凸轮轴的发展趋势

日期：2020/5/13 15:32:56

　　凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响着发动机的性能。近年来，因环境保护的需要，正在开发低油耗、低污染的发动机。为了解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为了降低油耗及摩擦损耗，凸轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区，这对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。另外，为了达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使用也更趋合理。
　　凸轮轴的构造
　　凸轮轴的主体是一根与气缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，另一端与驱动轮相连接。
　　凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证气缸充分的进气和排气，尽可能在短时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或者其它严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。
　　一般来说，直列式发动机中，一个凸轮就对应一个气门。V型发动机或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而转子发动机和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。
　　为了实现轻量化，易于加工且低成本，以及发动机的高转速、高输出功率，发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结构紧凑、功能高度集中、重量轻，能承受更高的接触压力。在目前的凸轮轴应用中，已经将缸盖润滑系统集中于中空式凸轮轴，将实现缸内直喷的燃油泵驱动组件在凸轮轴上实现，将VVT(可变正时气门)在凸轮轴尾端使用。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮和燃油泵驱动轮，要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀；对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。
　　凸轮轴种类
　　传统式凸轮轴大多是由铸造或锻造生产，个别也有用碳钢切削加工制造。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁、淬火铸铁等。为了减轻重量，有些凸轮轴采用型芯铸造，使轴呈空心状。在日本以冷硬铸铁凸轮轴为主，在美国以淬火铸铁凸轮轴为主。为了使发动机性能更好，近年开发了重融冷硬铸铁、淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但因成本等原因其应用范围仅限于个别领域。
　　锻造式凸轮轴以碳钢为主进行热锻，凸轮部分采用高频淬火处理，主要应用于大中型发动机上。由于其耐点蚀性能较好，多与气门顶置式（OHV）机构的挺杆组合使用，也有与摇臂配合应用于柴油发动机凸轮上置式（OHC）结构上。由于锻造式凸轮轴无法实现轻量化，发展潜力较小。
　　铸造凸轮轴生产工艺为冷激铸铁。冷激铸铁产品，欧美国家早在上世纪二十年代初已经开始研制，广泛推广于上世纪六、七十年代，八十年代技术完全成熟。冷激铸铁产品以其低成本、高性能的显著特点，广泛应用于内燃机上。在国外，内燃机行业中有43%～47%汽油机、柴油机采用冷激铸铁作为凸轮轴材料，冷激铸铁普遍作为凸轮轴材料以其低成本、高性能的显著特点，得到了广泛的应用。
　　冷激铸铁凸轮轴的性能及应用
