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发动机结构轻量化设计实例-凸轮轴

简介

轻量化设计一直以来都是被交通工具和发动机设计者优先考虑的，而且今年来它的重要性一直在稳步上升。与燃油消耗和排放相比，它是汽车重要的一部分并且是在驾驶系统的发展中最受关注的问题。在乘用车上，汽车制造商已经发现汽车重量没减少100kg就可以显著地减少油耗（每100km可节省油耗零点几升），这也取决于车型。汽车中重量减少的地方就是最关键的地方。轻量化设计在旋转部分和高速旋转部分的作用比在不移动部分的作用更为重要。汽车行业轻量化设计的系统化实现已经加速THhyssenKrupp Presta装配式凸轮轴的推广和市场渗透的增长。经过精确的设计，装配式凸轮轴可比传统的锻造或铸造式凸轮轴减轻超过百分之三十的重量。十年前当凸轮轴第一次进入市场，设计师们实现了在发动机整体重量上减少3.2kg，并用在了装有四顶置凸轮轴的Ford Duratec V6发动机上。

由于装配式凸轮轴制造的高精度，所以这种空心轴带来的效果就不只是轻量化了。凸轮表面宽度也需要进行更准确的调整以达到要求的精度，因此就必须要求凸轮不能比需要的薄也不能有多余的材料。其他所有的凸轮部件都按同种方法处理：传感器环、终端片、链轮齿等。

除了重量上的减轻，减轻转动部分的重量也带来了其他好处。由于摩擦损耗降低和惯性减少，装配式凸轮轴需要的驱动转矩更低，这也有利于减少油耗。而且，摩擦的减少意味着磨损减少，因此服役寿命也会随之增长。与实心凸轮轴相比，使用材料少在目前钢铁价格上会也有很有重要的成本优势。

装配式凸轮轴轻量化的手段

尽管装配式凸轮轴比铸造和锻造式凸轮轴表现出重量上的明显优势，但是还有进一步优化的空间。在实行轻量化设计时可以考虑下面几点方法：

1.优化外形和轮廓把重量降到最低

2.小型化

3.尽量用低密度的材料

4.简化或去掉某些部分

在这些部分设计和成形时，潜在的优化会被首先发现。这种情况下，注意力应当放在任何凸轮轴上不可忽视的组件：轴杆和凸轮片上。

轴管壁厚的优化

轴管壁厚的减少并不是像它第一次出现时一样的毫无意义。轴管的壁厚在凸轮轴的整体刚度和动态特性上是起决定性作用的。它不能被随意地减少。反而，许多细节必须要提前考虑。掌握有关装配和制造的过程和发动机的工作载荷是同等重要的。

首先，就减少轴管的壁厚来说，制造技术的限制必须要检测。当凸轮片和其他部件装配到轴管上时，它受到轴向的应力使轴达到曲阜应力。轴管的壁厚必须要能承受超过30KN的压力才能保证有效的安全。

在凸轮片的装配期间（此时轴管被滚花，凸轮片被定位），在接触部分会产生摩擦配合联接。组件的压入配合是以轴管和凸轮片之间的接触应力为基础的。轴管只有有足够的刚度就可以承受径向的载荷。在装配过程中，轴管上沿着接触部分受到的径向压力可能因此不会超过一个确定的极限值。，如图1所示。

装配完成后，凸轮轴上的轴颈和凸轮片将会被精磨。材料被磨去时会产生热量，部分热量会传递到工件上。为了避免热量集中导致凸轮轴发生几何变形以及产生不利的残余内应力，热能必须要尽可能快地传导出去。因为钢铁吸收和传导热量的能力远好于空气，所以在这个过程中必须要准备足够数量的材料来传热。如果不这样，材料的磨削量必须要减少，这将会导致更慢的循环时间和额外的费用。然而，轻量化设计措施必须至少要成本合适并让成本变得更低。

除了要考虑在薄壁轴管的凸轮轴产品制造过程中的压力上升，最终的产品必须也要能够承受发动机中的工作环境。设计师不仅仅必须要去检验每个部件的强度，还要去做一个凸轮轴和整个气门机构相互作用的功能性分析。除了这些事情之外，他们还要确定凸轮轴的固有频率特性，并分析和评估任何轴管的变形和振动可能没有相邻的部分这种效应，如图2。图3是制造的流程图-理论计算和经验测试的结合，尺寸测量反馈到模拟模型。模拟模型进行彻底的、大规模的测试和计算，并能够应用到其他气门机构系统。这样大大减少了在其他凸轮轴上进行经验的实验和测试所需要的时间和花费。

凸轮形状的改进

在过去，THhyssenKrupp Presta已经用热挤加工工艺将凸轮轴作为一个实心物体制造出来了。另一种是带有挺杆驱动（滑动摩擦）的烧结而成的凸轮，它能承受的赫氏应力最大可达约900MPa。

