郭彩萍

（焦作大學機電工程學院，河南 焦作 454003）

發(fā)動機是汽車的心臟，是動力源。提高發(fā)動機的效能和降低油耗的研究從未停止過。發(fā)動機的主要能耗損失來自于氣門傳動機構的摩擦，其與凸輪軸的慣性力密切相關，所以減小氣門傳動機構各個零件的運動質量，成為實現(xiàn)提高發(fā)動機性能的主要手段。

凸輪軸是汽車發(fā)動機的關鍵零部件之一，用于控制發(fā)動機運轉時氣門的開啟與關閉，其結構性能，直接影響到發(fā)動機的功率指標、排放指標、節(jié)油指標等。傳統(tǒng)的凸輪主要是鑄造和鍛造法生產(chǎn)的一體式實心凸輪軸，凸輪軸的質量較大，且生產(chǎn)工序較多，能耗高，污染重。

隨著全國汽車保有量的增加，能源問題日益嚴重，對發(fā)動機性能要求不斷提高，為此汽車制造行業(yè)都在積極開發(fā)低油耗、無污染的汽車發(fā)動機。凸輪軸隨之向著重量輕、成體低、性能高的方向發(fā)展。針對一體式凸輪軸質量大、能耗高的問題，各大汽車生產(chǎn)廠家開始了凸輪軸的升級換代，研制使用中空式凸輪軸。

中空式凸輪軸可以分為兩大類，一體式中空凸輪軸和組合式中空凸輪軸。

1.一體式中空凸輪軸

鑄造中空凸輪軸是在傳統(tǒng)鑄造基礎上的技術升級，主要使用冷激鑄鐵中空鑄造工藝。在該加工工藝中因鑄造組織本身的特性，考慮到凸輪軸強度的要求，凸輪軸內孔直徑受到限制，一般不超過10mm，雖然中空部位可作潤滑油路，減少缸體缸蓋油路加工，但在減重方面效果不明顯。

深孔加工凸輪軸是在實心凸輪軸基礎上使用高精度、高深度鉆孔工藝來實現(xiàn)空心的加工方法。該工藝方法由于凸輪軸具有細長結構的特點，要求加工刀具細長[1]，由此導致刀具的剛度差、強度低，在加工過程中散熱困難、易斷裂、排屑不容易，會造成直徑變大，達不到加工質量要求。

這樣的一體式空心凸輪減重效果不明顯，加工難度大，且凸輪軸各部位的性能通過不同的處理工藝，加工工序多，生產(chǎn)效率低。

2.組合式中空凸輪軸

組合式中空凸輪也稱裝配式凸輪軸，是通過改變凸輪軸結構和制造方法來實現(xiàn)的，是一種新型的凸輪軸組合式設計理念，是把一體式凸輪軸設計更改為裝配式結構,將凸輪片、軸頸、信號盤、鏈輪等凸輪軸要素件，采用機械連接的方式裝配在鋼管上的相應位置。

2.1 組合式中空凸輪軸的優(yōu)勢

在凸輪軸工作過程中，氣門傳動機構對凸輪軸的各部位的性能要求不同，凸輪要求耐磨損；軸頸要求滑動性能好；芯軸則要求剛性好。與一體式凸輪軸加工方法相比，組合式中空凸輪軸有很大的優(yōu)勢。

（1）可根據(jù)凸輪軸不同零件的性能，優(yōu)化選擇材料。

（2）芯軸直接選用冷拔無縫鋼管或焊接鋼管，在剛度得到保證的前提下，減重效果好，可使凸輪軸整體質量降低40%，材料節(jié)約達30%以上。而中空結構又可作為潤滑油路，減少加工工序。

（3）凸輪盤片是用鍛造或粉末冶金加工，甚至用陶瓷材料制作而成，加工精度高，耐磨性能好，減少制造成本。

（4）根據(jù)凸輪軸型號的不同可自由選擇各零件，易實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

2.2 組合式空心凸輪軸的連接方法

加工組合式凸輪軸的關鍵是連接方式，組合式空心凸輪軸的連接方法常見的有以下幾種方式。

(1)焊接法。利用焊接工藝把凸輪片連接到芯軸上。

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(2)燒結法。是先用工業(yè)粘結劑粘接凸輪片，再焙燒固定。

(3)擴管法。包括液壓擴管法和機械擴管法。液壓擴管法，即內漲壓成型工藝。就是先將拉出內槽的凸輪片套在管子上，用專用工裝將凸輪片在軸向和圓周方向定位，然后在壓力機上向管子內部注入高壓的液壓油，從內向外漲擠，使管子變形，實現(xiàn)凸輪片在管子上的軸向和圓周向固定。機械擴管法，就是先將凸輪片套裝在芯軸上，用工裝定位后，利用壓力使端部直徑大于軸內徑拉桿或小球通過芯軸，使芯軸產(chǎn)生塑性變形，形成永久塑性膨漲，從而實現(xiàn)凸輪與芯軸的固定連接。

