【文章內(nèi)容簡介】 此階段計算機代替人工檢測凸輪軸，大幅度提高了檢測效率，減輕了測量人員的勞動強度，一根凸輪軸的檢測時間從原來的三人兩天提高到約一人一小時。這種結(jié)構(gòu)的凸輪軸測量儀在國內(nèi)還是存在的，其憑借價格的優(yōu)勢也有一定的市場，同時，在客戶剛購買測量儀時，其測量精度一般都能滿足要求，但時間長了隨 著主軸精度的磨損精度就很難保證。但這種儀器的出現(xiàn)也具有重要意義，它使國內(nèi)的凸輪軸測量儀上了一個大的臺階，由人工手動測量升級到了借助計算機的自動測量，解放了人力也減少了人為誤差，為凸輪軸的質(zhì)量保障提供了支持，為汽車行業(yè)的發(fā)展也做出了貢獻。 但其最核心的裝夾方式和主軸得不到改善，這種結(jié)構(gòu)的儀器很難 第 10 頁 達到國外先進儀器的水平。 圖 臥式凸輪軸測量儀 第三階段 立式結(jié)構(gòu)測量方式 這種測量方式是現(xiàn)階段主流方式，美國 Adcole 公司凸輪軸測量儀和德國霍梅爾公司凸輪軸測量儀都是采用這種方式，程序上進行了偏心歸算 等數(shù)據(jù)處理，剔除了凸輪基圓偏心和凸輪軸彎曲帶來的誤差，解決了凸輪檢測安裝基準(zhǔn)與設(shè)計基準(zhǔn)的統(tǒng)一問題，大大降低了凸輪升程測量的系統(tǒng)誤差，使凸輪檢測精度提高近一個數(shù)量級，也使凸輪檢測發(fā)生了質(zhì)的飛躍。本論文課題所研究的就是此種方式的凸輪軸測量儀，這種凸輪軸測量儀遵循凸輪軸的設(shè)計基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)的統(tǒng)一，滿足測量的最小條件，最大程度地減少了各種基準(zhǔn)不統(tǒng)一所帶來的誤差，利用了最新的科技成果，較大程度的解放了人力，減少了人為因素帶來的誤差。 如圖 第 11 頁 圖 立式凸輪軸測量儀 第二章 凸輪軸測量儀的設(shè)計 凸輪軸的作用及其簡介 凸輪軸是 活塞 發(fā)動機里的一個部件。它的作用是控制氣門的開啟和閉合動作。雖然在 四沖程發(fā)動機 里凸輪軸的轉(zhuǎn)速是 曲軸 的一半（在二沖程發(fā)動機 中凸輪軸的轉(zhuǎn)速與曲軸相同），不過通常它的轉(zhuǎn)速依然很高，而且需要承受很大的 扭矩 ，因此設(shè)計中對凸輪軸在強度和支撐方面的要求很高，其材質(zhì)一般是采用鍛件的。由于氣門運動規(guī)律關(guān)系 第 12 頁 到一臺發(fā)動機的動力和運轉(zhuǎn)特性，因此 凸輪軸設(shè)計在發(fā)動機的設(shè)計過程中占據(jù)著十分重要的地位。 簡單來說，凸輪軸是一根有多個圓盤形凸輪的金屬桿。這根金屬桿在發(fā)動機工作中起到什么作用？它主要負責(zé)進、排氣門的開啟和關(guān)閉。凸輪軸在曲軸的帶動下不斷旋轉(zhuǎn)，凸輪便不斷地下壓氣門（搖臂或頂桿），從而實現(xiàn)控制進氣門和排氣門開啟和關(guān)閉的功能 。 圖 四沖程的工作循環(huán)。吸、壓、暴、排。不同時刻進氣，排 氣的需要也不同。需要控制氣門的開閉時間。 凸輪軸的凸輪就是擠壓氣門頂桿下行從而開啟氣門的。 在發(fā)動機中，混合氣爆炸做功，活塞下行。活塞連桿帶動曲軸轉(zhuǎn)動。曲軸把轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給變速箱。同時曲軸通過正時皮帶（或正時鏈條）帶動凸輪軸轉(zhuǎn)動。曲軸轉(zhuǎn)兩圈，凸輪軸轉(zhuǎn)一圈。凸輪軸有兩 第 13 頁 個，一個排氣一個進氣。 凸輪軸特點： （ 1）凸輪軸幾乎位于 發(fā)動機潤滑系統(tǒng) 的末端，因此潤滑狀況 不容樂觀。