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组合式空心凸轮轴液力胀接原理及优点
2019-09-09
摘要:凸轮轴是内燃发动机的五大关键零部件之一,凸轮轴的功能是以凸轮表面型线控制气门开闭,满足内燃发动机对换气过程的需求,本文兴迪源机械带来组合式空心凸轮轴液力胀接原理及优点。

    凸轮轴是内燃发动机的五大关键零部件之一,凸轮轴的功能是以凸轮表面型线控制气门开闭,满足内燃发动机对换气过程的需求,本文兴迪源机械带来组合式空心凸轮轴液力胀接原理及优点。

  一、凸轮轴功能:

  发动机是汽车的核心,凸轮轴是内燃发动机的五大关键零部件之一(其他还包括缸体、缸盖、曲轴和连杆)。凸轮轴的功能是以凸轮表面型线控制气门开闭,满足内燃发动机对换气过程的需求(图7-9)。

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图7-9发动机结构示意图

  凸轮轴工作时承受周期性载荷,轴杆承受一定的扭矩,凸轮表面与挺柱周期性接触,承受较大接触应力。

  由于凸轮轴轴颈处承受的载荷大,零件表面相对运动速度大,需采用压力润滑,即以一定的压力(由机油泵提供)将润滑油从凸轮轴的油道(中心孔)输送到摩擦表面间的间隙中,以形成油膜来保证润滑效果,因此需要在凸轮轴上加工出细长的中心孔,由于其长径比往往达到40以上,加工难度很大。

  二、凸轮轴的制造方法:

  目前凸轮轴的制造方法主要有三种:铸造凸轮轴、锻造凸轮轴和组合式空心凸轮轴。我国基本上是在铸造或锻造凸轮轴上进行钻孔来制造空心凸轮轴,不仅加工量大、周期长,而且材料利用率低。

  组合式空心凸轮轴是将凸轮轴分解成凸轮、轴管、轴颈等若干个可装配件,分别进行材料优选及加工,再装配而成。制造组合式空心凸轮轴要解决的主要问题是如何将凸轮、轴颈等元件固定到轴管上,液力胀接技术正是组合式空心凸轮轴先进制造技术之一。其他还有键连接法、热装法和烧结法等。

  三、液力胀接组合式空心凸轮轴结构及其模具结构:

  液力胀接组合式空心凸轮轴结构及其模具结构如图7-10所示。其基本过程是:将凸轮和轴颈等元件按照相应设计位置套到轴管上,再一起放入根据凸轮轴轮廓设计的模具中,利用模具约束各元件间暴露的轴管,控制轴管的变形量,同时利用模具型腔保证各凸轮单元的相位角度和各元件之间的轴向位置。

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  图7-10组合式空心凸轮轴结构及其模具结构

  (a)组合式凸轮轴结构图;(b)液力胀接模具结构。

  采用合模压力机将上、下模具压合并施加足够的合模力,然后由左右冲头将轴管两端密封,并在轴管内通入高压液体施加内压。当内压达到设计值,可使轴管对应于凸轮和轴颈单元的局部先发生塑性变形,其外壁与凸轮和轴颈单元内壁接触,并使凸轮和轴颈发生一定的弹性变形。

  在卸压后凸轮和轴颈均与轴管形成过盈配合,获得组合式空心凸轮轴。液力胀接过程中应对轴管内的液体压力进行精密控制,保证整轴胀接强度,同时避免凸轮或轴颈中的薄弱部分发生胀裂缺陷。

  四、组合式空心凸轮轴液力胀接技术优点:

  与传统的凸轮轴制造方法相比,组合式空心凸轮轴液力胀接技术具有以下优点:

  1)优化材料匹配,提高凸轮轴耐磨性能。

  凸轮、轴颈和轴管的材料可以根据性能要求进行优选和匹配。凸轮和轴颈可采用锻件、可淬硬合金铸铁或粉末冶金材料,便于提高耐磨性;轴管可采用成本较低、抗弯抗扭性能好的钢管,提高整轴的使用寿命。

  2)降低发动机转动惯量。

  与传统凸轮轴相比,组合式空心凸轮轴可通过选择轻质的轴管和凸轮材料以及结构优化实现轻量化,可以减轻质量30%~50%,凸轮轴轻量化有助于降低发动机转动惯量,从而提高发动机响应速度和燃烧效率。

  3)减少凸轮磨削量、免去中心孔加工工序,提高材料利用率。

  采用近净成形工艺成形凸轮,可以大幅度降低后续机械加工工序。凸轮通常采用粉末冶金烧结、精密锻造、精密铸造等工艺制备,可有效减少凸轮磨削加工量;同时轴管内孔可直接作为凸轮轴油路,因此避免了细长中心孔加工难题。与锻造和铸造凸轮轴相比,材料利用率提高20%左右。

  4)装配效率高,制造成本低。

  凸轮轴液力胀接技术以液体介质在钢管内加载产生局部变形,利用液压何服精确控制内压,实现组合式凸轮轴一次性整体装配,与机械连接法、热装法等相比,其效率高、成本低、连接强度好。

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  部分文段和图片摘自:

  《现代液压成形技术》

  作者:苑世剑

  由兴迪源机械编辑

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