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凸輪軸的發展趨勢
類別：行業新聞 發布時間：2015-11-19 02:47:35 瀏覽：1429次
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凸輪軸是汽車發動機配氣機構中重要的零件，凸輪軸的結構設計與加工質量好壞，直接影響著發動機的性能。近年來，因環境保護的需要，正在開發低油耗、低污染的發動機。為了解決汽車尾氣無污染排放問題，實現發動機的高轉速、高輸出功率，許多發動機采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結構，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時，為了降低油耗及摩擦損耗，凸輪與搖臂間采用滾子結構，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區，這對凸輪軸運動的平穩性、動平衡、耐磨性能及抗扭強度提出了更高的要求。另外，為了達到汽車輕型化、低成本的目的，在不影響各個零件性能要求的前提下，應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。上面套有若干個凸輪，另一端與驅動輪相連接。
凸輪的側面呈雞蛋形。其設計的目的在于保證氣缸充分的進氣和排氣，盡可能在短時間內完成氣門的開、閉動作。另外考慮到發動機的耐久性和運轉的平順性，氣門也不能因開閉動作中的減速過程產生過多過大的沖擊，否則就會造成氣門的嚴重磨損、噪聲增加或者其它嚴重后果。因此，凸輪和發動機的功率、扭矩輸出以及運轉的平順性有很直接的關系。
一般來說，直列式發動機中，一個凸輪就對應一個氣門。V型發動機或水平對置式發動機則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉子發動機和無閥配氣發動機由于其特殊的結構，并不需要凸輪。
為了實現輕量化，易于加工且低成本，以及發動機的高轉速、高輸出功率，發動機部件，尤其是凸輪軸的設計必須重新考慮，要求其結構緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力。在目前的凸輪軸應用中，已經將缸蓋潤滑系統集中于中空式凸輪軸，將實現缸內直噴的燃油泵驅動組件在凸輪軸上實現，將VVT(可變正時氣門)在凸輪軸尾端使用。在配氣機構中，對凸輪軸各個部位的性能要求是不同的。對于凸輪和燃油泵驅動輪，要求耐磨損、耐膠著、耐點蝕；對于軸頸要求滑動性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉性能好。
凸輪軸種類
傳統式凸輪軸大多是由鑄造或鍛造生產，個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。為了使發動機性能更好，近年開發了重融冷硬鑄鐵、淬火球墨鑄鐵等多種形式的凸輪軸，但因成本等原因其應用范圍僅限于個別領域。
鍛造式凸輪軸以碳鋼為主進行熱鍛，凸輪部分采用高頻淬火處理，主要應用于大中型發動機上。由于其耐點蝕性能較好，多與氣門頂置式（OHV）機構的挺桿組合使用，也有與搖臂配合應用于柴油發動機凸輪上置式（OHC）結構上。由于鍛造式凸輪軸無法實現輕量化，發展潛力較小。
鑄造凸輪軸生產工藝為冷激鑄鐵。冷激鑄鐵產品，歐美國家早在上世紀二十年代初已經開始研制，廣泛推廣于上世紀六、七十年代，八十年代技術完全成熟。冷激鑄鐵產品以其低成本、高性能的顯著特點，廣泛應用于內燃機上。在國外，內燃機行業中有43%～47%汽油機、柴油機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，得到了廣泛的應用。
冷激鑄鐵凸輪軸的性能及應用
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械混合物，由于含有大量的碳化物，它起一個骨架作用。硬度較高，而萊氏體中的球光體起到儲油作用。
冷激鑄鐵凸輪軸是在HT250基礎上加入一定量的合金元素，經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械性能，大大提高耐磨性。冷激鑄鐵凸輪軸的機械性能：抗拉強度ób>250N/mm2；硬度 HRC48～54；耐磨層深度達 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。高速運轉后，凸輪桃尖部位出現早期磨損，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，同時具有降低加工成本，提高經濟性等優點。
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展趨勢。中空圓柱或者中空異型狀對加工設備和生產材料提出了很高的要求，如對磨床等設備的加工精度和穩定性要求很高。
作為優化整個氣門驅動系統的基本要素，組合式凸輪軸的發展正成為趨勢。組合式凸輪軸由精密鋼管和裝配于其上的凸輪節組成，而凸輪節的材料可以是鋼或粉末金屬材料。
裝配式凸輪軸的發展前景
由于傳統的凸輪軸主要是鑄造或鍛造加工而成，各個部位金屬性能相似。這種凸輪軸很難同時保證發動機配氣機構對凸輪軸各個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，后續加工復雜，在輕量化、功能高度集中和降低成本方面難有新的突破。
隨著汽車輕量化發展，凸輪軸向輕量化、功能高度集中和低成本方向發展，裝配凸輪軸的優勢逐漸被人們認可和接受。
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。碳鋼凸輪可進行高頻淬火或滲碳處理，具有較高的耐膠著、耐點蝕性能。
在設計方面裝配式凸輪軸可將凸輪寬度設計較窄，間隔亦可很小，凸輪的排列非常緊湊。它與傳統凸輪軸相比具有重量輕、加工成本低、材料利用合理等優點，與實心軸凸輪軸相比，重量減輕多達45％。
裝配式凸輪軸的關鍵技術是連接方法，因其連接方法不同而決定制造工藝及設備。裝配式凸輪軸始于上個世紀80年代，最先研制開發的是焊接連接式凸輪軸。上個世紀80年代中期燒結連接式凸輪軸投入使用，同期出現了擴管法生產的凸輪軸。上世紀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，裝配式凸輪軸制造技術也不斷地被更新。
焊接連接式凸輪軸由于焊接時容易產生熱變形，使凸輪軸的尺寸精度降低，激烈的熱變化也容易使焊接部位產生裂紋，質量難以保證；燒結連接式凸輪軸在進行粉末燒結成型凸輪的同時，凸輪又要在液相狀態下與鋼管擴散連接，此過程必須在1000℃以上燒結爐內進行，在高溫下軸容易產生彎曲，造成尺寸精度誤差，而且在燒結時，對材料的性能也有限制，需要大型燒結爐，熱效率不高；擴管法首先使凸輪與鋼管配合，然后從管內側加液壓或機械擴管，為承受擴管內壓，凸輪壁要有一定的厚度，同時，為了使擴管容易進行，必須使用薄壁鋼管，且由于高壓作業的特殊要求，也使其設備大型化；冷熱套過盈連接法雖然在機械零件生產中被廣泛應用，但在凸輪軸生產中未必合適，因為在凸輪與軸熱套連接時，凸輪被加熱，產生軟化現象，難以保證摩擦時的耐磨性，許多凸輪在工作時，會向軸端導熱，使得工作初始與完了時的連接過盈量發生變化，連接器度不能保持一致；滾花法在可靠性、精度、設備、能耗等方面都有一定的優越性。
進一步開發組合式凸輪軸的重點將在于開發材料及優化加工工藝。市場上目前正在大力開發應用復合材料，例如陶瓷材料等制造凸輪軸。馬勒公司正在進行組合式凸輪軸的擴展功能研發。比如燃油泵啟動件和傳感器組件的集成也日漸受到青睞。SOHC凸輪軸上進氣口或出氣口凸輪節的同步可通過馬勒CamInCam?嵌套式凸輪軸來實現。
裝配式凸輪軸目前以較快的速度發展，主要應用于高性能的發動機上。隨著裝配式凸輪軸生產技術的提高，性能會更好、成本更低、技術多樣化的裝配式凸輪軸將會涌現出來。
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