四缸发动机凸轮轴毕业设计.docx
《四缸发动机凸轮轴毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四缸发动机凸轮轴毕业设计.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
四缸发动机凸轮轴毕业设计
四缸发动机凸轮轴毕业设计
附件八：
武汉纺织大学
毕业设计（论文）
课题名称：
四缸发动机凸轮轴的工艺设计
完成期限：
2010年12月1日至2011年5月30日
院系名称机械工程与自动化学院指导教师徐巧
专业班级机设073指导教师职称讲师
学生姓名向冲
院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字
摘要
凸轮轴作为汽车发动机配气机构中的关键部件，其性能直接影响着发动机整体性能。
因此凸轮轴的加工工艺有特殊要求，合理的加工工艺对于降低加工成本、减少生产环节以及合理布置凸轮轴生产线具有很大的现实意义。
本文针对凸轮轴的加工特点，结合工厂的实际，从前期规划开始，对凸轮轴的加工工艺进行了深入的分析、研究。
对凸轮廓形进行计算和推倒，对凸轮轮廓的加工进行了探讨并提出适用于发动机凸轮轴的加工方法。
凸轮轴对其工作要求、部分精度较高，如轴上的油孔的加工、法兰盘孔的加工等。
凸轮轴的工艺过程，我们尽量做到清晰明了，在保证表达清楚的基础上，尽量做到简练。
凸轮轴是轴类零件中比较复杂的一种曲轴，而在磨削加工方面，凸轮轴也是比较难以加工的轴，这种轴类零件的加工方法一般都是大同小异的。
凸轮轴的加工一般是先经过车床的车削加工，制成半成品；然后经过相应的热处理；再就是对凸轮轴各部分的磨削加工；最后就是经过相关工序的处理和检验合格后就可以入库了。
关键词：
四缸发动机；凸轮轴；加工工艺
ABSTRACT
CamshaftEngineValveasakeycomponentinitsperformancedirectlyaffectstheoverallperformanceoftheengine.Therefore,theprocessingtechnologycamshafthasspecificrequirementsforareasonableprocesstoreduceprocessingcosts,reduceproductionprocessesandtherationalarrangementofthecamshaftproductionlineofgreatpracticalsignificance.Inthispaper,theprocessingcharacteristicsofthecamshaft,withtheactualplant,startingfromthepre-planning,onthecamshaftoftheprocessconductedin-depthanalysisandresearch.Convexcontourshapeofcalculatedandpulleddowntheprocessingofthecamprofilearediscussedandmadeapplicabletotheprocessingmethodoftheenginecamshaft.Camshaftitsworkrequirements,somehighprecision,suchastheaxisoftheholeoftheprocess,theflangeholeprocessing.Camshaftprocess,wehaveclarityasfaraspossible,inensuringthebasisofclear,conciseandasfaraspossible.Camshaftofthemorecomplexisacrankshaft,andinthegrinding,thecamshaftisrelativelyhardtoprocess,thisshaftpartsaregenerallysimilartothoseofprocessingmethods.Camshaftaftertheprocessingisgenerallythefirstturninglathe,madeofsemi-finishedproducts;andthenafterappropriatetreatment;thentherearethevariouspartsofthecamshaftgrinding;thelastisthroughtherelevantprocessesforhandlingandstorageafterinspectionthe.
