中国机械工程第15卷第6期2004年3
月下半月
发动机装配式凸轮轴———极具竞争力的新技术
寇淑清 杨慎华 赵 勇 张 驰
吉林大学辊锻工艺研究所, 长春,130025
摘要:装配式凸轮轴采用凸轮、芯轴、轴颈等若干部件分别制造再组装成整体的新型组合设计与制造模式, 其构思新颖, 极具竞争力, 受到广泛关注。对传统凸轮轴及其加工技术进行了分析, 论述了装配式凸轮轴技术原理与优势, 探讨了凸轮
教授与芯轴的连接技术、凸轮精密成形、装配技术与设备等装配式凸轮轴关键技术问寇淑清
题, 介绍了装配式凸轮轴技术研究与应用现状。
关键词:装配式凸轮轴; 连接技术; 精密成形; 装配设备中图分类号:T K413. 4 文章编号:1004-132Ⅹ(2004) 06-0474-04E ngine Assembled C amshafts —Competitive T for C K ou Shuqing Yang Shenhua Y Jilin University , Abstract :Assembled camshafts are and technologies for camshaft manufacture because of its , features compared to conventional camshafts , which are elements in separate forming stages and fas 2tening cam lobes In the paper , the conventional camshafts as well as pro 2duction , and advantages of the assembled camshafts were discussed. Some key as methods between cam lobes and shaft , precision forming of the lobes , as 2sembly and equipment were presented. The developments and applications of the technology were introduced.
K ey w ords :assembled camshaft ; joining method ;precision forming ; assembling equipment
0 前言
凸轮轴作为发动机三大关键摩擦副之一, 工作时凸轮表面和挺杆(OHV 式) 或摇臂(OHC 式) 之间有很高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度, 所以在凸轮表面常出现擦伤、点蚀及快速磨损等失效形式, 因此要求凸轮轴有适当的强度和韧性, 凸轮表面具有良好的耐磨性能和抗冲击性能。随着发动机功率及转速的不断提高, 对
收稿日期:2003—04—22
基金项目“:十五”国家科技攻关项目(2003BA213C ) ; 吉林省科技攻关项目(20010330)
凸轮轴运动的平稳性、动平衡、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求。同时在保证凸轮轴高强度与可靠性的前提下, 凸轮轴的设计制造应具有结构紧凑、重量轻、材料优化、加工流程简化的特点, 以达到轻量化、低成本的目的。
1 传统凸轮轴加工方式及其问题
传统的凸轮轴制造方法主要是采用整体铸造或整体锻造凸轮轴毛坯, 然后切削加工生产, 个别也有采用碳钢坯料直接切削加工制造。凸轮轴常用材质有45钢、球铁和合金铸铁。
参考文献:
[1] 卢长耿, 李金良. 液压控制系统的分析与设计. 北