如果機油泵因為使用時間過長等原因出現(xiàn)供油壓力不足，或 潤滑油 道堵塞造成潤滑油無法到達凸輪軸，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大造成潤滑油無法進入凸輪軸間隙，均會造成凸輪軸的異常磨損。 （ 2）凸輪軸的異常磨損會導(dǎo)致凸輪軸與軸承座之間的間隙增大，凸輪軸運動時會發(fā)生軸向位移，從而產(chǎn)生異響。異常磨損還會導(dǎo)致驅(qū)動凸輪與液壓挺桿之間的間隙增大，凸輪與液壓挺桿結(jié)合時會發(fā)生撞擊，從而產(chǎn)生異響 。 （ 3）凸輪軸有時會出現(xiàn)斷裂等嚴(yán)重故障，常見原因有液壓挺桿碎裂或嚴(yán)重磨損、嚴(yán)重的潤滑不良、凸輪軸質(zhì)量差以及凸輪軸正時齒輪破裂等。 （ 4）有些情況下，凸輪軸的故障是人為原因引起的，特別是維修發(fā)動機時對凸輪軸沒有進行正確的拆裝。例如拆卸凸輪軸軸承蓋時用錘子強力敲擊或用改錐撬壓，或安裝軸承蓋時將位置裝錯導(dǎo)致軸承蓋與軸承座不匹配，或軸承蓋緊固螺栓擰緊力矩過大等。安裝軸承蓋時應(yīng)注意軸承蓋表面上的方向箭頭和位置號等標(biāo)記，并嚴(yán)格按照規(guī)定力矩使用扭力扳手擰緊軸承 蓋緊固螺栓。 發(fā)動機是汽車的核心功能組件，凸輪軸又是汽車發(fā)動 機的關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量對發(fā)動機的性能特別是發(fā)動機功率、凸輪挺桿摩擦副的壽命、配氣機構(gòu)的工作狀態(tài)都有很大的影響，因此，凸輪軸的加工精 第 14 頁 度直接影響發(fā)動機的性能和指標(biāo)。我國已經(jīng)進入了汽車時代，對汽車發(fā)動機的性能、環(huán)保（歐Ⅲ、歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的提出）、能耗、噪音要求日益嚴(yán)格，對汽車發(fā)動機凸輪軸的加工精度要求更加嚴(yán)格，同時，對凸輪軸的檢測提出了更高的要求。 典型汽車發(fā)動機凸輪軸主要由若干凸輪、軸頸、鍵槽（有的是在頂端的定位孔、或在軸頸上的定位平面）、頂尖孔，以及其他要素（齒輪、偏心輪 ......）組成，四缸發(fā)動機凸輪軸示意圖， 如圖 21 所示，由五個軸頸、八個凸輪 (其中四個排氣凸輪，四個進氣凸輪 )、定位鍵槽組成。 圖 發(fā)動機凸輪軸示意圖 凸輪軸是發(fā)動機配氣機構(gòu)的一部分，發(fā)動機通過鏈條把曲軸的轉(zhuǎn)動傳遞給凸輪軸，凸輪軸在工作過程把運動通過進氣凸輪和排氣凸輪傳遞給氣門，氣門在進氣凸輪和彈簧的作用下按嚴(yán)格的時序定量開啟和關(guān)閉，使新鮮的可燃混合氣體定時定量進入發(fā)動機汽缸中，活塞的定時擠壓使可燃混合氣體點火爆發(fā)、做功，產(chǎn)生動力，帶動連桿運動，驅(qū)動汽車運動，氣門在排氣凸輪和彈簧的作用下將燃燒后的廢氣排出汽缸，這樣通過一組進氣凸輪 和排氣凸輪的配合工作實現(xiàn)了發(fā)動機一個缸體的工作，發(fā)動機的所有缸體同時工作，從而實現(xiàn)發(fā)動機的連續(xù) 第 15 頁 工作，產(chǎn)生持續(xù)動力，實現(xiàn)汽車的持續(xù)運動。 凸輪升程是專用術(shù)語，用于表示凸輪軸在發(fā)動機機構(gòu)中在某一角度時從動件的工作位移，它直接關(guān)系到該角度氣門的開合大小，是決定發(fā)動機性能的關(guān)鍵參數(shù)之一；凸輪因其外形像桃形，俗般桃形，其最大升程值又稱為桃尖，凸輪相位角度，就是凸輪的最大升程值即桃尖位置和參考定位機構(gòu)（有的是鍵槽、有的是在頂端的定位孔、有的是軸頸上的定位平面）之間的夾角。 