滚动轴承在发动机凸轮轴上的研究与应用

崔晓敏 张欣亮

摘要：轴承作为国家经济的战略物资，被广泛应用于各个领域，它是机械装备中最重要最关键的基础零部件，可以称之为机械的心脏。轴承主要起到受力和传动的作用，它的好与坏直接决定机械的性能、质量和可靠性。本文在此基础上主要分析的是滚动轴承在发动机凸轮轴上的研究与应用。

关键词：滚动轴承；发动机；凸轮轴；应用

1滚动轴承基本结构

为满足工作需求，滚动轴承的生产日趋标准化、系列化、多样化。轴承按照其所承受载荷方向的不同可以分为向心轴承（径向）、推力轴承（轴向）和向心推力轴承（同时承受径向轴向），按照滚动体的形状又可以分为球轴承和滚针轴承。其种类虽然繁多，但主要结构基本相同，都是由内圈、外圈、滚动体和保持架四大部件构成。在实际情况中，通常我们会发现轴承运转时其内圈在不停的转动，而外圈却停止不动。究其根本是因为轴承内圈与轴采用了过盈配合的配合方式，故当主轴在旋转时内圈会与之一起转动，而轴承外圈与轴承座孔通过过盈连接相互配合，与之固定并起到支撑轴承元件的作用。与之相反即固定内圈转动外圈情况也存在，但是相对较少。滚动体是轴承的核心部分，均匀分布在轴承内外圈之间，降低滚动轴承内外圈之间的摩擦阻力、减少热量的产生，将内外圈表面之间的滑动摩擦变成滚动摩擦使两者间的相对运动变得更加顺畅是滚动体的主要作用。有些轴承内圈外侧和外圈内侧设有凹槽滚道，其目的是为了降低滚动体和内外圈之间的接触应力，同时还能防止滚动体发生轴向移动。此外滚动体的形状、大小和数量对轴承的抗压承载能力有一定影响。保持架位于轴承内外圈之间，其功能是固定滚动体，并将一定数量的滚动体按同等间隔分开，以防彼此之间相互碰撞挤压，保证滚动体安全顺利的运动。

2发动机凸轮轴概述

凸轮轴是发动机的关键零件之一，凸轮轴桃尖部位的硬度和白口层深度是决定凸轮轴使用寿命和发动机效率的关键技术指标。在保证凸轮有足够高的硬度和相当深的白口层的前提下，还应考虑轴颈不出现较高的碳化物，使其具有较好的切削加工性能。国内外生产凸轮轴的主要方法有：采用钢质锻造毛坯经切削加工后，凸轮桃尖部分经高频淬火形成马氏体层的工艺。20世纪70年代末，德国和法国相继开发了凸轮轴氩弧重熔新工艺；另有以美国为主的可淬硬铸铁凸轮轴；以日本和法国为主的冷硬铸铁凸轮轴；以及凸轮部位用Cr-Mn-Mo合金涂料进行铸件表面合金化的生产工艺等。

3滚动轴承在发动机凸轮轴上的应用

3.1选择轴承类型

根据凸轮轴工作环境和滚动轴承结构特点，深沟球轴承和滚针轴承均可应用于凸轮轴，根据周边尺寸选择具体类型。研究方案一：受限于凸轮轴外径和缸盖轴承盖内径尺寸，只能选择滚针轴承，在此条件下，必须设计额外的止推面以限制凸轮轴轴向移动。研究方案二：通过缸盖轴承盖内径设计优化，采用球轴承集成了止推功能，取消凸轮轴上的止推特征，同时考虑降低摩擦效果，取消了滚针轴承。