還有熱套法和滾花裝配法，根據(jù)河南中軸集團生產(chǎn)的凸輪軸的結構特點，著重對這兩種連接方法進行深入的分析。

2.2.1 熱套法

熱套法是在凸輪片的內孔和管子的外徑之間預留一定的過盈量（過盈量的大小根據(jù)松動力和松動力矩的要求而定），應用熱脹冷縮的原理，即在裝配之前，先將凸輪片、鏈輪等零件加熱，在熱狀態(tài)下將其套裝在管子上，冷卻后成為一體，從而實現(xiàn)軸向和圓周向固定。

雖然熱套法是無阻力安裝方式，設備工藝簡單，生產(chǎn)效率高，但存在以下問題。

（1）熱套法裝配中凸輪片與芯軸溫度在較短時間內完成快速升溫-安裝-快速降溫的過程，凸輪片與芯軸的過盈量在此過程中不斷發(fā)生變化，連接強度難以保證。

（3）熱套法裝配中凸輪片在短時間內升溫，安裝后迅速降溫，收縮后產(chǎn)生過盈量，內部易產(chǎn)生微裂紋，形成安全隱患。因此熱套法不適合傳遞大扭矩的發(fā)動機凸輪軸，如卡車的柴油發(fā)動機凸輪軸，而多用于轎車的發(fā)動機。

德國 Dorner公司曾與 BMW、BENZ、Mahle合作開發(fā)過這樣的裝配生產(chǎn)單元。這些裝配生產(chǎn)單元現(xiàn)在已經(jīng)大批量地生產(chǎn)凸輪軸，用于發(fā)動機的裝配。

2.2．2 滾花裝配法

滾花裝配法就是在常溫下采用過盈裝配，利用壓力把凸輪片推入芯軸的方法。為了保證連接強度，通常的做法是在芯軸上利用滾花工藝加工出沿圓周方向的三角形齒紋，在凸輪片孔內加工出沿軸向的平行方槽，如圖2所示。在凸輪片裝入芯軸時，因為軸與凸輪內孔有過盈，軸與凸輪片接觸部位均發(fā)生塑性變形。芯軸上的紋齒在安裝過程中被擠壓變形，變形部分被擠入凸輪片的方槽時，增加了接觸面積，增強了連接強度。這種連接方式適用于較大扭矩的凸輪軸。

通過現(xiàn)場試驗分析，影響連接強度的因素有以下幾個方面。

（1）芯軸與凸輪片的材料。

（2）過盈量大小。由產(chǎn)品要求承載的軸向力和扭矩確定，因此不同的產(chǎn)品過盈量不同。

（3）芯軸花紋的形式。

因此產(chǎn)品研制過程中，除根據(jù)產(chǎn)品的使用要求設計計算出過盈量外，需要對樣件做大量的工藝試驗，來確定最優(yōu)方案。

滾花裝配法的優(yōu)點有：裝配在常溫進行，設備和工藝簡單；生產(chǎn)效率較高，能耗低；連接強度可靠。

存在的問題:

（1）滾花裝配屬于過盈裝配，裝配過程中需要提供較大壓力。

（2）裝配后凸輪片內產(chǎn)生內應力，會造成凸輪盤片破裂。

（3）在有阻力裝配過程中芯軸易發(fā)生變形。

圖2 滾花連接法的剖面圖

3.結束語

為了研制出重量低、連接強度大、使用壽命長、可靠性高的空心凸輪軸，世界各大汽車生產(chǎn)廠商都做了大量的工作：通用公司利用球體貫穿的擴管法；戴克公司（漢堡）、Emishaft公司利用內部高壓變形的擴管法；馬勒/隋考公司使用熱套法；日本活塞環(huán)公司使用燒結熔合法；Thyssen Krupp Presta公司使用滾花裝配法，制備工藝發(fā)展趨勢也向著節(jié)能、環(huán)保、自動化、智能化的柔性制造方向發(fā)展。

通過本項目的推進，組合式中空凸輪軸的研究更加深入，對國內外研制組合式凸輪軸的技術有了更進一步的認識。不同的加工工藝都有其優(yōu)點和缺點，揚其優(yōu)點避其缺點，找到其適合的產(chǎn)品類型。目前，研制的加工方法還多應用在強度要求較低的轎車行業(yè)中，對中大型柴油發(fā)動機，大型號的組合式中空凸輪軸技術幾乎空白，因此還需要積極推進大型組合式中空凸輪軸的研制工作。