曲軸的發展趨勢
2023-04-12 11:06
曲軸是汽車發動機配氣機構中重要的零件，凸輪軸的結構設計與加工質量好壞，直接影響着發動機的性能。近年來，因環境保護的需要，正在開發低油耗、低污染的發動機。爲了解決汽車尾氣無污染排放問題，實現發動機的高轉速、高輸出功率，許多發動機采用多氣門及配氣相位、氣門升程可變的結構，這就增加了氣門彈簧的載荷。同時，爲了降低油耗及摩擦損耗，凸輪與搖臂間采用滾子結構，凸輪與滾子的接觸面形成高壓力區，這對凸輪軸運動的平穩性、動平衡、耐磨性能及抗扭強度提出了更高的要求。另外，爲了達到汽車輕型化、低成本的目的，在不影響各個零件性能要求的前提下，應該使零件盡可能簡化加工、降低重量，材料使用也更趨合理。
一般來說，直列式發動機中，一個凸輪就對應一個氣門。V型發動機或水平對置式發動機則是每兩個氣門共享一個凸輪。而轉子發動機和無閥配氣發動機由于其特殊的結構，并不需要凸輪。
爲了實現輕量化，易于加工且低成本，以及發動機的高轉速、高輸出功率，發動機部件，尤其是凸輪軸的設計必須重新考慮，要求其結構緊湊、功能高度集中、重量輕，能承受更高的接觸壓力。在目前的凸輪軸應用中，已經将缸蓋潤滑系統集中于中空式凸輪軸，将實現缸内直噴的燃油泵驅動組件在凸輪軸上實現，将VVT(可變正時氣門)在凸輪軸尾端使用。在配氣機構中，對凸輪軸各個部位的性能要求是不同的。對于凸輪和燃油泵驅動輪，要求耐磨損、耐膠着、耐點蝕；對于軸頸要求滑動性能好；對于軸則要求剛性、彎曲、扭轉性能好。
随着汽車輕量化發展，凸輪軸向輕量化、功能高度集中和低成本方向發展，裝配凸輪軸的優勢逐漸被人們認可和接受。
裝配式凸輪軸的軸和凸輪分開制造，然後裝配在一起。凸輪一般采用碳鋼或粉末冶金材料，軸頸采用粉末冶金件或集中于芯軸的鋼管上，芯軸則采用冷拔薄壁無縫鋼管。碳鋼凸輪可進行高頻淬火或滲碳處理，具有較高的耐膠着、耐點蝕性能。
在設計方面裝配式凸輪軸可将凸輪寬度設計較窄，間隔亦可很小，凸輪的排列非常緊湊。它與傳統凸輪軸相比具有重量輕、加工成本低、材料利用合理等優點，與實心軸凸輪軸相比，重量減輕多達45％。
裝配式凸輪軸的關鍵技術是連接方法，因其連接方法不同而決定制造工藝及設備。裝配式凸輪軸始于上個世紀80年代，最先研制開發的是焊接連接式凸輪軸。上個世紀80年代中期燒結連接式凸輪軸投入使用，同期出現了擴管法生産的凸輪軸。上世紀90年代後期滾花連接式凸輪軸開始研制。随着新的連接方法的出現，裝配式凸輪軸制造技術也不斷地被更新。
焊接連接式凸輪軸由于焊接時容易産生熱變形，使凸輪軸的尺寸精度降低，激烈的熱變化也容易使焊接部位産生裂紋，質量難以保證；燒結連接式凸輪軸在進行粉末燒結成型凸輪的同時，凸輪又要在液相狀态下與鋼管擴散連接，此過程必須在1000℃以上燒結爐内進行，在高溫下軸容易産生彎曲，造成尺寸精度誤差，而且在燒結時，對材料的性能也有限制，需要大型燒結爐，熱效率不高；擴管法首先使凸輪與鋼管配合，然後從管内側加液壓或機械擴管，爲承受擴管内壓，凸輪壁要有一定的厚度，同時，爲了使擴管容易進行，必須使用薄壁鋼管，且由于高壓作業的特殊要求，也使其設備大型化；冷熱套過盈連接法雖然在機械零件生産中被廣泛應用，但在凸輪軸生産中未必合适，因爲在凸輪與軸熱套連接時，凸輪被加熱，産生軟化現象，難以保證摩擦時的耐磨性，許多凸輪在工作時，會向軸端導熱，使得工作初始與完了時的連接過盈量發生變化，連接器度不能保持一緻；滾花法在可靠性、精度、設備、能耗等方面都有一定的優越性。
進一步開發組合式凸輪軸的重點将在于開發材料及優化加工工藝。市場上目前正在大力開發應用複合材料，例如陶瓷材料等制造凸輪軸。公司正在進行組合式凸輪軸的擴展功能研發。比如燃油泵啓動件和傳感器組件的集成也日漸受到青睐。SOHC凸輪軸上進氣口或出氣口凸輪節的同步可通過CamInCam?嵌套式凸輪軸來實現。
裝配式凸輪軸目前以較快的速度發展，主要應用于高性能的發動機上。随着裝配式凸輪軸生産技術的提高，性能會更好、成本更低、技術多樣化的裝配式凸輪軸将會湧現出來。
