CN1009570B - 装配式凸轮轴及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的凸轮轴是做成筒形制作物，通过把若干个起始的圆形凸轮环安置在一个中央筒形元件上，又把放置在成型工具的模具内腔的凸轮环压制变形以达到所要求的凸轮轮廓形，然后通过对筒形元件的内腔施加液压力使筒形元件径向往外膨胀进入已成型的凸轮环型面中。由此将已成型的凸轮环紧固在筒形元件上以防止相互间发生转动和轴向位移。另外，在将凸轮环在制成所要求的凸轮轮廓形时，还有可能把筒形元件相对于凸轮环变形达到把它们紧固在一起的程度，以至不需要依靠再向筒形元件的内腔施加液压力。

Description

本发明涉及一种筒形装配式凸轮轴用于往复式活塞机，诸如内燃机或压缩机，其中许多个凸轮轴元件紧固在穿过它们的一个中央筒形元件上。这些凸轮轴元件包括若干个凸轮，还可以包括若干个轴承和齿轮等。所有这些元件都是沿着轴向间隔和紧固在该中央筒形元件上。

通常凸轮轴是由铸件或锻件制成，一般为钢制件，并由带有许多个沿其轴向间隔的整体凸轮和轴承的一个实心中央元件构成。但是，人们已经认识到在制造凸轮时，把各个分离的元件组装起来的方法是具有优点的，其中把各个凸轮和轴承按照其形状预先成形，然后按照其在轴向长度上预先确定的位置安装并紧固在一个中央筒形轴上。这样生产的筒形凸轮轴，与铸造或锻造毛坯制成的整体凸轮轴相比所具有的优点是：减轻重量;有利于将润滑剂由轴的空腔内供应到各个凸轮和轴承表面上;可对凸轮、轴承和轴选用不同材料的可能性。

例如，英国专利申请GB-A-275842文件（Yassenoff的）教导过将预先制成的凸轮轴件和轴承环件焊接到中央筒形轴上的方法，且不说中央孔，凸轮可以是实体的，也可以由拉伸管形成或者是用金属条弯曲成所要求的凸轮轮廓形。英国专利申请GB-A-1115093（GKN螺纹与紧固件有限公司的）教导过将预先制成的凸轮轴件以机械锁紧在中央筒形轴上的方法，该凸轮环件实际上是一种等壁厚的筒体经拉伸成形至所要求的凸轮轮廓形，然后将该拉伸的筒形切割下一部分来即作为个别的凸轮环件。在这说明书内，每个凸轮环件是机械锁紧固定在轴上按要求的轴向位置和角度方向定位，这种定位是通过一个在空心的凸轮鼻端和轴壁上的孔 中啮合的键来实现的;每个凸轮环件可随意地再进一步通过粘结或锡焊、铜焊或焊接固定在轴上。

英国专利申请GB-A-1117816（GKB螺纹与紧固件有限公司的）教导过通过将轴进行径向往外变形，在凸轮和轴承元件的开孔内抓紧啮合的方法，来使中央带孔的预制实体凸轮和轴承元件固定在中央筒形轴上。据教导，这种轴的径向往外变形是通过一个过盈尺寸的顶杆对轴进行拉伸，或者通过液压或爆炸成型技术使轴膨胀来实现的。每个凸轮或轴承的中央孔是径向向外开槽的，这样则形成一个有效的花键装置，以便增强轴的径向往外膨胀部分与凸轮和轴承之间牢固的抓紧啮合。

日本专利申请JP-A-7644/1971文件（Nakamura等人）教导过把预先制成的凸轮环件紧固到中央筒形轴上是通过液压把轴进行径向往外膨胀至每个凸轮环件的空腔内实现的。液压是通过筒形轴的一端施加的（轴的另一端是封闭的），与此同时，预先成形的凸轮环件都保持在相对于轴是预定的轴向间隔和角度方向的封闭的模具内，该模具有凹槽相应于并容纳凸轮环件，使凸轮环件处于所要求的位置上。

