

引用格式：孫京博，張英，王喜高，等.發(fā)動(dòng)機(jī)組合式凸輪軸裝配裝置的研制［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（4）：96-100.

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0 引言

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，控制氣門的開啟和閉合，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過程和燃燒過程［1］。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸分為整體式和組合式，目前國(guó)內(nèi)車用汽油機(jī)、缸徑小于200 mm的船用柴油機(jī)凸輪軸一般采用整體澆鑄工藝制作，極易出現(xiàn)脹砂、縮孔、縮松等生產(chǎn)缺陷，使得整體式凸輪軸產(chǎn)品合格率不高［2-4］；缸徑大于200 mm的大功率柴油機(jī)凸輪軸多為多段分離式組合結(jié)構(gòu)，每缸一節(jié)，每節(jié)配置進(jìn)氣凸輪、排氣凸輪、噴油凸輪，結(jié)構(gòu)靈活，可針對(duì)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)加工［5-7］。

組合式凸輪軸的分體部件裝配應(yīng)保證各缸同名凸輪的相位角符合發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序和點(diǎn)火間隔時(shí)間的要求［8］。目前，國(guó)內(nèi)組合式凸輪軸裝配裝置的研究大多針對(duì)分段凸輪軸的壓裝，而且多為對(duì)車用汽油機(jī)凸輪軸分體部件組合結(jié)構(gòu)的研究［9］。針對(duì)將每缸為一節(jié)的凸輪軸組裝成整體的組合安裝凸輪軸工藝的研究較少。本文中開發(fā)一種能夠提高裝配質(zhì)量且操作方便的組合式凸輪軸裝配裝置，保證各缸凸輪軸的相對(duì)位置，提高裝配效率。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)組合式凸輪軸裝配存在的問題

在裝配凸輪軸時(shí)，軸承間隙非常重要，間隙過大，凸輪軸磨損加快，嚴(yán)重時(shí)損壞凸輪軸；間隙過小，阻礙凸輪軸的正常旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失效［10-11］。應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙技術(shù)要求選擇適宜的軸承間隙，凸輪安裝時(shí)需正確測(cè)量公差。

裝配組合式凸輪軸時(shí)應(yīng)保證合適的同名凸輪相位角，凸輪相位角直接影響氣門的開啟和關(guān)閉時(shí)刻，進(jìn)而影響到燃燒室的進(jìn)氣和排氣效果，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率和煙度等參數(shù)［12-14］。

以某船用6缸柴油機(jī)為例，凸輪軸箱口的長(zhǎng)為290 mm，寬為130 mm，縱深為230 mm，單節(jié)凸輪軸的長(zhǎng)為353 mm，直徑為65 mm，質(zhì)量大，手工作業(yè)時(shí)費(fèi)力且很容易脫手造成凸輪磕碰。各節(jié)凸輪軸之間通過螺栓連接，由于各螺栓連接處空間較小，即使將力矩扳手伸進(jìn)去也無法轉(zhuǎn)動(dòng)，只能使用普通扳手裝配，無法控制力矩，導(dǎo)致螺栓受力不均勻、緊固螺栓錯(cuò)位等現(xiàn)象，影響凸輪軸的同軸度；該機(jī)各節(jié)凸輪軸連接后，要求凸輪軸承的徑向跳動(dòng)不超過0.08 mm，凸輪軸箱體內(nèi)空間狹小，無法進(jìn)行軸承徑向跳動(dòng)檢測(cè)。如果將凸輪軸進(jìn)行預(yù)裝配，由于螺栓與螺栓孔之間的間隙，使用力矩扳手緊固過程容易出現(xiàn)錯(cuò)位，造成各缸凸輪相位角出現(xiàn)，不能保證凸輪軸的裝配質(zhì)量。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)組合式凸輪軸安裝要求

同名凸輪的相位角由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向及發(fā)火順序確定，以某6缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為例，相鄰2個(gè)氣缸的凸輪之間的夾角為60°，因此，為檢測(cè)凸輪相位角，在裝配線上應(yīng)配置在360°轉(zhuǎn)角內(nèi)旋轉(zhuǎn)的裝置。

