空心凸轮轴的制造现状分析

郭彩萍

（焦作大学机电工程学院，河南 焦作 454003）

发动机是汽车的心脏，是动力源。提高发动机的效能和降低油耗的研究从未停止过。发动机的主要能耗损失来自于气门传动机构的摩擦，其与凸轮轴的惯性力密切相关，所以减小气门传动机构各个零件的运动质量，成为实现提高发动机性能的主要手段。

凸轮轴是汽车发动机的关键零部件之一，用于控制发动机运转时气门的开启与关闭，其结构性能，直接影响到发动机的功率指标、排放指标、节油指标等。传统的凸轮主要是铸造和锻造法生产的一体式实心凸轮轴，凸轮轴的质量较大，且生产工序较多，能耗高，污染重。

随着全国汽车保有量的增加，能源问题日益严重，对发动机性能要求不断提高，为此汽车制造行业都在积极开发低油耗、无污染的汽车发动机。凸轮轴随之向着重量轻、成体低、性能高的方向发展。针对一体式凸轮轴质量大、能耗高的问题，各大汽车生产厂家开始了凸轮轴的升级换代，研制使用中空式凸轮轴。

中空式凸轮轴可以分为两大类，一体式中空凸轮轴和组合式中空凸轮轴。

1.一体式中空凸轮轴

铸造中空凸轮轴是在传统铸造基础上的技术升级，主要使用冷激铸铁中空铸造工艺。在该加工工艺中因铸造组织本身的特性，考虑到凸轮轴强度的要求，凸轮轴内孔直径受到限制，一般不超过10mm，虽然中空部位可作润滑油路，减少缸体缸盖油路加工，但在减重方面效果不明显。

深孔加工凸轮轴是在实心凸轮轴基础上使用高精度、高深度钻孔工艺来实现空心的加工方法。该工艺方法由于凸轮轴具有细长结构的特点，要求加工刀具细长[1]，由此导致刀具的刚度差、强度低，在加工过程中散热困难、易断裂、排屑不容易，会造成直径变大，达不到加工质量要求。

这样的一体式空心凸轮减重效果不明显，加工难度大，且凸轮轴各部位的性能通过不同的处理工艺，加工工序多，生产效率低。

2.组合式中空凸轮轴

组合式中空凸轮也称装配式凸轮轴，是通过改变凸轮轴结构和制造方法来实现的，是一种新型的凸轮轴组合式设计理念，是把一体式凸轮轴设计更改为装配式结构,将凸轮片、轴颈、信号盘、链轮等凸轮轴要素件，采用机械连接的方式装配在钢管上的相应位置。

2.1 组合式中空凸轮轴的优势

在凸轮轴工作过程中，气门传动机构对凸轮轴的各部位的性能要求不同，凸轮要求耐磨损；轴颈要求滑动性能好；芯轴则要求刚性好。与一体式凸轮轴加工方法相比，组合式中空凸轮轴有很大的优势。

（1）可根据凸轮轴不同零件的性能，优化选择材料。

（2）芯轴直接选用冷拔无缝钢管或焊接钢管，在刚度得到保证的前提下，减重效果好，可使凸轮轴整体质量降低40%，材料节约达30%以上。而中空结构又可作为润滑油路，减少加工工序。

（3）凸轮盘片是用锻造或粉末冶金加工，甚至用陶瓷材料制作而成，加工精度高，耐磨性能好，减少制造成本。

（4）根据凸轮轴型号的不同可自由选择各零件，易实现柔性生产。

2.2 组合式空心凸轮轴的连接方法

加工组合式凸轮轴的关键是连接方式，组合式空心凸轮轴的连接方法常见的有以下几种方式。

(1)焊接法。利用焊接工艺把凸轮片连接到芯轴上。

综上所述，小学语文阅读教学中，教师采取有效的教学策略，不仅可以提高学生语文学习能力，还能够培养学生良好的阅读习惯，因此，要提倡新课改的教学理念，创新教学方法，合理地运用多元化教学方式，使小学语文阅读教学工作得到良好的进展，使其发挥重要的教学价值，不断的激发学生学习热情，提高学生的主观能动性，促进学生长远发展。