3.2选择轴承尺寸

轴承在承受负荷旋转时，由于套圈滚道面及滚动体滚动面不断地受到交变负荷的作用，即使使用条件正常，也会因材料疲劳使滚道面及滚动面出现鱼鳞状损伤（称做剥离或剥落）。出现这种滚动疲劳损伤之前的总旋转数称做轴承的“（疲劳）寿命”。即使是结构、尺寸、材料、加工方法等完全相同的轴承，在同样条件下旋转时，轴承的（疲劳）寿命仍会出现较大的差异。这是因为材料疲劳本身即具有离散性，将一批相同的轴承在同样条件下分别旋转时，其中90%的轴承不出现滚动疲劳损伤的总旋转数称做“轴承的基本额定寿命”（即可靠性为90%的寿命）。因球轴承需装配在凸轮轴上，因此凸轮轴前端最小直径决定了滚动轴承的内径。本项目凸轮轴前端因安装机油控制阀，导致外径达到Φ33mm，为便于安装，球轴承内径d设计为Φ33.5mm，同时缸盖轴承盖内孔径最大Φ52mm，即滚动轴承外径D最大为Φ52mm，轴承宽度B为10mm。

3.3轴承安装

轴承安装是否正确，直接影响轴承使用时的精度、寿命和耐久可靠性。因此需要严格规范操作，按照作业标准进行。方案二球轴设计为内外圈均需过盈压入，第一步将球轴承压入轴承盖内，此时压头必须仅作用于外圈直至压至軸肩；第二步将凸轮轴压入球轴承内圈球，此时压头作用于凸轮轴，但支撑必须在球轴承内圈。内外圈表面涂润滑油有利于降低压入力，可将平均压入力峰值从5400N降低到3300N，且压装力更稳定。

3.4滚动轴承摩擦分析

凸轮轴的摩擦面积及摩擦频率是发动机所有摩擦副中排在前列的，它的功能是负责发动机进排气门的工作，凸轮轴工作可靠性的高低，对降低油耗、提高功率、净化尾气有很重要的意义。凸轮轴运转时凸轮表面与液压挺柱之间有很高很频繁的接触应力，因此凸轮轴上最容易失效的是凸轮表面，极易磨损。发动机运转转速高，有时高达数千转，在这种高负荷的工作环境下要求凸轮轴的运转平稳性、耐磨性、强度等性能应优于其他部件。然而传统的整体式凸轮轴使用铸造或锻造的方式加工，因此凸轮轴各部分采用相同的金属材料，各部分力学性能一致，很难保证摩擦表面有更高的耐磨性。分体式凸轮轴正好相反，由于凸轮轴由多个小零件组成，各零件采用不同的金属材料，保证各部位的力学性能满足工作要求，正好弥补了整体式凸轮轴的不足，降低生产费用。一般四缸发动机均配有2根凸轮轴，中国汽车保有量很大，因此每年凸轮轴的用量十分巨大，并且几乎均由国内供应商提供。目前，国内汽车销售行业竞争进入了白热化状态，汽车价格透明而且日益走低，因此各汽车总厂对配件的价格也要求降低，凸轮轴亦如此。国内凸轮轴供应商很多，多数供应商凸轮轴的生产方式是整体式浇铸冷激铸铁。整体式凸轮轴运用的是浇铸工艺，胀砂、缩孔、缩松等生产缺陷极易出现在使用浇注铸造工艺凸轮轴的表面，而且生产费用高，关键是产品合格率不高，造成原料极大浪费。因此，浇注的生产工艺只适用于大批量生产。当生产数量较小时，棒料切削成型工艺比较合适，可以节省原材料，但切削出去的余料仍然造成了浪费，原料利用率大大降低。为保证凸轮轴运转的可靠性，提升发动机的生产合格率，减少生产费用，研究分体式凸轮轴的使用非常必要。分体式装配凸轮轴很早就使用在一些简单的机械上面，汽车上使用的较晚，有些供应商已经采用，部分厂家也已经进行研发。当下，中外合资的汽车企业采用分体式凸轮轴，而且也开发出柔性生产线，但仍然受生产费用居高不下而困扰。国产自主品牌汽车较少采用分体式凸轮轴。但是，分体式凸轮轴的采用是国产汽车发动机凸轮轴生产装配的必然趋势。

4结束语

总之，随着发动机的设计者和制造者追求更高的发动机效率以及排放法规的日益严格，发动机设计开发之初，降摩擦技术要早期考虑。根据发动机使用环境和空间要求，选择合适的滚轴承类型和尺寸，并设计好装配制造方法，凸轮轴采用滚动轴承可以显著降低摩擦损失，是切实有效的技术方案。

参考文献

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（作者单位：长城汽车股份有限公司；

河北省汽车工程技术研究中心）