各節(jié)凸輪軸應(yīng)裝配到凸輪軸箱的軸承孔內(nèi)，使各節(jié)之間的同軸度、徑向跳動(dòng)滿足技術(shù)要求。單節(jié)凸輪軸外型精度要求如圖1所示。由圖1可知：?jiǎn)喂?jié)凸輪軸徑的最大徑向跳動(dòng)為0.03 mm（以凸輪軸兩端外圓直徑組成的公共軸線A、B的中心線為基準(zhǔn)），加工粗糙度為0.8 μm，最大端面跳動(dòng)為0.03 mm、最大圓跳動(dòng)為0.03 mm。相鄰2節(jié)凸輪軸之間采取止口定位方式連接，定位止口過渡配合間隙為0.004～0.017 mm。2節(jié)凸輪軸裝配后的精度要求如圖2所示。由圖2可知：裝配后凸輪軸的徑向同軸度不大于0.08 mm。

同軸度

δ=d+l，（1）

式中：d為相鄰2節(jié)凸輪軸的最大間隙，mm；l為每節(jié)軸承徑向最大跳動(dòng)，mm，l由加工精度確定。

按照設(shè)計(jì)要求，本文中d=0.017 mm，l=0.030 mm。由式（1）可得，δ=0.047 mmlt;0.080 mm，不超過動(dòng)力總成的徑向跳動(dòng)要求，裝配精度滿足。

6缸柴油機(jī)凸輪軸總成裝配后軸向間隙應(yīng)為0.10～0.20 mm，單節(jié)凸輪軸的最大端面跳動(dòng)為0.03 mm，6節(jié)凸輪軸的最大累計(jì)跳動(dòng)為0.18 mm，各節(jié)連接后誤差積累在軸向允許間隙范圍內(nèi)。

凸輪相位角、組合后的同軸度主要由加工精度確定。實(shí)際裝配過程中，應(yīng)滿足凸輪相位角不超過 ±2°、同軸度不超過 ±0.03 mm的技術(shù)要求，還應(yīng)可利用螺栓與孔的間隙進(jìn)行調(diào)整。

組合式凸輪軸是單節(jié)順序相連接，因此，前、后端裝置應(yīng)可移動(dòng)。設(shè)計(jì)凸輪軸支撐架直徑與凸輪軸直徑相同，保證貼合度。為保證操作的方便性、通用性，前端頂尖裝置可固定不動(dòng)，后端頂尖裝置可滑動(dòng)，裝配不同長(zhǎng)度的凸輪軸時(shí)，只需要更換凸輪軸支撐架即可。

3 組合式凸輪軸裝配裝置設(shè)計(jì)方案

組合式凸輪軸裝配裝置分為前、后端兩部分：1）前端裝置主要包括前端頂尖結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、支架、刻度盤等，前端頂尖外周套裝轉(zhuǎn)動(dòng)盤和連接盤，轉(zhuǎn)動(dòng)盤外周設(shè)置支架，支架安裝在工作臺(tái)上，支架與轉(zhuǎn)動(dòng)盤之間安裝襯套，支架外端安裝刻度盤，刻度盤通過半圓鍵安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)盤上。2）后端裝置主要包括后端頂尖、頂尖架、底座、后蓋、螺桿、手柄等，后端頂尖安裝在頂尖架內(nèi)，頂尖架安裝在底座上，頂尖架外端由內(nèi)向外依次安裝后蓋和手柄，后蓋和手柄均通過螺桿和壓板連接后端頂尖，壓板安裝在后端頂尖內(nèi)，螺桿與手柄緊固，頂尖架通過底座固定在工作臺(tái)上。

由于裝配后的凸輪軸長(zhǎng)度約為3 m，為防止其彎曲變形，在每一節(jié)設(shè)計(jì)凸輪軸支撐架，支撐架為內(nèi)凹型，內(nèi)凹設(shè)計(jì)尺寸與機(jī)體上凸輪軸安裝孔一致。凸輪軸兩端中心孔均為60°錐孔，利用錐面配合的自定心作用，前、后端裝置設(shè)計(jì)為頂尖結(jié)構(gòu)，頂尖夾角設(shè)計(jì)為60°，表面粗糙度為0.8 μm，與凸輪軸兩端定位孔一致，錐面起定心作用，實(shí)現(xiàn)前、后凸輪軸單元裝配后的定位，前后頂尖角度、加工精度與凸輪軸中心孔設(shè)計(jì)要求如圖3所示。

