凸轮轴绿色制造探析薄型气缸【新闻】

凸轮轴绿色制造探析

凸轮轴绿色制造探析 2012年07月27日 凸轮轴是汽车发动机的重要部件，其主要功能是按照一定的规律推动进、山气门的开启和闭合，与活塞相配合，完成发动机的进、排气工作。凸轮轴属于高转速和高精密度机构，同时需要承受很大的扭矩，因此凸轮轴的设计制造，直接影响发动机的动力、运动和环保特性。1 凸轮轴的结构 汽车发动机凸轮轴，主要有凸轮、轴颈和轴这3部分，各部分的作用不同，也有着不同的要求。凸轮轴在发动机中的结构形式，主要有底置式和上置式。 底置式凸轮轴，即所谓OHV(Over Head Valve)，其气门位于发动机顶部，凸轮轴位于曲轴箱侧而，通过配气装置控制气门。这种方式结构简单、维修容易、输山扭矩和低速性能较好，但转速慢、传动平川页f生差、输出功率低。现在汽车上已淘汰这种形式的凸轮轴。 而上置式凸轮轴，由于与气门之间的距离较短，降低了能耗、提高了转速和运行平稳性。因此，汽车大量采用上置式凸轮轴。 上置式凸轮轴从其发展和结构不同，又可以分为单凸轮轴和双凸轮轴，即SOHC(Single Over HeadCam)和DOHC(Double Over Head Cam)。 单凸轮轴仅有l根凸轮轴，这样每个气缸只能有2～3个气门，一般2或1进、l出。 双凸轮轴有2根凸轮轴，1根控制进气门，1根控制排气门。这样可以实现每个气缸4～5个气门，一般为2或3进、2山。双凸轮轴可以实现高速运行，同时可以更好地配合发动机的燃烧，因此现在采用的较多。2 绿色制造的内涵和体系 绿色制造GM(Green Manufacturing)是上世纪末美国制造工程师协会(S㈣提山的综合考虑环境影响和资源利用效率的先进制造模式。在汽车发动机制造中引入绿色制造，是汽车产业发展的内在需要，也是社会、环境和法律对汽车产业发展的外在要求。 绿色制造包含了从设计、选材、制造、包装、运输、使用、再制造和报废处理的整个生命倒期，包括绿色制造的基本理论、绿色制造关键技术和绿色制造支撑技术等3个方而构成完整的绿色制造体系3 凸轮轴的绿色设计3．1凸轮轴的结构形式 凸轮轴设计的结构形式，主要有2种：整体式和装配式。 整体式是比较传统的结构形式，其凸轮、轴和轴颈的结构和制造均是一体化。 装配式是将3个部分分开，各自完成制造后，再装配组合在一起。装配式根据不同的连接方式，有材料连接方式、烧结连接方式和机械连接方式等。 (1)整体式。整体式通过铸造或锻造，获得一体化的毛坯，经过相应的机加工和热处理，获得需要性能的凸轮轴。 (2)材料连接。材料连接方式是以其他材料作为中介，实现凸轮和轴的连接。其方法是将装配凸轮轴的凸轮与轴分开制造，各自完成后，按照定位要求将凸轮与轴连接。 常见的方法是在结合部一倒或部分弧段，采用焊接的方式实现固定。这种方法由于容易山现变形和裂纹，一般较多用于钢材。现在也有将经过磨削加工的粉末冶金的凸轮与加工完成的轴在模具中浇注塑料，冷却后实现连接。这种形式可实现轻量化。 (3)烧结式。烧结式装配凸轮轴的装配方式比较特殊，将轴插入粉末冶金的凸轮中，然后一并放入烧结炉中，在高温下完成烧结，将轴和凸轮紧密的连接式与轴连接。 (4)机械连接。机械连接方式的方法比较多，常见的有热套法、内部高压成形法、管内滚压扩张法和凸轮压力套装定位法等方法。 热套法是一种比较简便的方法。加工凸轮和轴时，将轴的外径稍大于凸轮的内径，形成过盈配合。将凸轮加热使之热胀，以获得短时的凸轮内径大于轴外径，此时将凸轮套入轴中，冷却后凸轮与轴将实现紧密连接。 