在设计凸轮形状的时候，设计师要考虑结构要求，还要考虑经济可行性以及产品加工的可靠性。凸轮在起推动作用时受到最大的载荷，此处阀门是开的并将再次关闭的。这种压力是由挺杆（滚子或滚筒）在凸轮片表面中部的中心逐渐引入的。在凸轮的基圆上门阀是不动的，此处的应力是相当的低，实际上接近于零。

图4表明怎样通过减少凸轮连接板的宽度来节省材料和减轻重量。结合力F引起的应力流动在设计中没有表现出热任何问题。尽管减少凸轮连接板的宽度可以减少凸轮内环与轴管的接触面积，凸轮在工作载荷下的动态抗扭强度仍然是很足够的。

在烧结凸轮的例子中，甚至“初学者”设计（等级2）都是有可能的，因为制造工艺如图所示。凸轮表面在上升推进的位置第一次保持宽度上的常量，之后沿基圆方向逐渐变细。有效宽度/工作表面在基圆是最小的，此处机械应力也是最低的。

当凸轮片宽度从凸缘到基圆逐渐变细时，甚至可以节省更多的材料。对比等级2，根据凸轮的类型不同，材料体积可以额外节省百分之8到12。然而这种变化形式是有问题的，因为凸轮表面的变窄已经出现在高压的凸轮侧面。

在THhyssenKrupp Presta，新的凸轮材料和形状已经在单凸轮实验台上更糟糕的条件下被测试，如图6。工程师们必须保证生产物品是基于坚定的、可靠的设计尽管它是轻量构造，并且它甚至在过度工作情况下既不会产生又不会引起伤害。

小型化

减小凸轮轴的轴颈直径也是减小基圆可以实现在减轻发动机重量的同时也减小发动机的整体高度。在现代发动机中，不仅倾向于轻量化设计而且越来越倾向于小巧的设计。占用空间大小是一项评估发动机的重要标准。然而，当轴颈直径减小，我们就要想到轴管的扭转应力和弯曲应力与直径的四次方成正比。因此优化重量的可能性就很快的消失了。

使用更轻的材料

铝和镁作为钢铁的替代品正越来越广泛地被应用到汽车产业。它们最大的优点就是密度小。不过它们也有一些缺点就它们的机械性能来说，比如它们的弹性模量和抗拉强度要低于铁。论硬度和抗磨损性能，轴颈和凸轮表面必须要满足很高的标准，不过用这两种材料很难或不可能满足要求。因此，铝和镁一般用来制造不受力或者以不同的方式受力的部件。而且，必须要注意的时铝的初级生产需要很大的能量。从经济和生态的角度来看，这也是铁的另一种优点。

最近，相当多的材料被投入到合成材料的发展中。纤维增强材料被认为可能会替代钢铁在汽车设计中的作用。然而，在发动机机舱，条件不利于使用合成材料。此外，被证明像钢铁一样坚固的纤维增强材料也必须要能保持这种状态。就合成材料来说，必须要处理的关键问题是材料是否耐久和在整个服役过程中那部分能否一直保持物理性能和化学性能。

结论

凸轮轴产品就算不使用轻质合金和合成材料也可以实现有效的、合算的轻量化设计。通过最优的设计，仍可以在不舍弃钢铁作为基础材料的情况下减少使用材料。轻量化设计实现的可能性在图7中通过一个具体的凸轮轴例子说明。铁仍然是最重要的材料；从所有经济和生态的角度看，对比塑料和陶瓷材料铁仍然是处于优势地位的。

汽车发动机中的装配式凸轮轴

摘要：装配式凸轮轴提供了一种比传统方法更好的生产方法，以满足凸轮轴低成本高性能的需求。凸轮轴的制造通常包括铸造、锻造、把一个粗坯加工成成品凸轮几何外形的加工过程。我们将要讨论的是一种将每个近净成形部件精密装配到有着装配公差的轴管上的新方法。该凸轮轴的加工只需要进行一次精磨。每个凸轮片需要通过铸造、温精锻或冷精锻、高速车削或粉末冶金制造。该过程选择材料很灵活以优化材料的性能和成本方面的所有组件。除了是装配式凸轮轴的固有优势，这种加工方法还具有超过凸轮轴传统加工方法的成本优势。

研究背景：

汽车工业为增加其发动机的燃油经济性二受到的持续压力，促使其在气门机构上推出的滚子凸轮从动件（用以代替有缺陷的滑动凸轮从动件）。滚子从动件与凸轮轴之间的摩擦减小从而显著提升了发动机燃油经济性。然而，滚子从动件的使用导滚子从动件与凸轮轴之间的赫兹接触应力超过220000 PSI。这种高接触应力就决定了凸轮片必须要用一种合金钢来制造。钢凸轮轴的制造一贯涉及到棒料或锻件的使用。

