开题报告
题目名称
凸轮轴结构设计及工艺编制
题目来源
A
题目类型
4
导师姓名
学生姓名
班级学号
专    业
凸轮轴的功用是通过凸轮轴的不断旋转，推动气门顶杆上下运动，进而控制气门的开启与关闭。通过改变凸轮轴的曲线，可精确调整气门开启、关闭时间。
1、课题背景和意义：
凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。由于气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。
2、凸轮轴的国内外发展趋势：
    2.1凸轮轴的结构、位置及转动方式
凸轮轴的主体是一根与气缸组长度相同的圆柱形棒体。上面套有若干个凸轮，用于驱动气门。凸轮轴的一段时轴承支撑点，另一端与驱动轮相连接凸轮的侧面呈鸡蛋形。其设计的目的在于保证汽缸充分的进气和排气，具体来说就是在尽可能短的时间内完成气门的开、闭动作。另外考虑到发动机的耐久性和运转的平顺性，气门也不能因开闭动作中的加减速过程产生过多过大的冲击，否则就会造成气门的严重磨损、噪声增加或是其他严重后果。因此，凸轮和发动机的功率、扭矩输出以及运转的平顺性有很直接的关系。在以前的很长的一段时间里，底置式凸轮轴在内燃机中最为常见。通过这样的发动机中，气门位于发动机的顶部，即所谓的OHV(OverHeadValve，顶置气门）式发动机。此时通常凸轮轴位于曲轴箱的侧面，通过配气机构（如挺杆、推杆、摇臂等）对气门进行控制。因此底置式凸轮轴一般也叫侧置式凸轮轴。由于在这样的发动机凸轮轴距离气门较远，而且每个气缸通常只有2个气门，因此转速通常较慢，平顺性不佳，输出功率也较低。不过这种结构的引擎输出扭矩和低速性能比较出，结构也比较简单，易于维修。按凸轮轴的数目多少，可分为单顶置凸轮轴（SOHC)和双顶置凸轮轴（DOHC)2种。单顶置凸轮轴就只有1根凸轮轴，双顶置凸轮轴有2根凸轮轴。底置式凸轮轴通常次用星形齿轮组（即所谓的“控制论”），辊子链或齿条与曲轴相连。为了控制噪声，直径大的凸轮轴端传动轮通常由塑料或者轻金属制造，而相对直径较小的曲轴端传动轴则大多采用钢材。链条连接也比较多见。这种方式在底置式和顶置式凸轮轴上都可以看到。为了减小噪声（一般是链条在运动中产生的“振摆噪声” ），通常还会附带一个液压压紧装置和塑料材质的导轨。顶置式凸轮轴结构中比较多见的是1个塑料齿条链连接。这个齿条链位于发动机油腔外，附带有钢质的嵌入部分，通过2个可调节的辊子帮助张紧.气门运动规律关系到一台发动机的动力和运转特性，因此，凸轮轴设计在发动机的设计过程中占据着十分重要的地位。
2.2凸轮轴的加工工艺
中心孔的加工：加工中心孔的刀具一般都采用标准中心钻(特殊中心孔区别对待)，工艺安排上分2次进行：热处理之前和热处理之后。此道工序的关键是控制好60。的定位锥面的『公差(±15～±20)，且需用专用工具(模拟后续机床的定位顶针)进行全数检查，以控制凸轮轴的轴向开档精度(要求±0．2～±0．5mm)，防止凸轮铣时出现未铣出的毛边。
热处理-淬火：感应淬火时应根据不同的工件材质。在满足硬度要求的前提下出淬火的边界条件，控制输出的最大最小电压、电流范围，同时控制淬人液的浓度、流量和温度，并定期对淬火液的冷却速率进行分析，以此作为更换淬火液的依据。
凸轮磨：随着磨削余量的减少和磨削速度的提高(由传统的35～6Om／s发展到125～200m／s)使用高速磨削将是必然的趋势。对树脂结合剂的刚玉、碳化硅、立方氮化硼磨料的砂轮，其使用速度可达125m／s；陶瓷结合剂砂轮磨削速率可达200m／s。对于选用CBN的砂轮进行磨削，要求注意选配合适的砂轮宽度、浓度、硬度和切削液。正确选择切削液种类和冷却工艺参数，对砂轮在磨削过程中的机械磨损、化学侵蚀和热损伤的程度将产生非常大的影响。尤其是在凸轮轴上同时具有凹面凸轮(也被称作负曲率半径(NROC)凸轮)发动机凸轮轴的情况下，设备供应商一般都建议采用双磨头全数控磨床。
  凸轮轴是汽车发动机配气机构中的重要零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响发动机的性能。近年来，因环境保护的需要，很多国家都在开发低油耗、无污染的汽车发动机。随着发动机功率及转速的不断提高，对凸轮轴运动的平稳性、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求。同时在保证凸轮轴高强度与可靠性的前提下，凸轮轴的设计制造应具
有结构紧凑、重量轻、加工流程简化的特点，以达到轻量化、低成本、高效率的目的。目前，大部分发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳低合金钢(经高频淬火)，有的采用球墨铸铁。整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高【1】。