日本专利申请JP-A-7644/1971文件中的教导在英国专利申请GB-A-1530519文件（Klockner    Hamboldt    Deutz    AG）中也有同样的内容，其中中央筒形轴可以通过液压，电液压，又可以用机械装置径向往外膨胀至预先制成的基本上等壁厚的凸轮环件的空腔内。

本发明的目的是提供一种制造装配式凸轮轴的方法，和一种用这种方法制成的凸轮轴，其中，凸轮元件是空心凸轮环件被紧固在中央筒形轴上，与已知的凸轮环件紧固在中央筒形轴上的方式相比具有各种优点。

依照本发明的第一方面，提供一种制造凸轮轴的方法，该凸轮轴具有一个中央筒形轴和若干个沿轴向间隔的凸轮环件，其特征是：该凸轮环件都是起始的圆形截面的环，并环绕着筒形轴沿轴向间隔地安装于一个成形工具内，然后将成形工具关闭，以便使起始的圆形截面的凸轮环 件压成所要求的凸轮轮廓形，与此同时使筒形轴相对于凸轮环件变形，由此把凸轮环保持在筒形轴上，以防止产生相互间的轴向和角位移。

依照本发明的另一个方面是提供一种装配式凸轮轴，它包括若干个沿着一个中央筒形轴轴向间隔排列的凸轮环，其中每个凸轮环件保持在轴上，以防止其在相对于轴的配合位置上进行轴向和角位移，该轴相对凸轮环件进行变形，上述轴的相对于凸轮环件的部位的变形，是当把凸轮环件由起始的圆形截面形并安置在未经变形的轴合适的位置上按照凸轮轴廓形的要求进行压形的同时，采用机械的方法完成的。

应当理解到，这种装配式凸轮轴，以及用于制造它的方法，如前面两段中所描述的，与任何所有现有技术中的方法不同，其凸轮环件是由起始的圆形截面按照凸轮的轮廓形要求，围绕中央筒形轴以预定的轴向间隔，仅仅在一个成形工具内压制而成，在同一压制过程中，也完成了轴相对于凸轮环件的变形过程，由此将凸轮环件保持在轴上，以防止相互间发生轴向和角位移。据本发明而提供的独特的优点是：

1.该起始的圆形凸轮环是按照其预定的轴向尺寸由较便宜的圆截面管材上切取下来的;

2.圆形凸轮环件可以安置在中央筒形轴上并容易在成形工具的凸轮成形模具内进行轴向定位，而当该凸轮环件在安置在中央筒形轴上之前，如在现在技术中所教导的，就已经按照凸轮轮廓形要求预先成形好，那样将会对凸轮环件在紧固在轴上之前按照凸轮轮廓形在模具的空腔中的相对位置的精确定位，带来较多的困难，无论这种紧固是通过焊接，按机械方法进行轴的径向往外膨胀变形，还是通过液压方法进行轴的变形，都是这样。

凸轮环件的压制和轴的变形都可以把凸轮环和轴置于环境温度下进行。另外，在把起始的圆形凸轮环安置环绕着轴以前可以把凸轮环加热，然后在成形工具中进行凸轮环件的压制和轴的变形之前、之后或在压制 变形过程中进行冷却以便达到对轴的压配合。

依照本发明的方法可以包括对轴的内腔施加液压力以便使筒形轴相对于凸轮环件产生一个进一步变形的附加步骤。这种对轴施加进一步变形最好是在另外附加的一个具有轴向延伸的中央空腔和具有分别容纳轴和各凸轮环件配合的许多个凸轮形空腔的成形工具内进行;该凸轮形空腔的尺寸要大于凸轮环件的外轮廓尺寸，这样在轴的内腔施加液压时，凸轮环件是弹性变形，而轴是塑性变形。

