凸輪軸的發(fā)展趨勢
2017-07-18
凸輪軸是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中重要的零件，凸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工質(zhì)量好壞，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。近年來，因環(huán)境保護(hù)的需要，正在開發(fā)低油耗、低污染的發(fā)動(dòng)機(jī)。為了解決汽車尾氣排放問題，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高輸出功率，許多發(fā)動(dòng)機(jī)采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結(jié)構(gòu)，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時(shí)，為了降低油耗及摩擦損耗，凸輪與搖臂間采用滾子結(jié)構(gòu)，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區(qū)，這對凸輪軸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、動(dòng)平衡、耐磨性能及抗扭強(qiáng)度提出了更高的要求。另外，為了達(dá)到汽車輕型化、低成本的目的，在不影響各個(gè)零件性能要求的前提下，應(yīng)該使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使用也更趨合理。
凸輪軸的構(gòu)造：
凸輪軸的主體是一根與氣缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個(gè)凸輪，另一端與驅(qū)動(dòng)輪相連接。
凸輪的側(cè)面呈雞蛋形。其設(shè)計(jì)的目的在于保證氣缸充分的進(jìn)氣和排氣，盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成氣門的開、閉動(dòng)作。另外考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性和運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，氣門也不能因開閉動(dòng)作中的減速過程產(chǎn)生過多過大的沖擊，否則就會(huì)造成氣門的嚴(yán)重磨損、噪聲增加或者其它嚴(yán)重后果。因此，凸輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩輸出以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性有很直接的關(guān)系。
一般來說，直列式發(fā)動(dòng)機(jī)中，一個(gè)凸輪就對應(yīng)一個(gè)氣門。V型發(fā)動(dòng)機(jī)或水平對置式發(fā)動(dòng)機(jī)則是每兩個(gè)氣門共享一個(gè)凸輪。而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和無閥配氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于其特殊的結(jié)構(gòu)，并不需要凸輪。
為了實(shí)現(xiàn)輕量化，易于加工且低成本，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)部件，尤其是凸輪軸的設(shè)計(jì)重新考慮，要求其結(jié)構(gòu)緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力。在目前的凸輪軸應(yīng)用中，已經(jīng)將缸蓋潤滑系統(tǒng)集中于中空式凸輪軸，將實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴的燃油泵驅(qū)動(dòng)組件在凸輪軸上實(shí)現(xiàn)，將VVT(可變正時(shí)氣門)在凸輪軸尾端使用。在配氣機(jī)構(gòu)中，對凸輪軸各個(gè)部位的性能要求是不同的。對于凸輪和燃油泵驅(qū)動(dòng)輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點(diǎn)蝕；對于軸頸要求滑動(dòng)性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能好。
凸輪軸種類：