Keywords：
Four-cylinderengine；Camshaft；Processing
1．绪论
1．1课题的意义和背景
在现代社会，汽车是人们生活出行的最普通而快捷的交通工具，而发动机是汽车的心脏，其性能对汽车的整车性能有决定性的影响。
凸轮轴是活塞发动机里的一个必不可少的部件，凸轮轴（camshaft）定义：
装有一个或多个凸轮的轴。
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。
1．2凸轮轴的工艺设计发展现状
目前，国内多数轿车主机厂的凸轮轴生产线和专业生产凸轮轴的厂家均引进了CBN磨削技术，但仍有很多的载重汽车、柴油机和摩托车发动机的凸轮依然采用传统的刚玉砂轮、靠模仿形的磨削工艺。
粗磨工序使用的是国产中低速磨床（35m/s以下），精磨工序部分厂家使用进口磨床，但使用速度均在60m/s以下，修整工具以单点金刚石笔居多，进口磨床和少数国产磨床采用金刚石滚轮修整。
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锻钢（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。
而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同的材料，因此产品质量可减轻30％~50％；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。
1．3本文研究的内容
本文主要围绕凸轮轴的工艺分析设计，从前期选材、凸轮和凸轮轴的理论计算、工艺设计这几个方面，阐述了凸轮轴加工的一套设计思路和方法，对发动机制造业中的零部件加工具有重要的参考作用。
2．发动机配气机构原理介绍
2．1配气机构的组成和工作过程
配气机构由气门组和气门传动组组成。
气门组用来封闭气缸的进、排气道口；气门传动组使气门打开和控制开启与关闭的时刻及开启与关闭的规律。
如图所示为一种典型的配气机构的结构。
气门组主要包括气门、气门导管、气门弹簧、气门弹簧座等。
气门传动组主要由凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂轴、摇臂及气门间隙调整螺钉等组成。
图2-1链传动配气机构
1—挺柱；2—推杆；3—摇臂轴总成；4—凸轮轴；5—曲轴；6—链条
配气机构的工作过程：
凸轮轴4转动时,当凸轮的圆柱面（基圆）部分与挺柱1接触时,挺柱1不升高,挺柱1以上的传动件不动作,气门是关闭的。
当凸轮的凸起部分与挺柱1接触时,便开始将挺柱1顶起,于是气门被打开。
当凸轮的最大凸起处与挺柱1接触时,气门达到最大开度。
随后,凸轮与挺柱1接触表面的凸起开始逐渐变小,气门在气门弹簧的作用下开始上升关闭,并反向推动摇臂等传动杆件,使挺柱1下压保持与凸轮的接触。
当凸轮凸起部分离开挺柱1时,气门完全关闭。
2．2活塞在气缸内的四个冲程
活塞顶部在曲轴旋转中心最远的位置叫上死点、最近的位置叫下死点、从上死点到下死点的距离叫活塞冲程。
活塞式航空发动机大多是四冲程发动机，即一个气缸完成一个工作循环，活塞在气缸内要经过四个冲程，依次是进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
如图所示：
图2-2
发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”，气缸头上的进气门打开，排气门关闭，活塞从上死点向下滑动到下死点为止，气缸内的容积逐渐增大，气压降低——低于外面的大气压。
于是新鲜的汽油和空气的混合气体，通过打开的进气门被吸入气缸内。
混合气体中汽油和空气的比例，一般是1比15即燃烧一公斤的汽油需要15公斤的空气。
进气冲程完毕后，开始了第二冲程，即“压缩冲程”。
这时曲轴靠惯性作用继续旋转，把活塞由下死点向上推动。
这时进气门也同排气门一样严密关闭。
气缸内容积逐渐减少，混合气体受到活塞的强烈压缩。
当活塞运动到上死点时，混合气体被压缩在上死点和气缸头之间的小空间内。
这个小空间叫作“燃烧室”。
这时混合气体的压强加到十个大气压。
温度也增加到摄氏4OO度左右。