内部高压成形法即IHU。其方法是采用一台专门的设备，将加工好的等壁厚凸轮圈放入，用真宁抓取机将其他零件放到带IHU工具的油压机上，IHU工具的模腔形状与制成的毛坯轴外形完全一致。轴采用宁心钢管，然后将液体介质加入轴管，并把轴管两端封死，将管内压力提高到300 MPa，轴管在压力作用下发生塑性变形，最终将完全贴合到IHU工具上，实现需要配合的轴管与凸轮壁紧密结合，最终达到轴与凸轮的连接。凸轮与轴的轴向定位，是通过凸轮边的管子往外压山一定的高度来实现，压山的高度一般是0．1 mm左右。 管内滚压扩张法，这是通过管内滚压扩张，以达到凸轮与轴连接的一种方式，其采用的是滑动滚压原理。这种类型的轴，仍然采用薄壁钢管，穿过凸轮内孔后，用具有滚压过盈量的滚压工具，从薄壁钢管内穿过，使钢管发生塑性变形。而滚压处凸轮内孔受到钢管向外推挤力作用，发生弹性变形。这样钢管的外向塑性变形扩张，与凸轮内孔弹性反弹作用，将形成很高的而压配，而达到凸轮与轴的连接。需要特别注意的是，接缝需要一定的强度，其强度取决于滚压直径。 另外，对于不同的材料有不同的最低滚压过盈量，只有超过最低滚压过盈量，才能实现连接，同时滚压过盈量对接缝强度的影响就很小了。最后管内滚压扩张法对凸轮内孔没有严格的公差要求，因此这种方法是一种比较简单的加工工艺。 凸轮压力套装定位法，是在中宁的钢管外表通过滚压加工，使之塑性变形，以加工山圆剧方向的槽，而在凸轮内孔表而加工山轴向的浅槽，然后在常温下把凸轮套上钢管，并使之轴向压入。由于钢管与凸轮内孔之间有一定的过盈量，当凸轮压入时发生塑性变形，同时把钢管表而与凸轮内孔之间做成具连接方式是一种利用塑性流动或切削变形原理进行加工而实现的特别咬合连接。3．2绿色设计要求 绿色设计是绿色制造的重要组成部分，是绿色制造其他方而的基础。绿色设计的主要要求有如下一些： (1)设计需考虑环境属性。传统设计主要考虑的是功能、性能、品质和成本属性，对于产品的环境属性没有考虑。 (2)产品结构绿色化。产品结构绿色化主要有2个方而的要求：一是产品结构的简化：二是产品结构的可拆卸化。 产品结构的简化，就是要求产品设计时，尽量实现结构简单，采用最少的零部件，最轻的零部件，最优化的组合结构，即以最简单的结构来实现需要的功能。 产品结构的可拆卸化，就是要求产品设计时，充分考虑产品各零部件之间的连接方式，尽量采用可拆卸的连接。另外，各零部件之间拆卸要方便易行，避免损坏式拆卸。 (3)利于回收性的设计。即在设计时就提前考虑产品回收和再利用。传统设计主要考虑产品的结构和制造，而对于产品寿命结束时的处理考虑较少。而绿色设计要求在设计时，就考虑到产品寿命结束时如何有效回收，以降低对环境的破坏，同时获得资源的循环利用，以得到更好的经济效益。 (4)而向制造的绿色设计。突破设计仅考虑制造的工艺性、经济性、方便性等传统领域，将制造的环境性要求一并考虑，如采用无余量或少余量毛坯，减少加工过程，降低材料和能源消耗：在切削加工和磨削加工中，采用干式或准干式加工方法，降低对环境的污染等，通过采用绿色的制造工艺，最终获得绿色3．3凸轮轴绿色设计分析 (1)工作过程的环境属性分析。凸轮轴在工作过程中，对环境属性的影响主要有2个方而：一是对资源的损耗：二是产生对环境的影响。 对资源的损耗，主要有材料的损耗和能源的损耗。这首先就要求凸轮轴有较好的寿命，较少的材料消耗和较小的净质量。整体式凸轮轴材料消耗较大，同时寿命较短。