傳統(tǒng)式凸輪軸大多是由鑄造或鍛造生產(chǎn)，個(gè)別也有用碳鋼切削加工制造。鑄造式凸輪軸主要有冷硬鑄鐵、淬火鑄鐵等。為了減輕重量，有些凸輪軸采用型芯鑄造，使軸呈空心狀。在日本以冷硬鑄鐵凸輪軸為主，在美國以淬火鑄鐵凸輪軸為主。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)性能更好，近年開發(fā)了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但因成本等原因其應(yīng)用范圍于個(gè)別領(lǐng)域。
鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進(jìn)行熱鍛，凸輪部分采用高頻淬火處理，主要應(yīng)用于大中型發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于其耐點(diǎn)蝕性能較好，多與氣門頂置式（OHV）機(jī)構(gòu)的挺桿組合使用，也有與搖臂配合應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪上置式（OHC）結(jié)構(gòu)上。由于鍛造式凸輪軸無法實(shí)現(xiàn)輕量化，發(fā)展?jié)摿^小。
鑄造凸輪軸生產(chǎn)工藝為冷激鑄鐵。冷激鑄鐵產(chǎn)品，歐美國早在上世紀(jì)二十年代初已經(jīng)開始研制，廣泛推廣于上世紀(jì)六、七十年代，八十年代技術(shù)完全成熟。冷激鑄鐵產(chǎn)品以其低成本、高性能的顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)上。在國外，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中有百分之43～百分之447汽油機(jī)、柴油機(jī)采用冷激鑄鐵作為凸輪軸材料，冷激鑄鐵普遍作為凸輪軸材料以其低成本、高性能的顯著特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。
冷激鑄鐵凸輪軸的性能及應(yīng)用：
冷激鑄鐵由于具有高硬度的碳化物組織而具有良好的抗磨性和抗擦傷性。冷激鑄鐵中的白口層是萊氏體組織，在常溫下是珠光體和碳化物的機(jī)械混合物，由于含有大量的碳化物，它起一個(gè)骨架作用。硬度較高，而萊氏體中的球光體起到儲(chǔ)油作用。
冷激鑄鐵凸輪軸是在HT250基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素，經(jīng)過特殊的鑄造成型工藝鑄造而成。合金元素的加入提高了凸輪軸基體硬度和綜合機(jī)械性能，大大提高耐磨性。冷激鑄鐵凸輪軸的機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度ób>250N/mm2；硬度 HRC58～54；耐磨層深度達(dá) 6～10mm。
由于目前采用的球墨鑄鐵和45#鋼采用等溫淬火或高頻淬火獲得馬氏體組織。高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，凸輪桃尖部位出現(xiàn)早期磨損，而冷激鑄鐵采用特殊的成型工藝，不需熱處理。凸輪軸各部位即能得到所需的不同硬度值。桃尖部位的磨損量僅為球墨鑄鐵和45#鋼的1/7，同時(shí)具有降低加工成本，提高經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。
為了減輕重量，凸輪軸芯鑄成中空圓柱或者中空異型狀成為發(fā)展趨勢。中空圓柱或者中空異型狀對加工設(shè)備和生產(chǎn)材料提出了很高的要求，如對磨床等設(shè)備的加工精度和穩(wěn)定性要求很高。
作為優(yōu)化整個(gè)氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要素，組合式凸輪軸的發(fā)展正成為趨勢。組合式凸輪軸由鋼管和裝配于其上的凸輪節(jié)組成，而凸輪節(jié)的材料可以是鋼或粉末金屬材料。
裝配式凸輪軸的發(fā)展前景：
由于傳統(tǒng)的凸輪軸主要是鑄造或鍛造加工而成，各個(gè)部位金屬性能相似。這種凸輪軸很難同時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)對凸輪軸各個(gè)部位不同性能的要求，凸輪的排列也不可能緊湊，材料利用不盡合理，后續(xù)加工復(fù)雜，在輕量化、功能高度集中和降低成本方面難有新的突破。
隨著汽車輕量化發(fā)展，凸輪軸向輕量化、功能高度集中和低成本方向發(fā)展，裝配凸輪軸的優(yōu)勢逐漸被人們認(rèn)可和接受。
裝配式凸輪軸的軸和凸輪分開制造，然后裝配在一起。凸輪一般采用碳鋼或粉末冶金材料，軸頸采用粉末冶金件或集中于芯軸的鋼管上，芯軸則采用冷拔薄壁無縫鋼管。碳鋼凸輪可進(jìn)行高頻淬火或滲碳處理，具有較高的耐膠著、耐點(diǎn)蝕性能。