作者简介:王传礼, 男,1964年生。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室博士研究生, 安徽理工大学机械工程系副教授。研究方向为流体传动与控制技术及新型功能材料的应用。发表论文20余篇。丁 凡, 男,1952年生。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室教授、博士研究生导师。李其朋, 男,1976年生。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室博士研究生。杨奇顺, 男,1952年生。安徽理工大学机械工程系副教授。
京:煤炭工业出版社,1991
[2] 刘长年. 液压伺服系统优化设计理论. 北京:冶金
工业出版社, 1989
[3] 王传礼, 许贤良. 阀控非对称液压缸机构建模探
讨. 矿山机械, 1998(7) :66～68
[4] 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MA TLAB 语言
及仿真. 北京:清华大学出版社, 2001
(编辑 苏卫国)
・474・
发动机装配式凸轮轴———极具竞争力的新技术———寇淑清 杨慎华 赵
勇等
1. 1 铸造凸轮轴毛坯
凸轮轴对凸轮部分的耐磨性能要求很高, 在当前国内外轿车和中轻型汽车凸轮轴生产中, 铸铁材料尤其是合金铸铁材料应用较为广泛[1]。凸轮轴对动平衡要求严格, 因而对其尺寸和形状精度要求较高, 对铸造模具的设计、铸型精度以及铸型的硬度和刚性要求较高。
为增强凸轮的耐磨性能, 国内外主要采用激冷法、淬火法和重熔法三种措施。激冷法生产工序少、耗能少、成本低, 但凸轮轴尺寸精度低, 加工余量大, 不适合大批量流水线作业。淬火法常用于含有合金元素的可淬硬铸铁, 需要专门的设备, 耗能大、成本高。重熔法对原始组织, 特别是石墨片的大小要求较高, 且需要专门的设备, 耗能大、成本高。
1. 2 锻造凸轮轴毛坯
造出凸轮密布排列的紧凑结构凸轮轴。
(3) 传统方法制造凸轮轴需大量的机械加工工序, 耗费大量的机械加工工时、机床、刀具、夹具以及设备操作人员和设备作业面积, 在降低生产成本方面较难有新的突破。
(4) 各种传统加工技术均需要对凸轮表面进行耐磨性强化处理, 如铸造凸轮轴的激冷、淬火或重熔, 锻造凸轮轴的表面渗碳淬火等, 都是对整体凸轮轴进行的凸轮表面处理, 必然伴有变形发生, 因此必须进行整体校直, 且绝大多数采用人工校直, 费时费力且不易保证精度。此外, 凸轮型面的机械加工较难进行, 也是影响加工质量的重要因素。
(5) 传统方法制造凸轮轴, 成废屑, 。
(6) , 自碳钢材料的凸轮轴一般采用整体热锻成形, 凸轮部分采用高频淬火处理, 动机上。好, () , OHC ) 的实例。
, 一般轧制成阶梯轴, 凸轮形状无法轧制。楔横轧工艺制坯易在轴向中心处出现疏松或裂纹。此外, 具有众多密集台阶的多缸凸轮轴毛坯采用轧制工艺困难很大。
1. 3 凸轮轴后续切削加工
装配式凸轮轴(亦称组合式轮轴) 是将凸轮轴
分成凸轮、芯轴、轴颈等若干个可装配件(见图2) , 分别进行材料优化及精益加工, 再组装成整体
凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。
由于凸轮轮廓制造精度与表面质量是影响气门开闭间隙的大小、配气效率、凸轮轴运动的平稳性、发动机运转噪声等的主要因素, 因此整体铸造或锻造的凸轮轴毛坯必须辅以大量的后续切削加工与处理。以锻造凸轮轴为例, 图1给出传统凸轮轴的主要加工工艺流程。
→→→→
→→→→→图2 装配式凸轮轴结构
凸轮一般采用碳钢或粉末烧结材料, 芯轴则
采用冷拔无缝钢管。碳钢凸轮可进行精密塑性成形, 并进行高频淬火或渗碳处理[2,3]。装配式凸轮轴主要加工工艺流程见图
3。
图1 传统凸轮轴的主要加工工艺
1. 4 传统凸轮轴存在的主要问题
(1) 在配气机构中, 对凸轮轴的各个部位性能
要求有很大不同:凸轮要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀; 轴颈要求滑动性能好; 芯轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统凸轮轴很难同时满足上述要求, 材料利用不尽合理。