為保證裝配后凸輪軸的同軸度、凸輪的徑向跳動(dòng)滿足技術(shù)要求，前、后端裝置分別布置在工作臺(tái)的兩端，工作臺(tái)的平面度按文獻(xiàn)［15］要求，選擇帶T型槽的劃線平臺(tái)為工作臺(tái)，其橫剖面及加工要求如圖4、5所示，T型槽定形、定位尺寸準(zhǔn)確，平面度為0.20 mm，T型槽相對(duì)于工作臺(tái)的垂直度為0.05 mm，加工粗糙度為3.2 μm。前、后端裝置應(yīng)裝配到同一個(gè)T型槽，采用T型塊固定，T型塊結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

為便于調(diào)整凸輪軸的同軸度，設(shè)計(jì)時(shí)前端為固定裝置，后端為可調(diào)裝置。為實(shí)現(xiàn)前端裝置中組合后的凸輪軸同軸度可調(diào)，前端頂尖設(shè)計(jì)為莫氏5級(jí)錐度配合，后端在T型塊約束下軸向移動(dòng)。T型塊與工作臺(tái)的T型槽間隙配合為0.025～0.058 mm，方便百分表找正前、后2節(jié)凸輪軸的跳動(dòng)時(shí)微調(diào)后端裝置。凸輪相位角用凸輪軸轉(zhuǎn)角表示，轉(zhuǎn)角裝置設(shè)計(jì)360°的刻度盤，刻線精度與飛輪刻度線為自由公差，保證刻度的準(zhǔn)確性和均勻性。

為避免誤差累積造成的凸輪軸裝配后的徑向（同軸）跳動(dòng)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求超差，要求前后端裝置的徑向變形小于凸輪軸徑向跳動(dòng)0.08 mm。前端裝置徑向變形主要受刻度盤、連接盤的徑向跳動(dòng)影響?？潭缺P與轉(zhuǎn)動(dòng)盤、襯套與轉(zhuǎn)動(dòng)盤采取同軸間隙設(shè)計(jì)，間隙為0.01～0.05 mm。

前端裝置的變形

D=d+c，（2）

式中：d為前端裝置最大徑向跳動(dòng)，mm； c為單節(jié)凸輪軸徑向最大跳動(dòng)，mm。

按照設(shè)計(jì)要求，d=0.05 mm，c=0.03 mm，由式（2）可得，D=0.08 mm，未超出凸輪軸設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)通過螺桿旋轉(zhuǎn)頂尖調(diào)整凸輪軸徑向跳動(dòng)，后端裝置通過調(diào)節(jié)螺桿上的背緊螺母鎖緊后段頂尖，為了鎖緊時(shí)能夠找正中心，頂尖與頂尖架設(shè)計(jì)為間隙配合，間隙為0.01～0.06 mm。 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸裝配裝置整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

4 組合式凸輪軸裝配裝置過程及應(yīng)用

4.1 裝配過程

使用凸輪軸裝配裝置安裝凸輪軸時(shí)，通過調(diào)整工作臺(tái)兩側(cè)的前、后端裝置在T型槽的位置，保證前、后頂尖的同軸度不超過0.08 mm。

應(yīng)用時(shí)將裝置的前端頂尖頂在第一缸凸輪軸側(cè)的中心孔，同時(shí)將第一缸的基準(zhǔn)點(diǎn)與刻度盤的零刻度對(duì)準(zhǔn)，并用凸輪始點(diǎn)定位架和凸輪軸支撐架對(duì)準(zhǔn)凸輪始點(diǎn)及軸徑固定。凸輪始點(diǎn)定位架根據(jù)凸輪軸在工作臺(tái)的高度和凸輪軸圖紙，采用螺旋結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同機(jī)型凸輪軸的需求調(diào)整高度。頭部設(shè)計(jì)為球面，與凸輪表面為點(diǎn)接觸，用于調(diào)整凸輪起始工作點(diǎn)位置的準(zhǔn)確度。

凸輪軸預(yù)裝配時(shí)，第一缸凸輪軸端面中心孔頂在前端頂尖上，前端頂尖及其支架固定不動(dòng)，保證裝配時(shí)的穩(wěn)固，依次安裝各缸凸輪軸；后端裝置根據(jù)各節(jié)凸輪軸的長(zhǎng)度移動(dòng)到合適位置，此時(shí)旋轉(zhuǎn)手柄使后端頂尖頂住末節(jié)凸輪軸端面的中心孔，設(shè)置的螺桿和壓板可在夾緊過程中微調(diào)，壓板和后端頂尖沿螺桿移動(dòng)，緊固螺桿與頂尖，使后端頂尖相對(duì)頂尖架滑動(dòng)，調(diào)節(jié)后端頂尖的端部位置，用螺栓固定后端裝置。

