局部分體式裝配工藝在491QE汽車發動機凸輪軸上的應用

何昌德

（臺州科技職業學院，浙江臺州318020）

凸輪軸是汽車發動機配氣機構中比較關鍵的零件，作用是控制進排氣門的關閉，其運轉的好壞，直接影響發動機的油耗、功率及尾氣排放。每臺四缸以上的發動機，都配有2根凸輪軸，全國每年凸輪軸的需求量在2000萬根左右，并且基本上全由國內廠家供應。隨著汽車價格的不斷降低，各汽車廠要求不斷降低凸輪軸的價格。

我國的凸輪軸生產廠家較多，普遍采用的材料為整體式澆鑄冷激鑄鐵。由于冷激鑄鐵凸輪軸采用的是澆鑄工藝，在表面易產生脹砂、縮孔、縮松等缺陷，不但生產成本高，而且加工成品合格率只有90%左右，甚至更低。所以，有些廠家當生產批量不大時，如年產量小于5萬件，則采用棒料切削成型，雖然原材料的成本降低了，但材料的利用率較低。

為了提升發動機的合格率，降低生產成本，分體式裝配工藝在國內也開始研究。目前都使用在一些簡單的非車用的凸輪軸上，如空壓機、割草機等。使用在汽車發動機上的分體式裝配凸輪軸，現已在研發階段。

目前國內合資的汽車企業生產的凸輪軸，已開始使用分體式凸輪軸，并開發出了可柔性生產的分體式裝配流水線，但設備價格昂貴，成本高，在我國具有自主品牌的汽車企業還沒有得到廣泛的使用。但是，凸輪軸整體式工藝改為分體式，是目前國內汽車發動機凸輪軸的發展方向。

本文主要是通過對整體式凸輪軸的局部分體零件優化設計和裝配工藝進行研究，希望能徹底解決傳統整體式凸輪軸存在的一系列弊端，使國產汽車為最終能實現發動機輕量化、低成本、零排放、高性能、高精度等要求奠定基礎。

1 傳統凸輪軸生產工藝及存在問題

目前，國內傳統的凸輪軸加工，主要是采用整體鑄造的凸輪軸毛坯，通過切削加工而成，常用材料是冷激鑄鐵。雖然冷激鑄鐵材料硬度高，耐磨性好，但凸輪軸上的齒輪最易斷裂并且也最難加工。

一方面由于凸輪軸與齒輪是整體式鑄造的，齒輪的磨損或斷裂，會造成整根凸輪軸的報廢，甚至出現發動機點火時間的混亂，而且齒輪的成本只有凸輪軸的20%；

另一方面由于凸輪軸是細長軸，在剃齒加工時易出現凸輪軸抖動，而造成齒輪精度達不到技術要求，也造成整根凸輪軸的報廢。

基于上述原因，發動機組裝廠迫切要求對凸輪軸的加工工藝進行改進，以減少廢品率，提高發動機的可靠性和耐久性。

目前491QE發動機凸輪軸材料，普遍使用合金冷激鑄鐵，以提高耐磨性。由于冷激鑄鐵的磨損量僅為其他材料的12%左右，所以冷激鑄鐵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。而與凸輪軸一起整體鑄造的凸輪軸齒輪，其材料也是合金冷激鑄鐵材料，雖然具有較高的表面硬度，但芯部的抗拉強度較低，韌性也較差。由于機械行業里齒輪的材料一般情況下都應使用調質鋼或合金滲碳鋼，如 45、40Cr、20CrMnTi等。因為齒輪在嚙合過程中轉速高，負荷大，容易磨損，所以齒輪不但要求表面具有高的硬度，而且芯部必須具有高的抗拉強度。表1是冷激鑄鐵與45、40Cr、20CrMoTi在各項力學性能上的比較。

表1 冷激鑄鐵與45、40Cr、20CrMoTi力學性能比較表

從表中數據可看出，冷激鑄鐵的表面硬度接近于其他材料，但抗拉強度只有250 MPa，并且屈服點和伸長率基本為零，這就是齒輪用冷激鑄鐵材料易斷裂的原因。

2 局部分體式裝配工藝及其優勢

把491QE發動機整體式凸輪軸改為局部分體式凸輪軸，從圖1分析來看,由于齒輪在支承軸頸的右側，所以如果要使齒輪分離出來，齒輪左側的支承軸頸也必須分離，而且在支承軸頸與齒輪之間還須加上一個隔套，這樣改成分體式后的凸輪軸組件，由4個零件組成，分別是分體式凸輪軸、左側支承軸頸、隔套、斜齒輪。