在設(shè)計(jì)方面裝配式凸輪軸可將凸輪寬度設(shè)計(jì)較窄，間隔亦可很小，凸輪的排列非常緊湊。它與傳統(tǒng)凸輪軸相比具有重量輕、加工成本低、材料利用合理等優(yōu)點(diǎn)，與實(shí)心軸凸輪軸相比，重量減輕多達(dá)45％。
裝配式凸輪軸的關(guān)鍵技術(shù)是連接方法，因其連接方法不同而決定制造工藝及設(shè)備。裝配式凸輪軸始于上個(gè)世紀(jì)80年代，研制開發(fā)的是焊接連接式凸輪軸。上個(gè)世紀(jì)80年代中期燒結(jié)連接式凸輪軸投入使用，同期出現(xiàn)了擴(kuò)管法生產(chǎn)的凸輪軸。上世紀(jì)90年代后期滾花連接式凸輪軸開始研制。隨著新的連接方法的出現(xiàn)，裝配式凸輪軸制造技術(shù)也不斷地被更新。
凸輪軸的構(gòu)造：
凸輪軸的主體是一根與氣缸組長度相同的圓柱形棒體。上面套有若干個(gè)凸輪，另一端與驅(qū)動(dòng)輪相連接。
凸輪的側(cè)面呈雞蛋形。其設(shè)計(jì)的目的在于保證氣缸充分的進(jìn)氣和排氣，盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成氣門的開、閉動(dòng)作。另外考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性和運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性，氣門也不能因開閉動(dòng)作中的減速過程產(chǎn)生過多過大的沖擊，否則就會(huì)造成氣門的嚴(yán)重磨損、噪聲增加或者其它嚴(yán)重后果。因此，凸輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩輸出以及運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性有很直接的關(guān)系。
一般來說，直列式發(fā)動(dòng)機(jī)中，一個(gè)凸輪就對應(yīng)一個(gè)氣門。V型發(fā)動(dòng)機(jī)或水平對置式發(fā)動(dòng)機(jī)則是每兩個(gè)氣門共享一個(gè)凸輪。而轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)和無閥配氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于其特殊的結(jié)構(gòu)，并不需要凸輪。
為了實(shí)現(xiàn)輕量化，易于加工且低成本，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)部件，尤其是凸輪軸的設(shè)計(jì)重新考慮，要求其結(jié)構(gòu)緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力。在目前的凸輪軸應(yīng)用中，已經(jīng)將缸蓋潤滑系統(tǒng)集中于中空式凸輪軸，將實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)直噴的燃油泵驅(qū)動(dòng)組件在凸輪軸上實(shí)現(xiàn)，將VVT(可變正時(shí)氣門)在凸輪軸尾端使用。在配氣機(jī)構(gòu)中，對凸輪軸各個(gè)部位的性能要求是不同的。對于凸輪和燃油泵驅(qū)動(dòng)輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點(diǎn)蝕；對于軸頸要求滑動(dòng)性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉(zhuǎn)性能好。
凸輪軸種類：
傳統(tǒng)式凸輪軸大多是由鑄造或鍛造生產(chǎn)，個(gè)別也有用碳鋼切削加工制造。鑄造式凸輪軸主要有冷硬鑄鐵、淬火鑄鐵等。為了減輕重量，有些凸輪軸采用型芯鑄造，使軸呈空心狀。在日本以冷硬鑄鐵凸輪軸為主，在美國以淬火鑄鐵凸輪軸為主。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)性能更好，近年開發(fā)了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但因成本等原因其應(yīng)用范圍于個(gè)別領(lǐng)域。
鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進(jìn)行熱鍛，凸輪部分采用高頻淬火處理，主要應(yīng)用于大中型發(fā)動(dòng)機(jī)上。由于其耐點(diǎn)蝕性能較好，多與氣門頂置式（OHV）機(jī)構(gòu)的挺桿組合使用，也有與搖臂配合應(yīng)用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪上置式（OHC）結(jié)構(gòu)上。由于鍛造式凸輪軸無法實(shí)現(xiàn)輕量化，發(fā)展?jié)摿^小。
鑄造凸輪軸生產(chǎn)工藝為冷激鑄鐵。冷激鑄鐵產(chǎn)品，歐美國早在上世紀(jì)二十年代初已經(jīng)開始研制，廣泛推廣于上世紀(jì)六、七十年代，八十年代技術(shù)完全成熟。冷激鑄鐵產(chǎn)品以其低成本、高性能的顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)上。在國外，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中有百分之43～百分之447汽油機(jī)、柴油機(jī)采用冷激鑄鐵作為凸輪軸材料，冷激鑄鐵普遍作為凸輪軸材料以其低成本、高性能的顯著特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。
冷激鑄鐵凸輪軸的性能及應(yīng)用：
冷激鑄鐵由于具有高硬度的碳化物組織而具有良好的抗磨性和抗擦傷性。冷激鑄鐵中的白口層是萊氏體組織，在常溫下是珠光體和碳化物的機(jī)械混合物，由于含有大量的碳化物，它起一個(gè)骨架作用。硬度較高，而萊氏體中的球光體起到儲(chǔ)油作用。
冷激鑄鐵凸輪軸是在HT250基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素，經(jīng)過特殊的鑄造成型工藝鑄造而成。合金元素的加入提高了凸輪軸基體硬度和綜合機(jī)械性能，大大提高耐磨性。冷激鑄鐵凸輪軸的機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度ób>250N/mm2；硬度 HRC58～54；耐磨層深度達(dá) 6～10mm。
由于目前采用的球墨鑄鐵和45#鋼采用等溫淬火或高頻淬火獲得馬氏體組織。高速運(yùn)轉(zhuǎn)后，凸輪桃尖部位出現(xiàn)早期磨損，而冷激鑄鐵采用特殊的成型工藝，不需熱處理。凸輪軸各部位即能得到所需的不同硬度值。桃尖部位的磨損量僅為球墨鑄鐵和45#鋼的1/7，同時(shí)具有降低加工成本，提高經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)。
為了減輕重量，凸輪軸芯鑄成中空圓柱或者中空異型狀成為發(fā)展趨勢。中空圓柱或者中空異型狀對加工設(shè)備和生產(chǎn)材料提出了很高的要求，如對磨床等設(shè)備的加工精度和穩(wěn)定性要求很高。
作為優(yōu)化整個(gè)氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本要素，組合式凸輪軸的發(fā)展正成為趨勢。組合式凸輪軸由鋼管和裝配于其上的凸輪節(jié)組成，而凸輪節(jié)的材料可以是鋼或粉末金屬材料。
裝配式凸輪軸的發(fā)展前景：
由于傳統(tǒng)的凸輪軸主要是鑄造或鍛造加工而成，各個(gè)部位金屬性能相似。這種凸輪軸很難同時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)對凸輪軸各個(gè)部位不同性能的要求，凸輪的排列也不可能緊湊，材料利用不盡合理，后續(xù)加工復(fù)雜，在輕量化、功能高度集中和降低成本方面難有新的突破。
隨著汽車輕量化發(fā)展，凸輪軸向輕量化、功能高度集中和低成本方向發(fā)展，裝配凸輪軸的優(yōu)勢逐漸被人們認(rèn)可和接受。
裝配式凸輪軸的軸和凸輪分開制造，然后裝配在一起。凸輪一般采用碳鋼或粉末冶金材料，軸頸采用粉末冶金件或集中于芯軸的鋼管上，芯軸則采用冷拔薄壁無縫鋼管。碳鋼凸輪可進(jìn)行高頻淬火或滲碳處理，具有較高的耐膠著、耐點(diǎn)蝕性能。
在設(shè)計(jì)方面裝配式凸輪軸可將凸輪寬度設(shè)計(jì)較窄，間隔亦可很小，凸輪的排列非常緊湊。它與傳統(tǒng)凸輪軸相比具有重量輕、加工成本低、材料利用合理等優(yōu)點(diǎn)，與實(shí)心軸凸輪軸相比，重量減輕多達(dá)45％。
裝配式凸輪軸的關(guān)鍵技術(shù)是連接方法，因其連接方法不同而決定制造工藝及設(shè)備。裝配式凸輪軸始于上個(gè)世紀(jì)80年代，研制開發(fā)的是焊接連接式凸輪軸。上個(gè)世紀(jì)80年代中期燒結(jié)連接式凸輪軸投入使用，同期出現(xiàn)了擴(kuò)管法生產(chǎn)的凸輪軸。上世紀(jì)90年代后期滾花連接式凸輪軸開始研制。隨著新的連接方法的出現(xiàn)，裝配式凸輪軸制造技術(shù)也不斷地被更新。
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