(2)烧结法。是先用工业粘结剂粘接凸轮片，再焙烧固定。

(3)扩管法。包括液压扩管法和机械扩管法。液压扩管法，即内涨压成型工艺。就是先将拉出内槽的凸轮片套在管子上，用专用工装将凸轮片在轴向和圆周方向定位，然后在压力机上向管子内部注入高压的液压油，从内向外涨挤，使管子变形，实现凸轮片在管子上的轴向和圆周向固定。机械扩管法，就是先将凸轮片套装在芯轴上，用工装定位后，利用压力使端部直径大于轴内径拉杆或小球通过芯轴，使芯轴产生塑性变形，形成永久塑性膨涨，从而实现凸轮与芯轴的固定连接。

还有热套法和滚花装配法，根据河南中轴集团生产的凸轮轴的结构特点，着重对这两种连接方法进行深入的分析。

2.2.1 热套法

热套法是在凸轮片的内孔和管子的外径之间预留一定的过盈量（过盈量的大小根据松动力和松动力矩的要求而定），应用热胀冷缩的原理，即在装配之前，先将凸轮片、链轮等零件加热，在热状态下将其套装在管子上，冷却后成为一体，从而实现轴向和圆周向固定。

虽然热套法是无阻力安装方式，设备工艺简单，生产效率高，但存在以下问题。

（1）热套法装配中凸轮片与芯轴温度在较短时间内完成快速升温-安装-快速降温的过程，凸轮片与芯轴的过盈量在此过程中不断发生变化，连接强度难以保证。

（3）热套法装配中凸轮片在短时间内升温，安装后迅速降温，收缩后产生过盈量，内部易产生微裂纹，形成安全隐患。因此热套法不适合传递大扭矩的发动机凸轮轴，如卡车的柴油发动机凸轮轴，而多用于轿车的发动机。

德国 Dorner公司曾与 BMW、BENZ、Mahle合作开发过这样的装配生产单元。这些装配生产单元现在已经大批量地生产凸轮轴，用于发动机的装配。

2.2．2 滚花装配法

滚花装配法就是在常温下采用过盈装配，利用压力把凸轮片推入芯轴的方法。为了保证连接强度，通常的做法是在芯轴上利用滚花工艺加工出沿圆周方向的三角形齿纹，在凸轮片孔内加工出沿轴向的平行方槽，如图2所示。在凸轮片装入芯轴时，因为轴与凸轮内孔有过盈，轴与凸轮片接触部位均发生塑性变形。芯轴上的纹齿在安装过程中被挤压变形，变形部分被挤入凸轮片的方槽时，增加了接触面积，增强了连接强度。这种连接方式适用于较大扭矩的凸轮轴。

通过现场试验分析，影响连接强度的因素有以下几个方面。

（1）芯轴与凸轮片的材料。

（2）过盈量大小。由产品要求承载的轴向力和扭矩确定，因此不同的产品过盈量不同。

（3）芯轴花纹的形式。

因此产品研制过程中，除根据产品的使用要求设计计算出过盈量外，需要对样件做大量的工艺试验，来确定最优方案。

滚花装配法的优点有：装配在常温进行，设备和工艺简单；生产效率较高，能耗低；连接强度可靠。

存在的问题:

（1）滚花装配属于过盈装配，装配过程中需要提供较大压力。

（2）装配后凸轮片内产生内应力，会造成凸轮盘片破裂。

（3）在有阻力装配过程中芯轴易发生变形。

图2 滚花连接法的剖面图

3.结束语

为了研制出重量低、连接强度大、使用寿命长、可靠性高的空心凸轮轴，世界各大汽车生产厂商都做了大量的工作：通用公司利用球体贯穿的扩管法；戴克公司（汉堡）、Emishaft公司利用内部高压变形的扩管法；马勒/隋考公司使用热套法；日本活塞环公司使用烧结熔合法；Thyssen Krupp Presta公司使用滚花装配法，制备工艺发展趋势也向着节能、环保、自动化、智能化的柔性制造方向发展。

通过本项目的推进，组合式中空凸轮轴的研究更加深入，对国内外研制组合式凸轮轴的技术有了更进一步的认识。不同的加工工艺都有其优点和缺点，扬其优点避其缺点，找到其适合的产品类型。目前，研制的加工方法还多应用在强度要求较低的轿车行业中，对中大型柴油发动机，大型号的组合式中空凸轮轴技术几乎空白，因此还需要积极推进大型组合式中空凸轮轴的研制工作。