高光輝

摘 要：介紹CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動機凸輪軸研發(fā)項目的研發(fā)過程；對凸輪軸關鍵技術問題進行了分析，提出了凸輪軸制造采用MATLAB數(shù)學處理軟件對凸輪型線進行優(yōu)化設計、楔橫精軋工藝、CBN砂輪剝皮磨削新工藝和創(chuàng)新凸輪軸結構設計等解決問題的方案；對凸輪軸研發(fā)項目的技術質(zhì)量指標、經(jīng)濟及社會效益進行了分析，項目實施促使我國汽車發(fā)動機關鍵零部件的設計和制造技術達到國外先進水平，項目產(chǎn)品填補國內(nèi)空白并替代了同類產(chǎn)品的進口。

關鍵詞：CNG雙燃料 凸輪軸 楔橫精軋 剝皮磨削

中圖分類號：S97 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0039-02

CNG雙燃料發(fā)動機既能在汽油與天然氣雙燃料狀態(tài)下工作，又能在純汽油狀態(tài)下正常工作，還能便捷實現(xiàn)汽油和雙燃料之間轉換。既具備普通汽油機的優(yōu)良性能，還具有低排放、低燃料使用費、噪音低、高可靠性等顯著特點。安徽金光機械集團與長春一汽四環(huán)發(fā)動機公司合作，共同研發(fā)CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動機配氣系統(tǒng)的關鍵零部件——凸輪軸，筆者參與了該研發(fā)項目的產(chǎn)品研發(fā)和鑒定，提出了關鍵技術解決方案。

1 研發(fā)過程

（1）前期策劃：按照ISO/TS16949標準要求，對該項目實施先期策劃（APQP）。對顧客的圖紙進行評審，擬定產(chǎn)品/過程特性初始清單，確定可靠性和質(zhì)量目標。

（2）過程設計：按公司產(chǎn)品防銹包裝標準制定包裝要求，編制工藝流程圖及過程潛在的失效模式（PFMEA），擬訂新增設備、工裝及檢具清單，制定樣件控制計劃。

（3）產(chǎn)品和過程確認：編制試生產(chǎn)控制計劃，形成生產(chǎn)確認報告，出具初始樣件檢驗報告，向顧客提供試生產(chǎn)的產(chǎn)品，進入生產(chǎn)件批準（PPAP）程序。及時收集顧客反饋的意見，制定糾正或預防措施等。

（4）毛坯選用：該項目產(chǎn)品選用45#鋼楔橫精軋毛坯，為了提高凸輪軸材料利用率及綜合機械性能，利用國際領先的楔橫軋精軋工藝生產(chǎn)毛坯。

2 關鍵技術問題

2.1 凸輪型線的設計和優(yōu)化

包括配氣正時的選取，氣門最大升程和凸輪緩沖段、正負加速度段輪廓函數(shù)的確定。配氣正時對發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性都會產(chǎn)生重要影響，氣門升程和輪廓函數(shù)直接影響充氣效率和配氣系統(tǒng)動力學性能，并決定了配氣系統(tǒng)的工作可靠性。

2.2 凸輪升程變化及沖擊載荷

凸輪軸的凸輪型線與汽油發(fā)動機凸輪型線不同，凸輪型線存在負曲率段即凹面輪廓以及凸輪升程變化率要求極小，給凸輪磨削加工帶來較大的難度。同時發(fā)動機的轉速較高，凸輪軸需要承受較大的轉矩和周期性的沖擊載荷，因此對凸輪軸的強度、剛度和韌性方面的要求較高。

2.3 異常磨損及結構要求

凸輪軸位于發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的末端，導致凸輪軸兩端支承軸頸潤滑不良，容易造成凸輪軸的異常磨損，直接影響發(fā)動機工作的平順性和使用壽命。凸輪軸還具有驅(qū)動分電器轉動的功能，因此在結構設計上既要滿足功能需要，又要力求結構簡單，具有良好的工藝性。

3 解決方案及技術創(chuàng)新

3.1 采用MATLAB數(shù)學處理軟件

引進先進的MATLAB數(shù)學處理軟件對凸輪型線進行優(yōu)化設計。MATLAB是集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理于一體的科學計算語言。發(fā)動機凸輪軸凸輪型線多為離散點擬合而成，表面上是沒什么規(guī)律的數(shù)字，其實是控制進、排氣門運動規(guī)律的關鍵因素。基于MATLAB的可視化凸輪型線設計、優(yōu)化研究，可以提前預知CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動機凸輪軸凸輪型線設計的合理性，獲得了最優(yōu)的凸輪型線和相關輪廓函數(shù)并縮短了研發(fā)周期。