(2) 传统的整体铸造或锻造生产模式很难制
图3 装配式凸轮轴主要加工工艺
与传统凸轮轴加工方法相比, 装配式加工技
术有如下优势:
(1) 可实现柔性设计、柔性生产与敏捷制造。
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在装配过程中, 可实现凸轮相位角与轴向位置的控制、调整与修正, 有利于新产品的设计与制造, 缩短新产品研制周期。
(2) 有利于材料分体优化与凸轮轴结构形式选择。可根据配气机构对凸轮轴各个部位的性能的要求不同, 在同一凸轮轴上合理选择不同的凸轮、轴颈与芯轴材料。保证其扭转强度、刚度、弯曲性能、耐磨性等要求。
(3) 采用近净成形工艺成形凸轮, 可大幅度降低制造成本。可视具体材料及形状要求, 采用冷精密塑性成形、粉末冶金烧结、精密铸造等工艺精密成形凸轮, 减少昂贵的凸轮切削加工过程, 节省工时、降低成本。
(4) 空心管芯轴、凸轮材料的优化及精密成形技术的应用, 可使凸轮轴整体重量降低20%～40%, 节约材料可达30%以上。
(5) 可针对不同零件采用最适宜的热处理技
装配式凸轮轴最为重要的技术指标。
装配式凸轮轴的连接方式主要有焊接、烧结和机械连接三种, 见图4。焊接连接将凸轮装于轴上, 沿凸轮一周或部分弧段将凸轮与轴焊接在一起。烧结连接是将钢管插入粉末冶金凸轮中, 然后放入烧结炉内, 利用烧结扩散使凸轮与芯轴
图4 装配式凸轮轴连接种类
术与表面强化技术, 面抗点蚀能力和耐磨性, , 造精度、(6) , 并装配集成, 降低装配工时与装配成本。
(7) 提高凸轮轴整体刚度。针对不同的凸轮材料与连接技术, 其动态扭矩可达800～1000Nm , 并可降低摩擦、承受较高的阀门冲击载荷。
(8) 凸轮工作型面任意。近净成形技术可用于不同曲率的凸轮加工, 包括新型负曲率凸轮轴, 从而使复杂、难加工的凸轮轴制造变为现实, 对新型发动机的研究开发与推广应用极为有利。
(9) 可大幅度节省凸轮轴机械加工设备与工时, 尤其是节省用于凸轮加工的靠模车床、数控车床等设备; 分体零件与设备小型化也减少了设备投资和场地面积。
(10) 凸轮在芯轴上的排列可以非常紧凑, 在多气门顶置凸轮轴的加工制造方面显示出巨大的优越性。
(11) 大幅度提高凸轮轴生产的自动化及集约化程度。
连接。、液压扩管法、、,
, 利, 实现与凸轮的连接; 机械扩管法也是使轴管扩径并产生塑性变形, 但一般依靠橄榄形机械胀头完成分段扩管, 实现芯轴与凸轮的连接[4～6]。
值得注意的是, 焊接连接应尽量减少焊接变形, 并特别注意避免焊接处裂纹的发生。该方法仅限于钢质材料。烧结扩散熔接仅适用于粉末材料凸轮, 由于需要装配后整体烧结, 故必然伴有整体变形, 应特别注意尺寸精度的控制。轴管扩径要求芯轴管壁较薄以利于塑性胀形, 凸轮有足够的壁厚以承受扩管内压, 防止凸轮胀裂或变形。过盈连接方法虽然在机械零件生产中被广泛采用, 但传递的扭矩受限、抗冲击性较差, 尤其凸轮轴工作时有发热现象, 并由凸轮向轴端导热, 因此连接强度不能保证、易于失效。此外, 也有采用粘结剂粘接的事例。但这种方法由于硬化时间较长、加工繁杂, 并且对材料、粘接表面及温度、油、振动等环境与工作状态都有特殊要求。还有采用定位销、定位键完成芯轴与凸轮的结合, 但装配十分困难。也有几种方法混合使用的报道。3. 2 装配与装配设备
3 装配式凸轮轴关键技术问题
3. 1 连接技术
装配式凸轮轴的核心与技术关键为凸轮与芯
轴的连接技术。随着发动机功率及转速的不断提高, 凸轮轴承受冲击载荷与传递的动态扭矩越来越高, 凸轮与芯轴的连接强度与使用寿命已成为・476・
凸轮轴对凸轮相位角与轴向间距要求很高, 因此如何保证装配式凸轮轴的装配精度极为重要。不同的连接方法对装配设备及装配过程有不同的要求。最初使用的主要是简易调准夹具。随着液压扩管法连接技术的应用, 发展到采用机械手将凸轮与轴颈装入芯轴, 采用专用模具或复合
发动机装配式凸轮轴———极具竞争力的新技术———寇淑清 杨慎华 赵 勇等
模具作为凸轮的定位工具, 凸轮相位角与轴向间距主要靠模具型腔制造精度来保证。