　　冷激铸铁由于具有高硬度的碳化物组织而具有良好的抗磨性和抗擦伤性。冷激铸铁中的白口层是莱氏体组织，在常温下是珠光体和碳化物的机械混合物，由于含有大量的碳化物，它起一个骨架作用。硬度较高，而莱氏体中的球光体起到储油作用。
　　冷激铸铁凸轮轴是在HT250基础上加入一定量的合金元素，经过特殊的铸造成型工艺铸造而成。合金元素的加入提高了凸轮轴基体硬度和综合机械性能，大大提高耐磨性。冷激铸铁凸轮轴的机械性能：抗拉强度ób>250N/mm2；硬度 HRC48～54；耐磨层深度达 6～10mm。
　　由于目前采用的球墨铸铁和45#钢采用等温淬火或高频淬火获得马氏体组织。高速运转后，凸轮桃尖部位出现早期磨损，而冷激铸铁采用特殊的成型工艺，不需热处理。凸轮轴各部位即能得到所需的不同硬度值。桃尖部位的磨损量仅为球墨铸铁和45#钢的1/7，同时具有降低加工成本，提高经济性等优点。
　　为了减轻重量，凸轮轴芯铸成中空圆柱或者中空异型状成为发展趋势。中空圆柱或者中空异型状对加工设备和生产材料提出了很高的要求，如对磨床等设备的加工精度和稳定性要求很高。
　　作为优化整个气门驱动系统的基本要素，组合式凸轮轴的发展正成为趋势。组合式凸轮轴由精密钢管和装配于其上的凸轮节组成，而凸轮节的材料可以是钢或粉末金属材料。
　　装配式凸轮轴的发展前景
　　由于传统的凸轮轴主要是铸造或锻造加工而成，各个部位金属性能相似。这种凸轮轴很难同时保证发动机配气机构对凸轮轴各个部位不同性能的要求，凸轮的排列也不可能紧凑，材料利用不尽合理，后续加工复杂，在轻量化、功能高度集中和降低成本方面难有新的突破。
　　随着汽车轻量化发展，凸轮轴向轻量化、功能高度集中和低成本方向发展，装配凸轮轴的优势逐渐被人们认可和接受。
　　装配式凸轮轴的轴和凸轮分开制造，然后装配在一起。凸轮一般采用碳钢或粉末冶金材料，轴颈采用粉末冶金件或集中于芯轴的钢管上，芯轴则采用冷拔薄壁无缝钢管。碳钢凸轮可进行高频淬火或渗碳处理，具有较高的耐胶着、耐点蚀性能。
　　在设计方面装配式凸轮轴可将凸轮宽度设计较窄，间隔亦可很小，凸轮的排列非常紧凑。它与传统凸轮轴相比具有重量轻、加工成本低、材料利用合理等优点，与实心轴凸轮轴相比，重量减轻多达45％。
　　装配式凸轮轴的关键技术是连接方法，因其连接方法不同而决定制造工艺及设备。装配式凸轮轴始于上个世纪80年代，最先研制开发的是焊接连接式凸轮轴。上个世纪80年代中期烧结连接式凸轮轴投入使用，同期出现了扩管法生产的凸轮轴。上世纪90年代后期滚花连接式凸轮轴开始研制。随着新的连接方法的出现，装配式凸轮轴制造技术也不断地被更新。
　　焊接连接式凸轮轴由于焊接时容易产生热变形，使凸轮轴的尺寸精度降低，激烈的热变化也容易使焊接部位产生裂纹，质量难以保证；烧结连接式凸轮轴在进行粉末烧结成型凸轮的同时，凸轮又要在液相状态下与钢管扩散连接，此过程必须在1000℃以上烧结炉内进行，在高温下轴容易产生弯曲，造成尺寸精度误差，而且在烧结时，对材料的性能也有限制，需要大型烧结炉，热效率不高；扩管法首先使凸轮与钢管配合，然后从管内侧加液压或机械扩管，为承受扩管内压，凸轮壁要有一定的厚度，同时，为了使扩管容易进行，必须使用薄壁钢管，且由于高压作业的特殊要求，也使其设备大型化；冷热套过盈连接法虽然在机械零件生产中被广泛应用，但在凸轮轴生产中未必合适，因为在凸轮与轴热套连接时，凸轮被加热，产生软化现象，难以保证摩擦时的耐磨性，许多凸轮在工作时，会向轴端导热，使得工作初始与完了时的连接过盈量发生变化，连接器度不能保持一致；滚花法在可靠性、精度、设备、能耗等方面都有一定的优越性。
　　进一步开发组合式凸轮轴的重点将在于开发材料及优化加工工艺。市场上目前正在大力开发应用复合材料，例如陶瓷材料等制造凸轮轴。马勒公司正在进行组合式凸轮轴的扩展功能研发。比如燃油泵启动件和传感器组件的集成也日渐受到青睐。SOHC凸轮轴上进气口或出气口凸轮节的同步可通过马勒CamInCam?嵌套式凸轮轴来实现。
　　装配式凸轮轴目前以较快的速度发展，主要应用于高性能的发动机上。随着装配式凸轮轴生产技术的提高，性能会更好、成本更低、技术多样化的装配式凸轮轴将会涌现出来。