凸輪軸在發(fā)動機內(nèi)部工作過程中真正起作用的是凸輪 ，確切的說是凸輪的升程和凸輪的相位角度，而不是其外部實際輪廓，更不是凸輪軸上的軸頸，軸頸僅是凸輪軸安裝和凸輪的工作基準(zhǔn)，其中，升程決定了從動件運動位移的大小，相位角度決定了從動件運動的時刻，升程和相位決定著凸輪軸的質(zhì)量，是凸輪軸檢測的兩個核心參數(shù)。解決凸輪軸檢測問題，特別是凸輪升程和相位角度的測量問題，穩(wěn)定和提高凸輪軸生產(chǎn)質(zhì)量，提高加工精度，一直是汽車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點之一。 凸輪軸的設(shè)計 凸輪軸的技術(shù)要求 1）支承軸頸的尺寸精度及各支承軸頸間的同軸度。 3）凸輪軸基面的尺寸精度和相對于 支承軸頸的軸線的同軸度。 4）凸輪的位置精度。 5）凸輪的形狀精度。 凸輪軸的凸輪形狀設(shè)計 第 16 頁 1） 進氣凸輪的升程（回程）的設(shè)計 將進氣凸輪的升程（回程）定為 14mm,基圓直徑取為 60mm。根據(jù)教材《機械原理》第七版中第九章凸輪機構(gòu)及其設(shè)計的第二節(jié)推桿的運動規(guī)律，可確定本課題中的推桿為正弦加速度運動，因為是為了避免推桿在運動中發(fā)生沖擊，不僅如此，發(fā)動機中的軸的運動速度較高，均有柔性沖擊，而正弦加速度運動，因為沒有加速度突變的現(xiàn)象，不存在柔性沖擊，具有較好的運動性能，因此可在高速下應(yīng)用。 根據(jù)《機械 原理》第三節(jié)《凸輪輪廓曲線的設(shè)計》凸輪輪廓曲線設(shè)計方法是解析法，凸輪廓線設(shè)計方法的基本原理是反轉(zhuǎn)法，在由于是正弦加速度運動，升程（回程）值為 14 可作出推桿的運動軌跡計算如下： 凸輪的推桿升程（回程）的具體數(shù)據(jù)如下表 22。 ? ?? ??????? 22s in 00 ?? hs （ ） ? ?? ? 002c o s1 ????? ?? hv （ ） ? ? 2021 2s in2 ??????ha ? （ ） (? 為推程運動角， 0? 為回程運動角）； ? ? ?? c o ss in0 essx ??? ? ? ?? s inc o s0 essy ??? （ ） 令 0?e ， 00 rs? 得 ? ? ?sin0 srx ?? ? ? ?cos0 sry ?? 第 17 頁 （ ） 式中位移 s 應(yīng)該分段計算 a． 推程階段 290001 ?? ?? ? ?? ??????? 22s i n 0110111 ?? hs （ ） ? ?? ????? 24s in2 11 ?? h ； ??????? 2,01 ?? 290002 ?? ?? ? ?? ??????? 22s i n 0220222 ??? hhs （ ） ? ?? ????? 24s in2 12 ??? hh ??????? 2,02 ?? 取計算間隔為 1 度，將以上各相應(yīng)值帶入公式計算凸輪輪廓上各點的坐標(biāo)值。 具體數(shù)據(jù)見下表： 凸輪升程表 第 18 頁 表 凸輪軸的材料選定 由于發(fā)動機工作時，凸輪軸承受氣門開啟的周期性沖擊載荷。所以，要求凸輪軸和支承軸頸表面應(yīng)耐磨，凸輪軸本身應(yīng)具有足夠的韌性和剛性。為此，凸輪軸的主要工作表面需經(jīng)熱處理。 因為凸輪軸在加工時需要較強的加工性和經(jīng)濟性 ,并且對它的硬度也有較大的要求 ,因此選定凸輪軸的材料為煅件。 