目前装配过程以及装配设备向着高效率、自动化方向发展。如日本日野公司生产的装配式凸轮轴, 在装配之前将凸轮轴和轴颈中频感应加热至150℃左右, 经加热后的凸轮和轴颈顺序送至工作台的夹具上, 采用数控装配机对凸轮和轴颈按规定顺序、轴向间距与相位角要求进行装配, 最后进行凸轮铜焊连接。3. 3 凸轮的精密成形传统凸轮轴的整体铸、锻、轧制加工仍然属于粗放性的毛坯生产方式, 必须对凸轮轴凸轮、轴颈等各部位辅以大量的粗、半精、精加工。装配式凸轮轴可以采用净形(Net -shape ) 或近形(Near -net -shape ) 技术成形桃型凸轮, 如钢质凸轮冷、温精密锻造、合金铸铁凸轮精密铸造、粉末烧结材料凸轮烧结成形, 以大幅度降低制造成本, 提高生产效率。
料、钢质材料发展, 为了防止误装以及识别进排气凸轮等, 一般在精密成形的同时给出标记。
等多种汽油机、柴油机的凸轮轴均采用了装配式凸轮轴生产新工艺。
国内吉林大学也研究开发了装配式凸轮轴新型连接技术与CNC 装配机(专利技术) , 以实现高精度快速装配与高强度连接; 上海通用汽车公司采用耐磨烧结铁基合金材料凸轮与空心钢管扩管连接方法制造装配式凸轮轴, 已应用于别克轿车发动机上。
5 结语
装配式凸轮轴构思新颖、操作经济, 突破了以往凸轮轴材料、设计及制造理念的局限, 是对凸轮轴传统设计与制造技术的一次根本性变革。
装配式凸轮轴在减轻重量、大, 、凸轮轴结构形式任意、、整体刚性及扭转强度高、、敏捷制造等显著优点, 可广泛应用于汽车、铁路、船舶发动机领域, 发展前景十分广阔。
参考文献:
[1] 杜军, 刘耀辉. 铸铁凸轮轴制造技术及国内外发展
动态. 汽车工艺与材料,1999(3) :1～4
[2] 徐兴尧. 国外凸轮轴和连杆生产新工艺. 汽车工艺
4 装配式凸轮轴技术应用现状
装配式凸轮轴作为一个全新的概念, 于20世
纪80年代在发达国家汽车工业崭露头角, 并自此悄然掀起了凸轮轴制造技术的革命。美国的Torington 公司、M TS 公司、通用汽车公司等先后研究开发了装配式凸轮轴技术与装备。日本柱塞环株式会社采用粉末烧结技术生产装配式凸轮轴, 具有非常好的耐磨损及耐点蚀性能。日本精工株式会社已累计生产300万根, 其装配式凸轮轴的刚度较铸造产品提高了1. 7倍。目前, 可生产的装配式凸轮轴品种很多, 其长度范围为0122～12m , 重量为0145～12000kg 。
在汽车领域, 国外越来越多的汽车制造厂采用装配式凸轮轴新工艺与产品。如美国通用汽车公司的LN2型汽油机(直列四缸) 顶置凸轮轴、3100SFIV6型汽油机凸轮轴、六缸V 型发动机顶置凸轮轴; 福特汽车公司的GT -90型汽油机(V 型12缸) 顶置凸轮轴多点喷射; 日本日野汽车公司的J 08C 系列柴油机(直列四、六缸) 顶置凸轮轴
与材料,1996(9) :1～6
[3] 条田了, 大高秀树, 峰尾笃佳, 等. 组立式
の开发. 自动车技术会学术讲演前刷集, 东京,
1993:73～76
[4] Purohit R , Sagar R. Fabrication of a Cam Using Met 2
al Matrix Composites. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology , 2001, 17(9) :644～648
[5] Y oshikatsu N ,
Y asuyoshi E , K oichi S. Development
of an Assembled Camshaft by Mechanical Bonding. SAE Special Publications ,1996(2) :109～110[6] Harald M , Andreas K. Thermal Shrink Fit Process for
Composite Camshafts. Automotive Engineering ,1997, 105(9) :76～78
(编辑 苏卫国)