本发明的方法，还方便地包括对凸轮轴进行热处理，以便将凸轮环件淬硬的附加步骤。

该方法还可以包括进一步把凸轮环件紧固在筒形轴上的附加步骤，这种紧固是通过锡焊，铜焊，热焊接（气体，电弧，激光或电子束），冷焊，浸焊，胶合，销住，机械锁紧或任何其它合适的固定方法。这种进一步的紧固方法可以在进行上述热处理过程中很方便地实现，这些方法包括将预先放置在轴和凸轮环件之间的黄铜或焊锡片进行熔化。

本发明的其它特征，通过以举例的方式结合附图进行的如下的说明，将会一目了然，其中：

图1是显示本发明的凸轮轴结构的立体示意图;

图2是图1所示的凸轮轴一端的立体图，更详细地显示中央筒形轴相对于凸轮环件的变形情况;

图3是显示图2所示的那部分凸轮轴的一个纵向截面视图;

图4是显示一个圆形凸轮环件环绕在中央筒形轴上安置在成形工具中的一个凸轮成形模具的位置，是在成形工具关闭之前的一个横向截面视图;

图5是与图4相似的视图，但显示成形工具关闭位置，由此将起始的圆形凸轮环压制成按凸轮轮廓形要求的形状并完成了，轴相对于凸轮环件的变形过程;

图6是一个已经成形的凸轮环件安装在已经变形的轴上（如图5所示）的一个相似的横向截面视图，但它是放置在一个附加成形工具的配合模具内以准备向轴的内腔施加液压力;

图7和图8显示与6所示的一个已成形的凸轮环件安置在已变形的轴上位于另外附加的成形工具内的相似的横向截面视图，其中的配合模腔是经过改进的，通过它来改进液压施加于轴的内腔的效果。

首先参看图1至图3，图中显示按照本发明的方法制造出来的凸轮轴，在本举例中包括一个中央筒形轴10，在其上安装着八个按照凸轮的预定的轮廓形成的凸轮环件12和五个圆形外轮廓的轴承颈部14;该筒形轴是在径向相对于凸轮环件变形的，由此凸轮环件保持在轴上以防止相互之间在轴向和角度发生位移。

将每个凸轮环件12保持在轴10上的装置如图4所示。在图4中显示出一个具有均匀的圆形截面的中央筒形轴10，它可以很方便地由低碳钢制成，尽管它也可以由铝合金或任何其它合适的可塑性变形的材料制成。图中还显示出一个圆形截面的凸轮环12而且是一个等壁厚的凸轮环，其内径稍大于筒形轴的外径;凸轮环由一个具有一定长度的均匀的圆形截面的管材上作为一个“切片”切下来的。用以切取凸轮环的管材的材料可以由较容易得到的高强度可淬硬的韧性钢或其它适于制作凸轮的钢材提供。

图4中还显示出成形工具的两个相对着的部分16和18，在该成形工具的两个部分内分别含有凸轮成形模具空腔20和22;空腔20是按照凸轮轮廓形的要求的形状，而空腔22是半圆形的。

要制造凸轮轴，需将必要数量的圆形凸轮环12和圆形轴承轴颈14安置在中央筒形轴10上，将每个凸轮环和轴承轴颈分别放置在相应的模具内腔22中。然后将成形工具关闭至图5所示的位置，由此将每个起始的圆形凸轮环12压制成由凸轮成形模胎内腔22-22所限定的形状形成凸轮 的轮廓形。与此同时，中央筒形轴10在每个空心的凸轮环内基本上以图5所示的形状进行径向变形，由此，使凸轮环件都保持在轴上以防止相对发生轴向和角位移。应当理解到，筒形轴10的每个径向变形部分24不会变形到精确地符合图6所示的形状;例如，每个变形部分不完全充满在与其凸轮环件相配合的空心内腔内。轴的部分26轴向地位于各相邻的凸轮环件之间，或者在一个凸轮环件和一个轴承轴颈之间，虽然都要保持在成形工具内的一个一般为圆形的配合空腔内，当成形工具关闭时阻止变形，却可在图3看得最清楚，筒形轴仍然可以沿着其圆周的至少一部分发生径向向外膨胀变形，以便在凸轮环件或轴承轴颈的每个向外侧上出现径向往外膨胀的凸包28，以便对每个相应的凸轮环件或轴颈提供一个附加的保持力，以防止它产生相对于轴的轴向移动。

