凸轮轴的发展趋势

凸轮轴是汽车发动机配气机构中重要的零件，凸轮轴的结构设计与加工质量好坏，直接影响着发动机的性能。近年来，因环境保护的需要，正在开发低油耗、低污染的发动机。为了解决汽车尾气无污染排放问题，实现发动机的高转速、高输出功率，许多发动机采用多气门及配气相位、气门升程可变的结构，这就增加了气门弹簧的载荷。同时，为了降低油耗及摩擦损耗，凸轮与摇臂间采用滚子结构，凸轮与滚子的接触面形成高压力区，这对凸轮轴运动的平稳性、动平衡、耐磨性能及抗扭强度提出了更高的要求。另外，为了达到汽车轻型化、低成本的目的，在不影响各个零件性能要求的前提下，应该使零件尽可能简化加工、降低重量，材料使用也更趋合理。

一般来说，直列式发动机中，一个凸轮就对应一个气门。V型发动机或水平对置式发动机则是每两个气门共享一个凸轮。而转子发动机和无阀配气发动机由于其特殊的结构，并不需要凸轮。

为了实现轻量化，易于加工且低成本，以及发动机的高转速、高输出功率，发动机部件，尤其是凸轮轴的设计必须重新考虑，要求其结构紧凑、功能高度集中、重量轻，能承受更高的接触压力。在目前的凸轮轴应用中，已经将缸盖润滑系统集中于中空式凸轮轴，将实现缸内直喷的燃油泵驱动组件在凸轮轴上实现，将VVT(可变正时气门)在凸轮轴尾端使用。在配气机构中，对凸轮轴各个部位的性能要求是不同的。对于凸轮和燃油泵驱动轮，要求耐磨损、耐胶着、耐点蚀；对于轴颈要求滑动性能好；对于轴则要求刚性、弯曲、扭转性能好。

随着汽车轻量化发展，凸轮轴向轻量化、功能高度集中和低成本方向发展，装配凸轮轴的优势逐渐被人们认可和接受。

装配式凸轮轴的轴和凸轮分开制造，然后装配在一起。凸轮一般采用碳钢或粉末冶金材料，轴颈采用粉末冶金件或集中于芯轴的钢管上，芯轴则采用冷拔薄壁无缝钢管。碳钢凸轮可进行高频淬火或渗碳处理，具有较高的耐胶着、耐点蚀性能。

在设计方面装配式凸轮轴可将凸轮宽度设计较窄，间隔亦可很小，凸轮的排列非常紧凑。它与传统凸轮轴相比具有重量轻、加工成本低、材料利用合理等优点，与实心轴凸轮轴相比，重量减轻多达45％。

装配式凸轮轴的关键技术是连接方法，因其连接方法不同而决定制造工艺及设备。装配式凸轮轴始于上个世纪80年代，最先研制开发的是焊接连接式凸轮轴。上个世纪80年代中期烧结连接式凸轮轴投入使用，同期出现了扩管法生产的凸轮轴。上世纪90年代后期滚花连接式凸轮轴开始研制。随着新的连接方法的出现，装配式凸轮轴制造技术也不断地被更新。

焊接连接式凸轮轴由于焊接时容易产生热变形，使凸轮轴的尺寸精度降低，激烈的热变化也容易使焊接部位产生裂纹，质量难以保证；烧结连接式凸轮轴在进行粉末烧结成型凸轮的同时，凸轮又要在液相状态下与钢管扩散连接，此过程必须在1000℃以上烧结炉内进行，在高温下轴容易产生弯曲，造成尺寸精度误差，而且在烧结时，对材料的性能也有限制，需要大型烧结炉，热效率不高；扩管法首先使凸轮与钢管配合，然后从管内侧加液压或机械扩管，为承受扩管内压，凸轮壁要有一定的厚度，同时，为了使扩管容易进行，必须使用薄壁钢管，且由于高压作业的特殊要求，也使其设备大型化；冷热套过盈连接法虽然在机械零件生产中被广泛应用，但在凸轮轴生产中未必合适，因为在凸轮与轴热套连接时，凸轮被加热，产生软化现象，难以保证摩擦时的耐磨性，许多凸轮在工作时，会向轴端导热，使得工作初始与完了时的连接过盈量发生变化，连接器度不能保持一致；滚花法在可靠性、精度、设备、能耗等方面都有一定的优越性。

进一步开发组合式凸轮轴的重点将在于开发材料及优化加工工艺。市场上目前正在大力开发应用复合材料，例如陶瓷材料等制造凸轮轴。公司正在进行组合式凸轮轴的扩展功能研发。比如燃油泵启动件和传感器组件的集成也日渐受到青睐。SOHC凸轮轴上进气口或出气口凸轮节的同步可通过CamInCam?嵌套式凸轮轴来实现。

装配式凸轮轴目前以较快的速度发展，主要应用于高性能的发动机上。随着装配式凸轮轴生产技术的提高，性能会更好、成本更低、技术多样化的装配式凸轮轴将会涌现出来。