作者简介:寇淑清, 女,1962年生。吉林大学辊锻工艺研究所教授、博士。研究方向为精密高效加工技术与自动化装备, CAD/
CAE/CAM 一体化模具工程。发表论文40篇。杨慎华, 男,1949
年生。吉林大学辊锻工艺研究所教授、博士研究生导师。赵 勇, 男,1976年生。吉林大学辊锻工艺研究所助教。张 弛, 男,
1958年生。吉林大学辊锻工艺研究所副教授。
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中国机械工程第15卷第6期2004年3
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发动机装配式凸轮轴———极具竞争力的新技术
寇淑清 杨慎华 赵 勇 张 驰
吉林大学辊锻工艺研究所, 长春,130025
摘要:装配式凸轮轴采用凸轮、芯轴、轴颈等若干部件分别制造再组装成整体的新型组合设计与制造模式, 其构思新颖, 极具竞争力, 受到广泛关注。对传统凸轮轴及其加工技术进行了分析, 论述了装配式凸轮轴技术原理与优势, 探讨了凸轮
教授与芯轴的连接技术、凸轮精密成形、装配技术与设备等装配式凸轮轴关键技术问寇淑清
题, 介绍了装配式凸轮轴技术研究与应用现状。
关键词:装配式凸轮轴; 连接技术; 精密成形; 装配设备中图分类号:T K413. 4 文章编号:1004-132Ⅹ(2004) 06-0474-04E ngine Assembled C amshafts —Competitive T for C K ou Shuqing Yang Shenhua Y Jilin University , Abstract :Assembled camshafts are and technologies for camshaft manufacture because of its , features compared to conventional camshafts , which are elements in separate forming stages and fas 2tening cam lobes In the paper , the conventional camshafts as well as pro 2duction , and advantages of the assembled camshafts were discussed. Some key as methods between cam lobes and shaft , precision forming of the lobes , as 2sembly and equipment were presented. The developments and applications of the technology were introduced.
K ey w ords :assembled camshaft ; joining method ;precision forming ; assembling equipment
0 前言
凸轮轴作为发动机三大关键摩擦副之一, 工作时凸轮表面和挺杆(OHV 式) 或摇臂(OHC 式) 之间有很高的周期性接触应力和较快的相对滑动速度, 所以在凸轮表面常出现擦伤、点蚀及快速磨损等失效形式, 因此要求凸轮轴有适当的强度和韧性, 凸轮表面具有良好的耐磨性能和抗冲击性能。随着发动机功率及转速的不断提高, 对
收稿日期:2003—04—22
基金项目“:十五”国家科技攻关项目(2003BA213C ) ; 吉林省科技攻关项目(20010330)
凸轮轴运动的平稳性、动平衡、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求。同时在保证凸轮轴高强度与可靠性的前提下, 凸轮轴的设计制造应具有结构紧凑、重量轻、材料优化、加工流程简化的特点, 以达到轻量化、低成本的目的。
1 传统凸轮轴加工方式及其问题
