滾動軸承在發(fā)動機凸輪軸上的研究與應用

崔曉敏 張欣亮

摘要：軸承作為國家經(jīng)濟的戰(zhàn)略物資，被廣泛應用于各個領(lǐng)域，它是機械裝備中最重要最關(guān)鍵的基礎(chǔ)零部件，可以稱之為機械的心臟。軸承主要起到受力和傳動的作用，它的好與壞直接決定機械的性能、質(zhì)量和可靠性。本文在此基礎(chǔ)上主要分析的是滾動軸承在發(fā)動機凸輪軸上的研究與應用。

關(guān)鍵詞：滾動軸承；發(fā)動機；凸輪軸；應用

1滾動軸承基本結(jié)構(gòu)

為滿足工作需求，滾動軸承的生產(chǎn)日趨標準化、系列化、多樣化。軸承按照其所承受載荷方向的不同可以分為向心軸承（徑向）、推力軸承（軸向）和向心推力軸承（同時承受徑向軸向），按照滾動體的形狀又可以分為球軸承和滾針軸承。其種類雖然繁多，但主要結(jié)構(gòu)基本相同，都是由內(nèi)圈、外圈、滾動體和保持架四大部件構(gòu)成。在實際情況中，通常我們會發(fā)現(xiàn)軸承運轉(zhuǎn)時其內(nèi)圈在不停的轉(zhuǎn)動，而外圈卻停止不動。究其根本是因為軸承內(nèi)圈與軸采用了過盈配合的配合方式，故當主軸在旋轉(zhuǎn)時內(nèi)圈會與之一起轉(zhuǎn)動，而軸承外圈與軸承座孔通過過盈連接相互配合，與之固定并起到支撐軸承元件的作用。與之相反即固定內(nèi)圈轉(zhuǎn)動外圈情況也存在，但是相對較少。滾動體是軸承的核心部分，均勻分布在軸承內(nèi)外圈之間，降低滾動軸承內(nèi)外圈之間的摩擦阻力、減少熱量的產(chǎn)生，將內(nèi)外圈表面之間的滑動摩擦變成滾動摩擦使兩者間的相對運動變得更加順暢是滾動體的主要作用。有些軸承內(nèi)圈外側(cè)和外圈內(nèi)側(cè)設(shè)有凹槽滾道，其目的是為了降低滾動體和內(nèi)外圈之間的接觸應力，同時還能防止?jié)L動體發(fā)生軸向移動。此外滾動體的形狀、大小和數(shù)量對軸承的抗壓承載能力有一定影響。保持架位于軸承內(nèi)外圈之間，其功能是固定滾動體，并將一定數(shù)量的滾動體按同等間隔分開，以防彼此之間相互碰撞擠壓，保證滾動體安全順利的運動。

2發(fā)動機凸輪軸概述

凸輪軸是發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，凸輪軸桃尖部位的硬度和白口層深度是決定凸輪軸使用壽命和發(fā)動機效率的關(guān)鍵技術(shù)指標。在保證凸輪有足夠高的硬度和相當深的白口層的前提下，還應考慮軸頸不出現(xiàn)較高的碳化物，使其具有較好的切削加工性能。國內(nèi)外生產(chǎn)凸輪軸的主要方法有：采用鋼質(zhì)鍛造毛坯經(jīng)切削加工后，凸輪桃尖部分經(jīng)高頻淬火形成馬氏體層的工藝。20世紀70年代末，德國和法國相繼開發(fā)了凸輪軸氬弧重熔新工藝；另有以美國為主的可淬硬鑄鐵凸輪軸；以日本和法國為主的冷硬鑄鐵凸輪軸；以及凸輪部位用Cr-Mn-Mo合金涂料進行鑄件表面合金化的生產(chǎn)工藝等。

3滾動軸承在發(fā)動機凸輪軸上的應用

3.1選擇軸承類型

根據(jù)凸輪軸工作環(huán)境和滾動軸承結(jié)構(gòu)特點，深溝球軸承和滾針軸承均可應用于凸輪軸，根據(jù)周邊尺寸選擇具體類型。研究方案一：受限于凸輪軸外徑和缸蓋軸承蓋內(nèi)徑尺寸，只能選擇滾針軸承，在此條件下，必須設(shè)計額外的止推面以限制凸輪軸軸向移動。研究方案二：通過缸蓋軸承蓋內(nèi)徑設(shè)計優(yōu)化，采用球軸承集成了止推功能，取消凸輪軸上的止推特征，同時考慮降低摩擦效果，取消了滾針軸承。