凸輪軸的數(shù)據(jù)選定 1） 支承軸頸 兩個支承軸頸的外圓尺寸 φ 40mm表面粗糙度 Ra= μm. 。 2）凸輪 凸輪基圓尺寸 R60177。 ， 表面粗糙度 Ra= 。 本課題所要設(shè)計的發(fā) 動機為四汽缸 ,長度及直徑的數(shù)據(jù)初步取定為：凸輪軸的長度取 196mm，直徑取為 36mm。 第 19 頁 凸輪軸的結(jié)構(gòu)圖設(shè)計 軸肩的直徑為 40mm，寬度為 15mm。如下圖： 2 4 5 176。3 231 5 1 5 3 23 52 10 . 0 0 50 . 80 . 82 00 . 0 0 8 AB0 . 8216。40216。36 83216。40P7/h636216。32+0.250216。40+0.2500A0 . 0 2 A B216。40P7/h6216。36 圖 凸輪軸檢測方法 凸輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于自動化機械、精密儀器、自動化控制系統(tǒng)中，作為發(fā)動機的關(guān)鍵部件，凸輪軸是影響發(fā)動機氣門開閉間隙大小和配氣效率的主要因素。隨著凸輪軸自動化加工水平的不斷提高，為了高精度、高效率地檢測凸輪軸，并正確處理、評定它的各項工藝誤差，及時快速地反饋凸輪軸的質(zhì)量信息，傳統(tǒng)的光學(xué)機械量儀以及采用人工數(shù)據(jù)處理的方法，已不能適應(yīng)凸輪軸工藝質(zhì)量管理的實際檢測需要。為此廣州威而信精密儀器有限公司研制了基于計算機為檢測、處理核心的 L 系列凸輪軸測量儀，它可以實現(xiàn)對凸輪軸加工質(zhì)量的高效、高精度檢測，從而對凸輪軸磨床的磨削工藝進行實時監(jiān)控，以保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率。 凸輪軸的測量包括與設(shè)計有關(guān)因素的測量項目和與質(zhì)量管理有 第 20 頁 關(guān)因素的測量項目。凸輪軸測量儀的主要功能有： （ 1）檢測凸輪軸的軸頸（凸輪 軸的裝配基準(zhǔn)）誤差（圓度，跳動）； （ 2）檢測凸輪軸的桃型（包括基圓段，爬行段，升程段等）誤差； (3)提供有完善的數(shù)據(jù)分析報告。打印升程誤差曲線，桃型輪廓的極坐標(biāo)誤差圖，每個桃型的升程誤差數(shù)據(jù)、理論升程表以及實際升程表等。 本文對凸輪軸測量儀中涉及的主要檢測功能、處理方法予以介紹。 1 定位基準(zhǔn)的檢測 在凸輪軸加工過程中 ,通常借助凸輪軸端面的鍵槽或定位孔作為角度基準(zhǔn)來完成后續(xù)的加工工序 ,因此在凸輪軸測量時需要確定凸輪軸端面的鍵槽或定位孔的中心位置 )))定位基準(zhǔn)。鍵槽的中心位置可以通過測量柱形鍵銷 (要求 與鍵槽緊密配合 )的中心位置獲得 。當(dāng)定位基準(zhǔn)是凸輪軸端面的定位孔時 ,可以通過測量定位銷 (要求與定位孔緊密配合 )的中心位置獲得定位孔的中心位置。按設(shè)計要求 ,應(yīng)當(dāng)選用測頭為球型測頭 ,由于測頭 (球 )與定位銷 (圓柱 )是點與線的接觸 ,其中心位置不易找準(zhǔn) ,致使測量中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不穩(wěn)定 ,重復(fù)性不好的情況。通過多種方法試驗 ,也沒有取得滿意的效果。定位銷中心位置的測量 ,一度成為凸輪相位角度測量中的棘手問題。 通過進一步的分析可知 ,定位銷雖不在凸輪軸的旋轉(zhuǎn)中心 ,但當(dāng)被測凸輪軸以其