压缩是为了更好地利用汽油燃烧时产生的热量，使限制在燃烧室这个小小空间里的混合气体的压强大大提高，以便增加它燃烧后的做功能力。
当活塞处于下死点时，气缸内的容积最大，在上死点时容积最小（后者也是燃烧室的容积）。
混合气体被压缩的程度，可以用这两个容积的比值来衡量。
这个比值叫“压缩比”。
活塞航空发动机的压缩比大约是5到8，压缩比越大，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功率也就越大。
压缩冲程之后是“工作冲程”，也是第三个冲程。
在压缩冲程快结束，活塞接近上死点时，气缸头上的火花塞通过高压电产生了电火花，将混合气体点燃，燃烧时间很短，大约秒；但是速度很快，大约达到每秒30米。
气体猛烈膨胀，压强急剧增高，可达6O到75个大气压，燃烧气体的温度到摄氏2000到250O度。
燃烧时，局部温度可能达到三、四千度，燃气加到活塞上的冲击力可达15吨。
活塞在燃气的强大压力作用下，向下死点迅速运动，推动连杆也门下跑，连杆便带动曲轴转起来了。
这个冲程是使发动机能够工作而获得动力的唯一冲程。
其余三个冲程都是为这个冲程作准备的。
第四个冲程是“排气冲程”。
工作冲程结束后，由于惯性，曲轴继续旋转，使活塞由下死点向上死点运动。
这时进气门仍旧关闭，而排气门大开，燃烧后的废气便通过排气门向外排出。
当活塞到达上死点时，绝大部分的废气已被排出。
然后排气门关闭，进气门打开，活塞又从上死点下行，开始了新一次的循环。
从进气冲程吸入新鲜的混合气体起，到排气冲程排出废气止，汽油的热能通过燃烧转化为推动活塞运动的机械能，带动螺旋桨旋转而作功，这一总的过程叫做一个“循环”。
这是一种周而复始的运动。
由于其中包含着热能到机械能的转化，所以又叫“热循环”。
3．凸轮轴的设计
3．1凸轮轴的功用
凸轮轴是机车发动机上的一个重要零件，它对各气缸的进、排气门的开启和关闭起控制作用，同时，还用来驱动分电器，汽油泵等辅助装置。
3．2凸轮轴的结构特点和技术要求
各种发动机凸轮轴的结构基本差不多，主要差别是凸轮轴的数量、形状和位置不同，其中以四缸、六缸、八缸发动机的凸轮轴用的最多。
就凸轮轴的结构特点而言，其形状复杂，长径比大，工件刚性较差。
3．3各种凸轮轴的技术要求
1）支承轴颈的尺寸精度及各支承轴颈间的同轴度。
2）止推面对于支承轴线的垂直度。
3）凸轮轴基面的尺寸精度和相对于支承轴颈的轴线的同轴度。
4）凸轮的位置精度。
5）凸轮的形状精度。
3．4生产类型的确定
根据设计任务书所给定的原始资料来确定生产类型。
设计任务书给出的资料显示并按车间的工作情况及工件的重量可知，按产量可分单位生产、小批量生产、中批量生产及大批量生产。
由《金属机械加工工艺人员手册》表15-5查零件重48KG<100KG，且年产量为3000件，属于中批量生产。
根据该生产特性可以初步确定零件的机械加工工艺过程，由于中批量生产，一般采用高效机床和专用机床；对刀具一般采用通用刀具，也可以根据工厂实际情况采用专用刀具；量具采用专用量具；夹具使用专用夹具及辅助夹具来提高生产率，同时节省了人力、物力，达到经济可行的目的。
3．5凸轮轴的凸轮形状设计
1）进气凸轮的升程（回程）的设计
将进气凸轮的升程（回程）定为10.21156mm,基圆直径取为46.5mm。
根据教材《机械原理》第七版中第九章凸轮机构及其设计的第二节推杆的运动规律，可确定本课题中的推杆为正弦加速度运动，因为是为了避免推杆在运动中发生冲击，不仅如此，发动机中的轴的运动速度较高，均有柔性冲击，而正弦加速度运动，因为没有加速度突变的现象，不存在柔性冲击，具有较好的运动性能，因此可在高速下应用。
根据《机械原理》第三节《凸轮轮廓曲线的设计》凸轮轮廓曲线设计方法是解析法，凸轮廓线设计方法的基本原理是反转法，在由于是正弦加速度运动，升程（回程）值为10.21156mm可作出推杆的运动轨迹图3-1。
凸轮的推杆升程（回程）的具体数据如下表3-1。
图3-1
公式（3-1）
公式（3-2）
公式（3-3）
（
为推程运动角，
为回程运动角）；
公式（3-4）
令
，
得
公式（3-5）
式中位移
应该分段计算
a．推程阶段
公式（3-6）
；
b.回程阶段
公式（3-7）
取计算间隔为5度，将以上各相应值带入公式计算凸轮轮廓上各点的坐标值。
具体数据见下表：
表3-1
角度Ъ（单位：
度）
位移x（单位：
毫米）