3.2選擇軸承尺寸

軸承在承受負荷旋轉(zhuǎn)時，由于套圈滾道面及滾動體滾動面不斷地受到交變負荷的作用，即使使用條件正常，也會因材料疲勞使?jié)L道面及滾動面出現(xiàn)魚鱗狀損傷（稱做剝離或剝落）。出現(xiàn)這種滾動疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做軸承的“（疲勞）壽命”。即使是結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、加工方法等完全相同的軸承，在同樣條件下旋轉(zhuǎn)時，軸承的（疲勞）壽命仍會出現(xiàn)較大的差異。這是因為材料疲勞本身即具有離散性，將一批相同的軸承在同樣條件下分別旋轉(zhuǎn)時，其中90%的軸承不出現(xiàn)滾動疲勞損傷的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做“軸承的基本額定壽命”（即可靠性為90%的壽命）。因球軸承需裝配在凸輪軸上，因此凸輪軸前端最小直徑?jīng)Q定了滾動軸承的內(nèi)徑。本項目凸輪軸前端因安裝機油控制閥，導致外徑達到Φ33mm，為便于安裝，球軸承內(nèi)徑d設(shè)計為Φ33.5mm，同時缸蓋軸承蓋內(nèi)孔徑最大Φ52mm，即滾動軸承外徑D最大為Φ52mm，軸承寬度B為10mm。

3.3軸承安裝

軸承安裝是否正確，直接影響軸承使用時的精度、壽命和耐久可靠性。因此需要嚴格規(guī)范操作，按照作業(yè)標準進行。方案二球軸設(shè)計為內(nèi)外圈均需過盈壓入，第一步將球軸承壓入軸承蓋內(nèi)，此時壓頭必須僅作用于外圈直至壓至軸肩；第二步將凸輪軸壓入球軸承內(nèi)圈球，此時壓頭作用于凸輪軸，但支撐必須在球軸承內(nèi)圈。內(nèi)外圈表面涂潤滑油有利于降低壓入力，可將平均壓入力峰值從5400N降低到3300N，且壓裝力更穩(wěn)定。

3.4滾動軸承摩擦分析

凸輪軸的摩擦面積及摩擦頻率是發(fā)動機所有摩擦副中排在前列的，它的功能是負責發(fā)動機進排氣門的工作，凸輪軸工作可靠性的高低，對降低油耗、提高功率、凈化尾氣有很重要的意義。凸輪軸運轉(zhuǎn)時凸輪表面與液壓挺柱之間有很高很頻繁的接觸應力，因此凸輪軸上最容易失效的是凸輪表面，極易磨損。發(fā)動機運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高，有時高達數(shù)千轉(zhuǎn)，在這種高負荷的工作環(huán)境下要求凸輪軸的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、耐磨性、強度等性能應優(yōu)于其他部件。然而傳統(tǒng)的整體式凸輪軸使用鑄造或鍛造的方式加工，因此凸輪軸各部分采用相同的金屬材料，各部分力學性能一致，很難保證摩擦表面有更高的耐磨性。分體式凸輪軸正好相反，由于凸輪軸由多個小零件組成，各零件采用不同的金屬材料，保證各部位的力學性能滿足工作要求，正好彌補了整體式凸輪軸的不足，降低生產(chǎn)費用。一般四缸發(fā)動機均配有2根凸輪軸，中國汽車保有量很大，因此每年凸輪軸的用量十分巨大，并且?guī)缀蹙蓢鴥?nèi)供應商提供。目前，國內(nèi)汽車銷售行業(yè)競爭進入了白熱化狀態(tài)，汽車價格透明而且日益走低，因此各汽車總廠對配件的價格也要求降低，凸輪軸亦如此。國內(nèi)凸輪軸供應商很多，多數(shù)供應商凸輪軸的生產(chǎn)方式是整體式澆鑄冷激鑄鐵。整體式凸輪軸運用的是澆鑄工藝，脹砂、縮孔、縮松等生產(chǎn)缺陷極易出現(xiàn)在使用澆注鑄造工藝凸輪軸的表面，而且生產(chǎn)費用高，關(guān)鍵是產(chǎn)品合格率不高，造成原料極大浪費。因此，澆注的生產(chǎn)工藝只適用于大批量生產(chǎn)。當生產(chǎn)數(shù)量較小時，棒料切削成型工藝比較合適，可以節(jié)省原材料，但切削出去的余料仍然造成了浪費，原料利用率大大降低。為保證凸輪軸運轉(zhuǎn)的可靠性，提升發(fā)動機的生產(chǎn)合格率，減少生產(chǎn)費用，研究分體式凸輪軸的使用非常必要。分體式裝配凸輪軸很早就使用在一些簡單的機械上面，汽車上使用的較晚，有些供應商已經(jīng)采用，部分廠家也已經(jīng)進行研發(fā)。當下，中外合資的汽車企業(yè)采用分體式凸輪軸，而且也開發(fā)出柔性生產(chǎn)線，但仍然受生產(chǎn)費用居高不下而困擾。國產(chǎn)自主品牌汽車較少采用分體式凸輪軸。但是，分體式凸輪軸的采用是國產(chǎn)汽車發(fā)動機凸輪軸生產(chǎn)裝配的必然趨勢。

4結(jié)束語

總之，隨著發(fā)動機的設(shè)計者和制造者追求更高的發(fā)動機效率以及排放法規(guī)的日益嚴格，發(fā)動機設(shè)計開發(fā)之初，降摩擦技術(shù)要早期考慮。根據(jù)發(fā)動機使用環(huán)境和空間要求，選擇合適的滾軸承類型和尺寸，并設(shè)計好裝配制造方法，凸輪軸采用滾動軸承可以顯著降低摩擦損失，是切實有效的技術(shù)方案。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司；

河北省汽車工程技術(shù)研究中心）