通過調(diào)整凸輪軸支撐架、連接螺栓間隙、后端頂尖端部位置等，使各缸凸輪軸的徑向跳動(dòng)滿足要求。檢查凸輪軸各缸同名凸輪相位角，每缸的凸輪始點(diǎn)位置由專用的凸輪始點(diǎn)定位架進(jìn)行找正，其它各缸的相位角均相對(duì)第一缸的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)刻度盤，檢查第一缸的相位角，并以第一缸的凸輪相位角為基準(zhǔn)，依次檢查其他各缸的同名相位角。由于凸輪軸隨刻度盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)定位盤，將始點(diǎn)定位架安置在每缸凸輪的起始位置，依序檢查各缸相位角。

凸輪軸的徑向跳動(dòng)、圓跳動(dòng)、相位角均滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求后，使用力矩扳手緊固連接各節(jié)凸輪軸的螺栓，凸輪軸組裝完畢。

4.2 應(yīng)用效果分析

組合式凸輪軸多應(yīng)用于6缸、8缸柴油機(jī)，凸輪軸根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)設(shè)計(jì)。某6缸發(fā)動(dòng)機(jī)6節(jié)凸輪軸預(yù)裝配后的總成狀態(tài)如圖8所示。

凸輪軸箱內(nèi)安裝各節(jié)凸輪軸時(shí)，凸輪軸箱空間狹小且凸輪軸質(zhì)量較大，手動(dòng)安裝時(shí)需要2人手工協(xié)助完成，安裝過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易被凸輪軸箱體的棱邊割傷碰傷，存在安全隱患。手動(dòng)安裝時(shí)，由于柴油機(jī)發(fā)火順序、配氣相位角的要求，安裝時(shí)需手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，找準(zhǔn)位置后進(jìn)行安裝，安裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸，2人作業(yè)2 h才能完成裝配，生產(chǎn)效率較低，而且難以保證裝配質(zhì)量。使用該組合式凸輪軸裝配裝置裝配6節(jié)凸輪軸，1人0.5 h即可完成作業(yè)，生產(chǎn)效率是手動(dòng)安裝的8倍。若借助于行車吊裝，1人10 min即可將凸輪軸總成安裝進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體，極大提高裝配效率，保證了安裝質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

為提高凸輪軸裝配質(zhì)量和裝配效率，設(shè)計(jì)了組合式結(jié)構(gòu)的凸輪軸裝配裝置，該裝置由前、后端頂尖裝置兩部分組成。后端頂尖裝置可移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)凸輪軸精確分段安裝。前端頂尖裝置設(shè)計(jì)360°刻度盤，按照發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火順序和轉(zhuǎn)向，對(duì)各缸凸輪軸相位角進(jìn)行檢查、調(diào)整。利用該裝置裝配凸輪軸，可以保證凸輪軸裝配滿足使用要求，凸輪軸裝機(jī)后性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。

實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置可實(shí)現(xiàn)單人操作，有效減少工作人員數(shù)量，節(jié)省裝配時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；該裝配裝置可應(yīng)用于多缸組合式凸輪軸裝配中，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。

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Development of assembly device for engine combined camshaft

SUN Jingbo1， ZHANG Ying2， WANG Xigao1， WANG Yikun3

1.Zichai Machinery Co.， Ltd.， Zibo 255000， China; 2.Zichai Power Co.， Ltd.， Zibo 255000， China;

3.School of Ship Electrical Engineering， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China

Abstract：In order to improve the assembly accuracy of the combined camshaft of the engine and ensure the accuracy of the phase angle of the camshaft with the same name of each cylinder， a convenient assembly device of the combined camshaft is designed and made， and the practical application is carried out. The application results show that the assembly device can assemble the camshaft quickly and accurately. The phase angle adjustment operation of each cylinder is simple， convenient， fast and accurate. The phase angle of each cylinder with the same name and exhaust CAM adjusted by the assembly device meets the requirements of use. After the camshaft is installed， the engine performance is stable and reliable.

Keywords：camshaft; phase angle; coaxiality; radial runout

（責(zé)任編輯：劉麗君）