由于从初始棒料或原锻件到具有成品外形的凸轮轴需要大量的成形和加工操作，相比于铸造铁凸轮轴的使用，钢凸轮轴的使用已经开始在成本方面暴露出缺点。在一些最近的菲亚特-从动件凸轮轴设计中，虽然铸造凸轮轴已证明是一种有效的制造方法，轴被钻出深空的长度是为了让油道通过实心的铸造轴芯。这种在内部加工孔的操作成本是很高的，而由于平面从动件装配式凸轮轴更有吸引力。

很明显，一个方法比早前描述的制造方法更具成本竞争力，它才是必要的。有一种方法是为了将每个近净成形的凸轮片装配到一根在制造或在操过程中不会移动位置的合金钢轴杆上而开发的。精磨前后的凸轮片和成品组装如图1所示。凸轮片的联接方法是一种属于通用汽车专利的球推压方式，示意图如图2所示。设计、分析、试验和制造装配式凸轮轴的理论已经发展到能让这种制造方法成为一个可行的生产工艺方法。

设计：

装配式凸轮轴为许多产品提供了在制造装配过程中固有的功能。这些功能在滚子和平面从动件凸轮轴的应用方面是很普遍的，如下：

凸轮片的最佳材料选择

为了在尽可能低的成本条件下满足性能要求，用于凸轮轴中每个组件的材料可以独立地选择。单个凸轮片可以在装配前批量地进行处理，从而保证零件的完整性。凸轮片的选材要确保使用滚子从动件时的滚动接触疲劳强度和使用平面从动件时的耐磨性。温锻和冷锻合金钢凸轮片已应用于滚子从动件凸轮轴和各种铸件，钢和粉末金属（PM）合金已应用于平底从动件凸轮轴。轴承期刊可以从自由加工钢或金属粉末，从而简化了钻孔和孔的孔上的期刊。齿轮可以铸铁制造，这消除了任何与配合齿轮的材料相容性问题。

消除热处理引起的变形

装配组件是在不加热的条件下装配到装配式凸轮轴上，因而凸轮片需要在这之前进行热处理。这确保从保持通过最终处理的精密装配操作中获得的高精度。

无切削加工完成凸轮轴制造

近净成形部件是在所有部件的磨削公差范围内完成装配的。

润滑油孔

空心管的使用是为了提供一个有效的通道使润滑油从凸轮内部穿过轴承轴颈和凸轮片。这是为了对比传统凸轮轴中昂贵的深钻孔和粗钻孔加工。

轻量化

空心凸轮轴相比于典型的实心凸轮轴每凸轮轴减少了超过2磅或者说减轻了约30%的重量。在多个凸轮轴应用时显著减轻了重量。

降低制造成本

传统凸轮轴需要对轴承轴颈进行机械粗加工和对凸轮片进行铣削加工，之后还要进行热处理、矫直、精磨，才能完成凸轮轴的加工。装配式凸轮轴凭借它不需要很多精加工操作的优点降低了制造成本。热处理后的凸轮片装配时的精度可达plusmn;1／2 deg。凸轮片和轴承轴颈经过精磨后就完成了装配式凸轮轴的制造。

分析与测试

引入装配式凸轮轴就必须要完全理解凸轮轴是从整个气门机构汲取经验的这个关键点。在过去，凸轮轴的选材是选择能够承受出现最大载荷区域的材料，这个区域在凸轮片上凸轮与凸轮从动件之间的接触面处。这就导致在凸轮轴的其余部分在应用时变成是过度设计的。优化凸轮轴的材料和设计，可以减少所有的重量和成本，但是需要充分了解气门机构和分析凸轮轴的方法。

为确保装配式凸轮轴的可靠性，分析必须包括在发动机在实际驾驶条件下得到的数据，并且这些条件必须定量关联全体客户使用。通用汽车的实验基地已经收集到关于客户在正常的日常驾驶时发动机的速度和持续这种速度的时间的数据。此数据被转换成一个加速测试时间表，以模拟测量条件，并确保系统和凸轮轴的完整性。

由于实际车辆测试是一个昂贵和繁琐的测试方法，它在评估一种无点火装置发动机的新设计上也是令人满意的，这种发动机是机动的但包含完整可操作气门机构，如图3.凸轮轴是通过一个变速发动机带动定时链去更换曲轴来实现驱动的。需要对发动机的温度和油压进行监测。推杆的压力是在速度不同的降压发动机和点火发动机中测定的。这是通过在推杆粘贴应变片完成。在不同的发动机转速条件下，凸轮轴上的峰值力变化的幅度和位置如图4所示，从而影响轴的应力状态。凸轮轴受到的扭矩和弯曲应力也由降压发动机和点火发动机确定。测量这些参数是为了确定发动机燃烧时会引起曲柄上出现间歇性加载的情况从而导致点火发动机上的应力变化。总的来说，本文的实验分析结果表明点火发动机和降压发动机之间没有差异，说明降压发动机是一种可以用来测试装配是凸轮轴的方法。

此外，理论推杆力和弯曲应力使用有限元模型（FEM）技术来计算并各种计算机程序来验证实验结果。这种新开发的有限元凸轮

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