位移y（单位：
毫米）
0
0
23．25
5
2．026
23．162
10
4．037
22．897
15
6．018
22．458
20
7．952
21．848
25
9．826
21．072
30
11．625
20．135
35
13．336
19．045
40
14．945
17．811
45
16．44
16．44
50
17．811
14．945
60
20．135
11．625
70
21．848
7．952
80
22．897
4．037
90
23．25
0
100
22．985
110
120
130
140
150
160
170
180
0
185
190
195
200
205
210
215
220
225
230
240
250
260
-22．985
270
-23．25
0
280
290
300
310
320
330
340
350
360
0
凸轮的轮廓曲线如图所示：
图3-2
2）排气凸轮的的升程（回程）的设计
根据进气凸轮的选定方法，基圆同样定位，升程（回程）10.20992mm。
其他的与进气凸轮类似的取定。
其推杆的运动轨迹：
图3-3
数据的计算公式同进气凸轮的推杆公式计算相同，计算的结果如下表所示：
表3-2
角度Ъ（单位：
度）
位移x（单位：
毫米）
位移y（单位：
毫米）
0
0
23．25
5
2．026
23．162
10
4．037
22．897
15
6．018
22．458
20
7．952
21．848
25
9．826
21．072
30
11．625
20．135
35
13．336
19．045
40
14．945
17．811
45
16．44
16．44
50
17．811
14．945
60
20．135
11．625
70
21．848
7．952
80
22．897
4．037
90
23．25
0
100
22．985
110
120
130
140
150
160
170
180
0
190
200
210
220
230
240
250
260
-22．985
270
-23．25
0
280
290
300
310
320
330
340
350
360
0
凸轮的轮廓曲线如图所示：
图3-4
3）凸轮的宽度
根据凸轮轴的长度，这8个凸轮的的宽度取定为16.8mm。
4）进气凸轮的径向位置（进气凸轮桃尖之间的夹角）
根据曲轴的连杆颈的位置，每相邻的进气凸轮之间的夹角角度为90o。
5）排气凸轮的径向位置（排气凸轮桃尖之间的夹角）
排气凸轮桃尖之间的夹角的确定与进气凸轮桃尖之间的夹角的确定方法相同，夹角为90o。
6）相邻的进气凸轮与排气凸轮之间的夹角的确定
相邻的进气凸轮与排气凸轮（桃尖）之间的夹角为（在工厂试验室试验得出，这主要由于要使汽缸中的排气与进气过程有序的进行，不能使曲轴上的连杆颈在同一个位置受两方向的力，经过多次的试验得出夹角为。
3．6凸轮轴的材料选定
在制定工艺规程时，正确的选择毛坯具有重要意义。
它不仅影响毛坯的制造工艺设备及制造费用，还影响零件的机加工工艺，设备和刀具的消耗及工时订额。
正确的选用毛坯需要毛坯制造和机加工工艺人员紧密配合，兼顾冷热加工两个方面的要求。
由于发动机工作时，凸轮轴承受气门开启的周期性冲击载荷。
所以，要求凸轮轴和支承轴颈表面应耐磨，凸轮轴本身应具有足够的韧性和刚性。
为此，凸轮轴的主要工作表面需经热处理。
因为凸轮轴在加工时需要较强的加工性和经济性,并且对它的硬度也有较大的要求,因此选定凸轮轴的材料为20Cr。
3．7凸轮轴的数据选定
1）支承轴颈
两个支承轴颈的外圆尺寸φ80mm表面粗糙度Ra≤μm.。
2）凸轮
1，2，4，5位的凸轮基圆尺寸R50±，3，6位的凸轮基圆尺寸R45±，表面粗糙度Ra≤μm。
3）法兰盘孔
左右法兰盘孔尺寸为φmm。
4）轴上油壁孔
轴上油壁孔尺寸为φ8mm。
3．8凸轮轴的直径和长度选定
本课题所要设计的发动机为四汽缸,长度及直径的数据初步取定为：
凸轮轴的长度取723mm，直径取为80mm。
3．9凸轮轴的结构设计
安装带轮处的直径为，带轮轮毂取25mm，因此此处的宽度略短于轮毂宽度，取24.67mm，轴肩的直径为55.88mm，宽度为4.83mm。
如下图：
图3-5
具体数据见凸轮轴零件图。
4．凸轮轴的工艺性分析