3.2 使用CBN砂輪剝皮磨削新工藝

CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動機凸輪軸的凸輪型線存在負曲率段，磨削加工時對于進給量與磨削速度的匹配有著嚴格的要求，為此，采用WOP-G非圓磨削軟件自動計算出相關凸輪輪廓段準確的磨削速度，進行自動設定和控制，使用CBN砂輪剝皮磨削新工藝，該工藝具有良好的柔性和極高的磨削效率，可實現(xiàn)高速、高效磨削加工，有效解決了凸輪升程變化率要求極小的技術難題，獲得理想的加工效果，該技術為國內(nèi)凸輪軸行業(yè)首創(chuàng)。

3.3 選用楔橫精軋工藝

通過對發(fā)動機凸輪軸的轉速、工況、載荷及相關參數(shù)進行CAE分析，為提高凸輪軸綜合機械性能和可靠性，選用具有國際先進水平的楔橫軋精軋工藝生產(chǎn)毛坯，使用該工藝生產(chǎn)的凸輪軸毛坯具有材料纖維完整，晶粒細化，綜合機械性能較佳的特點，并可大幅度提高材料利用率，降低機加工成本。

3.4 技術創(chuàng)新

針對凸輪軸末端兩檔支承軸頸潤滑不良問題，對凸輪軸的潤滑系統(tǒng)進行了創(chuàng)新設計，在凸輪軸的末端心部采用盲深孔作為中間油道，與兩檔支承軸頸及齒輪油道相貫通，產(chǎn)品完工后用堵頭封堵中間油道，徹底解決了凸輪軸末端兩檔支承軸頸潤滑難題。創(chuàng)新凸輪軸的結構設計，打破常規(guī)思維，將驅(qū)動分電器的斜齒輪置于凸輪軸的末端，并采用整體結構，雖然對凸輪軸加工時滾削齒輪的工藝性有一定影響，但可簡化整臺發(fā)動機結構設計。

4 主要技術質(zhì)量指標

研發(fā)的CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動機凸輪軸經(jīng)長春一汽四環(huán)發(fā)動機制造有限公司裝機試驗和檢測，主要技術質(zhì)量指標已達到國外同類產(chǎn)品的先進技術水平，其中凸輪軸凸輪磨損量≤0.04mm/5萬km，升程變化率≤0.004 mm/1°，相位夾角偏差≤12′，凸輪表面粗糙度Ra≤0.32μm。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

僅以年產(chǎn)20萬件測算，企業(yè)可年新增銷售收入4800萬元，新增出口創(chuàng)匯200萬美元，上繳稅金及附加375.60萬元，年利潤總額1 009.50萬元。如產(chǎn)能提升，上述經(jīng)濟指標將相應提高。

5.2 社會效益

隨著我國車用燃氣基礎設施的不斷完善和國家鼓勵使用代用燃料的新能源汽車措施的陸續(xù)出臺，國內(nèi)對CNG雙燃料發(fā)動機需求量不斷增加，CNG雙燃料發(fā)動機凸輪軸市場潛力巨大。通過該項目的實施，實現(xiàn)企業(yè)自主創(chuàng)新，形成具有自主知識產(chǎn)權的核心技術。促使我國汽車發(fā)動機關鍵零部件的設計和制造技術達到國外先進水平，填補國內(nèi)空白并替代了同類產(chǎn)品的進口，對促進我國汽車和內(nèi)燃機工業(yè)的發(fā)展必將產(chǎn)生積極的影響。

6 結語

經(jīng)國家權威部門檢測，裝配該項目研發(fā)的凸輪軸的CA4GH-N 發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性完全達到設計要求，居國內(nèi)領先水平，已申請國家實用新型專利。該凸輪軸現(xiàn)已批量生產(chǎn)，其主要技術質(zhì)量指標達到了國外同類產(chǎn)品的技術水平，滿足CA4GH-N雙燃料發(fā)動機動力性能要求和排放要求，填補了國內(nèi)該項技術的空白，替代了同類進口產(chǎn)品，發(fā)揮了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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