传统的凸轮轴制造方法主要是采用整体铸造或整体锻造凸轮轴毛坯, 然后切削加工生产, 个别也有采用碳钢坯料直接切削加工制造。凸轮轴常用材质有45钢、球铁和合金铸铁。
参考文献:
[1] 卢长耿, 李金良. 液压控制系统的分析与设计. 北
作者简介:王传礼, 男,1964年生。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室博士研究生, 安徽理工大学机械工程系副教授。研究方向为流体传动与控制技术及新型功能材料的应用。发表论文20余篇。丁 凡, 男,1952年生。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室教授、博士研究生导师。李其朋, 男,1976年生。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室博士研究生。杨奇顺, 男,1952年生。安徽理工大学机械工程系副教授。
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[2] 刘长年. 液压伺服系统优化设计理论. 北京:冶金
工业出版社, 1989
[3] 王传礼, 许贤良. 阀控非对称液压缸机构建模探
讨. 矿山机械, 1998(7) :66～68
[4] 薛定宇. 控制系统计算机辅助设计MA TLAB 语言
及仿真. 北京:清华大学出版社, 2001
(编辑 苏卫国)
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发动机装配式凸轮轴———极具竞争力的新技术———寇淑清 杨慎华 赵
勇等
1. 1 铸造凸轮轴毛坯
凸轮轴对凸轮部分的耐磨性能要求很高, 在当前国内外轿车和中轻型汽车凸轮轴生产中, 铸铁材料尤其是合金铸铁材料应用较为广泛[1]。凸轮轴对动平衡要求严格, 因而对其尺寸和形状精度要求较高, 对铸造模具的设计、铸型精度以及铸型的硬度和刚性要求较高。
为增强凸轮的耐磨性能, 国内外主要采用激冷法、淬火法和重熔法三种措施。激冷法生产工序少、耗能少、成本低, 但凸轮轴尺寸精度低, 加工余量大, 不适合大批量流水线作业。淬火法常用于含有合金元素的可淬硬铸铁, 需要专门的设备, 耗能大、成本高。重熔法对原始组织, 特别是石墨片的大小要求较高, 且需要专门的设备, 耗能大、成本高。
1. 2 锻造凸轮轴毛坯
造出凸轮密布排列的紧凑结构凸轮轴。
(3) 传统方法制造凸轮轴需大量的机械加工工序, 耗费大量的机械加工工时、机床、刀具、夹具以及设备操作人员和设备作业面积, 在降低生产成本方面较难有新的突破。
(4) 各种传统加工技术均需要对凸轮表面进行耐磨性强化处理, 如铸造凸轮轴的激冷、淬火或重熔, 锻造凸轮轴的表面渗碳淬火等, 都是对整体凸轮轴进行的凸轮表面处理, 必然伴有变形发生, 因此必须进行整体校直, 且绝大多数采用人工校直, 费时费力且不易保证精度。此外, 凸轮型面的机械加工较难进行, 也是影响加工质量的重要因素。
(5) 传统方法制造凸轮轴, 成废屑, 。
(6) , 自碳钢材料的凸轮轴一般采用整体热锻成形, 凸轮部分采用高频淬火处理, 动机上。好, () , OHC ) 的实例。
, 一般轧制成阶梯轴, 凸轮形状无法轧制。楔横轧工艺制坯易在轴向中心处出现疏松或裂纹。此外, 具有众多密集台阶的多缸凸轮轴毛坯采用轧制工艺困难很大。
1. 3 凸轮轴后续切削加工
装配式凸轮轴(亦称组合式轮轴) 是将凸轮轴
分成凸轮、芯轴、轴颈等若干个可装配件(见图2) , 分别进行材料优化及精益加工, 再组装成整体
凸轮轴的新型组合设计与现代制造模式。
由于凸轮轮廓制造精度与表面质量是影响气门开闭间隙的大小、配气效率、凸轮轴运动的平稳性、发动机运转噪声等的主要因素, 因此整体铸造或锻造的凸轮轴毛坯必须辅以大量的后续切削加工与处理。以锻造凸轮轴为例, 图1给出传统凸轮轴的主要加工工艺流程。
→→→→
→→→→→图2 装配式凸轮轴结构
凸轮一般采用碳钢或粉末烧结材料, 芯轴则
采用冷拔无缝钢管。碳钢凸轮可进行精密塑性成形, 并进行高频淬火或渗碳处理[2,3]。装配式凸轮轴主要加工工艺流程见图