如圖2～圖5是在原整體式凸輪軸的左側部份，分離出1個凸輪軸、1個齒輪、1個軸頸，并增加1個隔套，并對分離出來的零件進行材料優化和精益加工，再組裝成整體凸輪軸的新型加工工藝。齒輪一般采用40Cr或20CrMnTi材料，并進行高頻淬火或滲碳處理，支承軸頸和隔套分別采用40Cr材料，和45號材料，也進行高頻淬火。

圖1 整體式凸輪軸

圖2 局部分體式凸輪軸

圖3 支承軸頸

圖4 隔套

圖5 斜齒輪

與傳統的整體式加工方法相比，局部分體式凸輪軸加工工藝有如下優勢：

（1）通過更改齒輪的材料，并采用單獨加工，有利于提高齒輪的強度和精度，減少齒輪斷裂和磨損，凸輪軸加工合格率從90%提高到98%以上。

（2）因齒輪單獨加工，消除了原加工齒輪時因精度達不到而造成整根凸輪軸報廢的情況，提高了凸輪軸加工合格率。

（3）用戶使用后因齒輪損壞而退回來的凸輪軸廢品，通過更換齒輪后，仍可重新使用，大大降低了凸輪軸的生產成本。

（4）提升了凸輪軸的可靠性和耐久性。

3 零件裝配精度的選擇

3.1 分體零件與凸輪軸配合公差帶的選擇

由于凸輪軸在發動機中作高速轉動，所以要求分體出來的支承軸頸內孔、齒輪內孔與凸輪軸外圓必須是過盈配合，并且過盈量在0.03～0.05 mm范圍。壓裝過程中要求保證各個零件與凸輪軸配合不打滑，具體配合公差帶如下：

支承軸頸內孔與凸輪軸外圓的配合為Φ28.5 H7/u6；

斜齒輪內孔與凸輪軸外圓配合：Φ29 H7/u6。

而隔套與凸輪軸的配合，應為間隙配合，隔套內孔尺寸為Φ29 mm，以保證與凸輪軸有0.5 mm左右的配合間隙。具體配合尺寸見如圖6～圖9。

圖6 凸輪軸配合尺寸

圖7 支承軸頸配合尺寸

圖8 隔套配合尺寸

圖9 斜齒輪配合尺寸

3.2 左支承軸頸的加工工藝改進

整體式凸輪軸的4個軸頸，是一次磨削加工，保證4個軸頸的同軸度控制在0.025 mm以內。但分體后壓入的左支承軸頸，與其余3個軸頸的同軸度，很難達到圖紙規定的要求。所以為了保證4個軸頸的同軸度精度，加工左支承軸頸外圓時，需保留0.03～0.05 mm的精加工余量，裝配后與其它4個軸頸一起加工，確保5個軸頸的同軸度達到圖紙所規定的0.025 mm范圍以內。

3.3 分體零件的材料及熱處理選擇（如表2）

3 個分體零件的材料及熱處理選擇如表2所列。

表2 分體式凸輪軸3個分體零件材料及熱處理選擇表

4 檢測及試驗情況

491QE凸輪軸齒輪，由整體式改為局部分體式后，經小批量生產，并在凸輪軸相位檢測儀上進行尺寸公差、形位公差及凸輪相位的精度檢測，各項精度指標都比原來的圖紙要求有了很大的提高。經汽車總裝廠進行發動機可靠性臺架試驗，沒有出現斜齒輪磨損及齒的斷裂故障。并且由于齒輪單獨進行滾齒加工，齒輪的加工精度有了極大的提高，降低了齒輪的嚙合噪聲。

5 結束語

491QE發動機凸輪軸由整體式改為局部分體式，解決了傳統整體式凸輪軸存在的一系列弊端，改善了齒輪的強度和加工精度，降低了凸輪軸的報廢率，提高了發動機配氣性能的可靠性和耐久性，為國產汽車為最終能實現發動機輕量化、低成本、零排放、高性能、高精度等要求提供了科學依據。

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