同时由于常见的整体式凸轮采用一体化生产，其轴大多为实心轴，净质量较大，能耗也较高。现在山现一些中宁轴，可以减少净质量，减少琵耗。另外，针对凸轮和辆这2不主要部评，萁要汞完伞是不同的，凸轮主要要求耐磨，轴则主要要求有较好的强度和刚度。为了实现材料一体化，就只能增加材料使用，因此整体凸轮轴材料利用率较差。 材料连接、烧结式装配和机械连接方式，可以减少材料的消耗，同时由于净质量较小，可以减少能耗。而能耗的降低，也可以减少发动机废气对环境的污染。 (2)产品结构绿色化分析。在产品结构简化方而，整体式凸轮轴采用一体化结构，不需要特殊的结构，有明显的优势。通过材料连接的凸轮轴，通过塑料或焊接连接，以及采用粉末冶金技术的烧结式凸轮轴，无需专门结构，故结构也较为简单。机械式连接有较多的专门结构，以完成凸轮与轴的连接，因此结构较为复杂。 在可拆卸方而，材料连接的凸轮轴，无论是通过塑料连接还是焊接，其连接均是不可拆卸的。烧结的凸轮轴同样也是不可拆卸的。这两类凸轮轴拆卸及各零件分离十分凼难。而机械连接方式的凸轮轴，虽然也属于不可拆卸，但拆卸的难度较低，各零件可以容易地分离。因此拆卸性能较前而两种更好。 (3)回收性分析。作为整体凸轮轴，由于其材料是一致的，同时不存在凼难的零件分离，可以做到材料一次性回收。材料连接式的凸轮轴和烧结式的凸轮轴，各零件材料不一致，不能一次性回收，必须将零件分离后回收，但其连接采用塑料、焊接或粉末冶金烧结，零件分离很凼难，同时材料无法完全分离，回收难度较大。机械连接的凸轮轴，各零件材料同样也不一致，也需要进行分离，但一般材料可以做到完全的分离，因此回收虽有一定难度，但效果较好。 (4)制造绿色化。现在采用的制造工艺，对环境的影响都比较大，特别是材料连接式和烧结式，其生产工艺对环境有比较大的破坏。需要探索绿色制造工艺，以降低对环境的破坏。4 基于绿色制造的凸轮轴材料选择 凸轮轴可以采用的材料比较多，主要有锻钢、冷激铸铁、铸钢、粉末冶金等。各种材料有不同的特性，应进行综合地选择。4．1绿色材料选择依据 绿色材料的选择主要以3个方而为依据进行评价。 (1)材料的功能属性。材料的功能属性主要包括如下方而的因素： 一是材料获得的可行性和难度： 二是材料与产品性能要求的相似性： 三是材料加工链的长度和加工的难度； 四是由材料到产品的能耗。(2)材料的环境属性。这是传统材料选择中忽略的一个主要方而，也是绿色材料需要重点考虑的属性。环境属性主要有： 一是材料本身的环境属性，主要包括材料的毒性、腐蚀性、易燃、易爆等性质，以及这些性质对环境和人的影响： 二是材料与环境的协调属性，如材料的降解能力，材料对环境的改变，以及材料转化对环境的影响等。 (3)材料的经济属性。这是研究较多的一个方而，但传统材料选择仅考虑了材料本身的成本，还应考虑材料回收成本与材料使用导致环境污染的成本上升。4．2绿色材料选择评价探讨5 结束语 汽车产业实施绿色制造，是汽车产业可持续发展的必由之路。由于绿色制造是一项复杂的系统工作，如何实施是一个重要的问题。基本零部件的绿色制造，是整体实施绿色制造基础，为实施绿色制造提供了一条较为现实道路。通过在设计中加入绿色设计分析，对不同的结构型式，有了更伞而的评价。绿色材料选择多目标决策，可以为材料选择在定性基础上提供定量化的可行方法。凸轮轴的绿色设计分析和绿色材料的选择，是凸轮轴绿色制造的重要组成部分，为之提供了一个研究的基础。

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