3。
图1 传统凸轮轴的主要加工工艺
1. 4 传统凸轮轴存在的主要问题
(1) 在配气机构中, 对凸轮轴的各个部位性能
要求有很大不同:凸轮要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀; 轴颈要求滑动性能好; 芯轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。传统凸轮轴很难同时满足上述要求, 材料利用不尽合理。
(2) 传统的整体铸造或锻造生产模式很难制
图3 装配式凸轮轴主要加工工艺
与传统凸轮轴加工方法相比, 装配式加工技
术有如下优势:
(1) 可实现柔性设计、柔性生产与敏捷制造。
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中国机械工程第15卷第6期2004年3月下半月
在装配过程中, 可实现凸轮相位角与轴向位置的控制、调整与修正, 有利于新产品的设计与制造, 缩短新产品研制周期。
(2) 有利于材料分体优化与凸轮轴结构形式选择。可根据配气机构对凸轮轴各个部位的性能的要求不同, 在同一凸轮轴上合理选择不同的凸轮、轴颈与芯轴材料。保证其扭转强度、刚度、弯曲性能、耐磨性等要求。
(3) 采用近净成形工艺成形凸轮, 可大幅度降低制造成本。可视具体材料及形状要求, 采用冷精密塑性成形、粉末冶金烧结、精密铸造等工艺精密成形凸轮, 减少昂贵的凸轮切削加工过程, 节省工时、降低成本。
(4) 空心管芯轴、凸轮材料的优化及精密成形技术的应用, 可使凸轮轴整体重量降低20%～40%, 节约材料可达30%以上。
(5) 可针对不同零件采用最适宜的热处理技
装配式凸轮轴最为重要的技术指标。
装配式凸轮轴的连接方式主要有焊接、烧结和机械连接三种, 见图4。焊接连接将凸轮装于轴上, 沿凸轮一周或部分弧段将凸轮与轴焊接在一起。烧结连接是将钢管插入粉末冶金凸轮中, 然后放入烧结炉内, 利用烧结扩散使凸轮与芯轴
图4 装配式凸轮轴连接种类
术与表面强化技术, 面抗点蚀能力和耐磨性, , 造精度、(6) , 并装配集成, 降低装配工时与装配成本。
(7) 提高凸轮轴整体刚度。针对不同的凸轮材料与连接技术, 其动态扭矩可达800～1000Nm , 并可降低摩擦、承受较高的阀门冲击载荷。
(8) 凸轮工作型面任意。近净成形技术可用于不同曲率的凸轮加工, 包括新型负曲率凸轮轴, 从而使复杂、难加工的凸轮轴制造变为现实, 对新型发动机的研究开发与推广应用极为有利。
(9) 可大幅度节省凸轮轴机械加工设备与工时, 尤其是节省用于凸轮加工的靠模车床、数控车床等设备; 分体零件与设备小型化也减少了设备投资和场地面积。
(10) 凸轮在芯轴上的排列可以非常紧凑, 在多气门顶置凸轮轴的加工制造方面显示出巨大的优越性。
(11) 大幅度提高凸轮轴生产的自动化及集约化程度。
连接。、液压扩管法、、,
, 利, 实现与凸轮的连接; 机械扩管法也是使轴管扩径并产生塑性变形, 但一般依靠橄榄形机械胀头完成分段扩管, 实现芯轴与凸轮的连接[4～6]。
值得注意的是, 焊接连接应尽量减少焊接变形, 并特别注意避免焊接处裂纹的发生。该方法仅限于钢质材料。烧结扩散熔接仅适用于粉末材料凸轮, 由于需要装配后整体烧结, 故必然伴有整体变形, 应特别注意尺寸精度的控制。轴管扩径要求芯轴管壁较薄以利于塑性胀形, 凸轮有足够的壁厚以承受扩管内压, 防止凸轮胀裂或变形。过盈连接方法虽然在机械零件生产中被广泛采用, 但传递的扭矩受限、抗冲击性较差, 尤其凸轮轴工作时有发热现象, 并由凸轮向轴端导热, 因此连接强度不能保证、易于失效。此外, 也有采用粘结剂粘接的事例。但这种方法由于硬化时间较长、加工繁杂, 并且对材料、粘接表面及温度、油、振动等环境与工作状态都有特殊要求。还有采用定位销、定位键完成芯轴与凸轮的结合, 但装配十分困难。也有几种方法混合使用的报道。3. 2 装配与装配设备
3 装配式凸轮轴关键技术问题
3. 1 连接技术
装配式凸轮轴的核心与技术关键为凸轮与芯