4．1定位基准的选择
定位基准有粗基准和精基准之分。
工件加工的第一道工序或最初几道工序中，只能用毛坯上未经加工的表面作为定位基准，这种定位基准称为粗精准。
在以后的工序中则使用经过加工的表面作为定位基准，这种基准称为精基准。
粗基准的选择：
1）合理分配加工余量的原则；
2）保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则；
3）便于装夹原则；
4）粗基准一般不得重复使用的原则。
精基准的选择：
1）“基准重合”原则；
2）“基准统一”原则；
3）“互为基准”原则；
4）“自为基准”原则。
对于一般的轴类零件来说，其轴线即为它的设计基准。
发动机凸轮轴遵循这一设计基准，由于凸轮轴各表面的加工难以在一次装夹中完成，因此，减小工件在多次装夹中的定位误差，就成为保证凸轮轴加工精度的关键。
本文采用两顶尖孔作为轴类零件的定位基准，这不仅避免了工件在多次装夹中因定位基准的转换而引起的定位误差，也可作为后续工序的定位基准，即符合“基准统一”原则。
这种方法不仅使工件的装夹方便、可靠。
简化了工艺规程的制定工作，使各工序所使用的夹具结构相同或相近，从而减少了设计、制造夹具的时间和费用，而且有可能在一次装夹中加工出更多表面。
这对于大量生产来说，不仅便于采用高效专用机床和设备以提高生产效率，而且也使得所加工的各表面之间具有较高的相互位置精度。
4．2表面加工方法的选择
1）加工方法选择的步骤是首先确定被加工零件主要表面的最终加工方法，然后依次向前选定各预备工序的加工方法。
2）在被加工零件各表面加工方法分别初步选定后，还应综合考虑为保证各加工表面位置精度要求而采取的工艺措施。
3）一个零件通常是由许多表面所组成，但各个表面的几何性质不外乎是外圆、孔、平面及各种成形表面等，因此，熟悉和掌握这些典型表面的各种加工方案对制定零件加工工艺过程是十分必要的。
4．3加工阶段的划分和工序顺序的安排
由于凸轮轴的加工精度较高，整个加工不可能在一个工序内全不完成。
为了利于逐步地达到加工要求，所以把整个工艺过程划分为三个阶段，以完成各个不同加工阶段的目的和任务。
发动机凸轮轴的加工的三个阶段：
1）粗加工阶段包括车各支承轴颈和粗磨凸轮。
该阶段要求机床刚性好，切削用量选择尽可能大，以便以提高生产率切除大部分加工余量。
2）半精加工是精车各支承轴颈。
3）精加工包括精磨各支承轴颈、止推面和凸轮加工。
该阶段加工余量和切削量小，加工精度高。
加工顺序的安排与零件的质量要求有关，工序安排是否合理，对于凸轮轴加工质量、生产率和经济性都有很大影响。
对于各支承轴颈是按粗车——精车——精磨加工的，对于凸轮是按粗磨——精磨加工的，各表面的加工顺序按从粗到精、且主要表面与次要表面的加工工序相互交叉进行，从整体上说，符合“先粗后精”的加工原则。
4．4热处理工序的安排
1）预备热处理：
退火与正火，通常安排在粗加工之前；调质，由于调质能得到组织细致均匀的回火索氏体，所以有时也用作预备热处理，但一般在粗加工以后进行。
2）最终热处理：
由于调质的零件不仅有一定的强度和硬度，还有良好的冲击韧性，综合机械性能较好，因此，调质处理还常作为最终热处理，一般安排在精加工之前进行；淬火，可分为整体淬火和表面淬火两种，常安排在精加工之前进行；渗碳淬火，对于低碳钢或低碳合金钢零件，当要求表面硬度高而内部韧性好时，可采用表面渗碳淬火；氮化处理，采用氮化工艺可以获得比渗碳淬火更高的表面硬度和耐磨性、更高的疲劳强度及抗蚀性。
3）时效处理：
时效处理有人工时效和自然时效两种，目的都是为了消除毛坯制造和机械加工产生的内应力。
4）表面处理：
某些零件为了进一步提高表面的抗蚀能力，增加耐磨性以及使表面美观光泽，常采用表面处理工序，使零件表面覆盖一层金属镀层、非金属涂层和氧化膜等。
4．5加工余量的确定
所谓加工余量，是指加工表面达到所需的精度和表面质量而应切除的金属表层。
1）分析计算法
加工外圆和孔时，
加工平面时，
为上工序与本工序的工序尺寸的公差，加工表面上的表面粗糙度
，表面缺陷层的深度
，空间位置误差
，装夹误差
。
在无心外圆磨床上加工外圆时，本工序的装夹误差ε可略去不计，因此
2）
2）经验估计法。
此法是根据工艺人员的经验确定加工余量的方法，常用于单件小批量生产。
3）查表修正法，此法是以生产实践和实验研究
升级会员 