金属一塑料复合凸轮轴已在美国应用。将粉末金属成型并经磨削加工的凸轮片和中空钢轴放入模具内，在中空轴周围注射塑料。凸轮片和轴之间不再有金属直接接触，而是由塑料固定形成一体。这种凸轮轴的成本及重量均可减少4O，可降低发动机噪声，加工准备时间由原来的几小时缩短至几分钟【2】。装配式凸轮轴目前以较快的速度发展，主要应用于高性能发动机上。目前，世界上许多汽车工业发达的汽车制造厂正在越来越多使用装配式凸轮轴制造新技术，但因技术掌握的程度、方法不同，使用装配式凸轮轴的种类也不同。装配式凸轮轴已发展二十多年，正大力开发应用复合材料，例如陶瓷材料等制造凸轮轴。随着装配式凸轮轴生产技术的提高，性能更好、成本更低、技术多样化的装配式凸轮轴将会涌现出来【3】。1981年7月，日本丰田汽车公司宣布，世界第1个粉末冶金技术制成粉末烧结结中空整体凸轮轴，已大量用于IS型直列式死缸发动机。在汽车领域，中空装配式凸轮轴新技术已在高性能的发动机上得到应用。美国福特汽车公司的GT一90汽油机(V型12缸)顶置式凸轮轴，通用汽车的LN2汽油机(直列4缸)顶置式凸轮轴和3100SFI汽油机(V型6缸)顶置凸轮轴，日本日野公司的J08C系列柴油机(直列4缸和6缸)顶置式凸轮轴，上海通用汽车公司的别克发动机顶置式凸轮轴，均采用中空装配式凸轮轴【4】。
  国内外生产凸轮轴的材质很多，有45钢、球墨铸铁、合金铸铁。目前，常使用的铸造方法是壳型铸造，其中包括铁型覆砂l_5和壳型填铁丸两种铸造工艺，其他还有如消失模铸造等【5-6】。清华大学李双寿等人研究了球铁凸轮轴的激光表面处理【7，发现经过该技术处理之后，球铁凸轮轴的表层由外而内分别是熔凝层、淬硬层和基体，并且其硬度均大于58HRC，搭接处的硬度也没有降低。AstashkevichBM等人研究了激光表面处理在所有的铸铁、中碳钢以及工具钢中的应用，指出材料的淬透性和硬度等都受到激光处理的一些可变参数的限制，比如能量大小、光束直径、光束形状、扫描速度以及聚焦条件等的限制。在国外，ChernyshevAN等人通过试验研究发现灰铸铁和具有球状石墨的高强铸铁不适合于使用重熔工艺来进行表面强化，其原因有3点：1)产量大幅度降低；2)熔池内的碳没有完全分解，耐磨性降低；3)钨电极消耗太大。他们指出用蠕墨铸铁来代替灰铸铁和具有球状石墨的高强铸铁效果更好，还指出参数的变化会影响激冷层中片状渗碳体的分布。2005年英国哥伦比亚大学A Mitchell教授又将以前只是应用于精炼的电渣冶炼重熔法和真空电弧重熔法成功应用于工业纯铁生产的凝固控制阶段【8】。
3、课题主要内容：
3.1 设计各个零部件具体参数，并验证是否符合标准，进行核对；
3.2 运用AUTOCAD和CATIA/PRO-E建立凸轮轴的2D、3D模型：
      3.3 凸轮轴的工艺流程及重要加工工艺。
4、课题研究方案：
1）针对YC6M340－20、Linda1.8T两款内燃机进行研究，分析该凸轮的结构类型，确定设计数据；
2）运用PRO-E 对凸轮轴建模；
3）将模型导入AUTOCAD中，得到凸轮轴的2D模型。
5、日程安排：
前期调研                                              2周
                2D建模                                                5周
                3D建模                                                3周
                工艺流程编制                                          3周
            毕业论文及答辩                                        2周
6、参考文献：
【1】杨依忠，王振发．装配式凸轮轴制造工艺[J]．汽车工艺与材料，2002(7)：29～3
【2】郝军清．新材料新工艺在凸轮轴生产中的应用[J]．内燃机与动力装，2006，6．
【3】杨慎华．装配式凸轮轴制造技术现状与发展趋势[J]．内燃机工程，2004，25(2)．
【4】黄列，潘东杰．铁型覆砂铸造及其发展[J]．现代铸铁，2od6(3)：12—18．
【5】李晓东，马鸣图．数值模拟在铁型覆砂铸造中的应用[J]．汽车工艺与材料，
2002(8)：69—71．
【6】 LeServeFL．ShellMouldingMaintainsStatusasLead—
ingPrecisionSandcastingTechnique[J]．FoundryTradeJour—nal，1981(11)：
707—7
【7】 Astashkevich BM，ZinovevGS，Voronin IN．Resto—
ringdieselenginecamshaftsbylasertreatment[J]．
MetalScienceandH eatTreatm ent，1996，38(11-12)：512-514．
【8】  MitchellA．Solidificationinremeltingprocesses[J]．M aterials Science and Engineering A，2005，413-414：10—18．
指导教师意见   
指导教师(签字):              年  月  日
学院意见
                                                             
学院院长(签字):              年  月  日 
填表说明: 题目类型: 1、工程设计； 2、应用研究； 3、理论研究； 4、其它；（选1、2、3、4）。
题目来源: A、自拟课题； B、民用科研课题；C、国防科研课题；（选A、B、C）。
开题报告内容使用宋体小四字号。