轴的连接技术。随着发动机功率及转速的不断提高, 凸轮轴承受冲击载荷与传递的动态扭矩越来越高, 凸轮与芯轴的连接强度与使用寿命已成为・476・
凸轮轴对凸轮相位角与轴向间距要求很高, 因此如何保证装配式凸轮轴的装配精度极为重要。不同的连接方法对装配设备及装配过程有不同的要求。最初使用的主要是简易调准夹具。随着液压扩管法连接技术的应用, 发展到采用机械手将凸轮与轴颈装入芯轴, 采用专用模具或复合
发动机装配式凸轮轴———极具竞争力的新技术———寇淑清 杨慎华 赵 勇等
模具作为凸轮的定位工具, 凸轮相位角与轴向间距主要靠模具型腔制造精度来保证。
目前装配过程以及装配设备向着高效率、自动化方向发展。如日本日野公司生产的装配式凸轮轴, 在装配之前将凸轮轴和轴颈中频感应加热至150℃左右, 经加热后的凸轮和轴颈顺序送至工作台的夹具上, 采用数控装配机对凸轮和轴颈按规定顺序、轴向间距与相位角要求进行装配, 最后进行凸轮铜焊连接。3. 3 凸轮的精密成形传统凸轮轴的整体铸、锻、轧制加工仍然属于粗放性的毛坯生产方式, 必须对凸轮轴凸轮、轴颈等各部位辅以大量的粗、半精、精加工。装配式凸轮轴可以采用净形(Net -shape ) 或近形(Near -net -shape ) 技术成形桃型凸轮, 如钢质凸轮冷、温精密锻造、合金铸铁凸轮精密铸造、粉末烧结材料凸轮烧结成形, 以大幅度降低制造成本, 提高生产效率。
料、钢质材料发展, 为了防止误装以及识别进排气凸轮等, 一般在精密成形的同时给出标记。
等多种汽油机、柴油机的凸轮轴均采用了装配式凸轮轴生产新工艺。
国内吉林大学也研究开发了装配式凸轮轴新型连接技术与CNC 装配机(专利技术) , 以实现高精度快速装配与高强度连接; 上海通用汽车公司采用耐磨烧结铁基合金材料凸轮与空心钢管扩管连接方法制造装配式凸轮轴, 已应用于别克轿车发动机上。
5 结语
装配式凸轮轴构思新颖、操作经济, 突破了以往凸轮轴材料、设计及制造理念的局限, 是对凸轮轴传统设计与制造技术的一次根本性变革。
装配式凸轮轴在减轻重量、大, 、凸轮轴结构形式任意、、整体刚性及扭转强度高、、敏捷制造等显著优点, 可广泛应用于汽车、铁路、船舶发动机领域, 发展前景十分广阔。
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4 装配式凸轮轴技术应用现状
装配式凸轮轴作为一个全新的概念, 于20世
纪80年代在发达国家汽车工业崭露头角, 并自此悄然掀起了凸轮轴制造技术的革命。美国的Torington 公司、M TS 公司、通用汽车公司等先后研究开发了装配式凸轮轴技术与装备。日本柱塞环株式会社采用粉末烧结技术生产装配式凸轮轴, 具有非常好的耐磨损及耐点蚀性能。日本精工株式会社已累计生产300万根, 其装配式凸轮轴的刚度较铸造产品提高了1. 7倍。目前, 可生产的装配式凸轮轴品种很多, 其长度范围为0122～12m , 重量为0145～12000kg 。
在汽车领域, 国外越来越多的汽车制造厂采用装配式凸轮轴新工艺与产品。如美国通用汽车公司的LN2型汽油机(直列四缸) 顶置凸轮轴、3100SFIV6型汽油机凸轮轴、六缸V 型发动机顶置凸轮轴; 福特汽车公司的GT -90型汽油机(V 型12缸) 顶置凸轮轴多点喷射; 日本日野汽车公司的J 08C 系列柴油机(直列四、六缸) 顶置凸轮轴
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(编辑 苏卫国)
作者简介:寇淑清, 女,1962年生。吉林大学辊锻工艺研究所教授、博士。研究方向为精密高效加工技术与自动化装备, CAD/
CAE/CAM 一体化模具工程。发表论文40篇。杨慎华, 男,1949
年生。吉林大学辊锻工艺研究所教授、博士研究生导师。赵 勇, 男,1976年生。吉林大学辊锻工艺研究所助教。张 弛, 男,
1958年生。吉林大学辊锻工艺研究所副教授。
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