上面所述的机械压制过程可以在凸轮轴的所有元件都处于室温下进行，即这种凸轮轴的制造是通过冷压过程完成的。另外，每个起始的圆形凸轮环和轴承轴颈都可以把它们在安置在中央筒形轴上之前，进行加热，然后在经过机械压制过程中，或在此之前、之后进行冷却以得到凸轮环件和轴承轴颈相对于轴处于压配合。在这样的布局中，应当可以理解，在室温下，起始的圆形凸轮环和轴承轴颈的内径要稍小于中央筒形轴的外径尺寸。

本发明还提供了增强凸轮环件和轴承轴颈保持力的附加方法，以防止它们相对于轴发生轴向和角位移。例如，虽然图中并未显示出来，凸轮环件和轴承轴颈可以通过锡焊，铜焊，热焊（如气体，电弧，激光或电子束），冷焊，浸焊，胶合，销住，机械锁紧或通过其它合适的紧固方法进一步紧固。

另外，凸轮环件的保持力，可以通过应用液压施加于置于另外附加的成形工具中的中央筒形轴的内腔予以增强。参看图6，图中显示出另外的附加的成形工具的两个相对着的部分30和32已经关闭，该成形工具 具有分别容纳各个已经压制的凸轮环轮廓形的各自的模具空腔，但其内腔尺寸要稍大于凸轮环的外廓尺寸。如图6中所示，在模具两部分30和32关闭以后并锁在一起时，将液压力施加于中央筒形轴的内腔，由此则通过液压的作用使该轴沿径向向外膨胀。在这种径向向外膨胀的过程中，筒形轴10发生了塑性变形，而凸轮环件12却发生弹性变形，这是由于模具空腔34-36的内腔尺寸超过凸轮环件的外廓尺寸，通过此，使凸轮环件产生有限的径向向外弹性变形。当内液压由轴内腔释放以后，则发生弹性变形的凸轮环件将会对经塑性变形的中央筒形轴产生一个收缩。

应当可以理解，在这种另外附加的成形工具中的凸轮环件模具空腔的大小必须不能太大，否则会在中央筒形轴径向往外膨胀的过程中，使凸轮环件12的膨胀超过其弹性极限;相反地模具空腔也必须不能太小，否则凸轮环件将达不到所要求的弹性变形程度。

凸轮环件12相对于轴10的紧固力假如将另外附加的成形工具的每个模具空腔34-36按照图7或图8进行改进，则可得到进一步增强，其中在图7中在上，下模具两部分30和32内的沿整个凸轮环件的宽度上，在直径的相对面的两侧都设置有垫片38，而在图8中，这种垫片是横过模具两部分的分界面。当液压施加于中央筒形轴10的内腔时，同时当凸轮轴放置在图7或图8中所示的成形工具中时，模具的起始关闭沿着所有凸轮环件12的整个宽度上进行压缩，导致凸轮环件伸长，紧跟着就是轴10的内腔施加液压力，则该轴变形至已变形的伸长的凸轮型面内。当液压力松弛，而且模具打开以后，每个凸轮环件12就有效地紧固在轴上的与其相配合的变形部分24的三个部位上，其二是凸轮鼻端部位的两侧，另一是在底部。这种改进的制造方法的一个优点是：它不完全依靠施加于轴内腔的液压力产生凸轮环件相对于轴的固紧力，而是通过当模具关闭时沿整个凸轮的宽度的凸轮挤压作用造成其内型面充满。

在以上所述任何一种方法中，每个凸轮环件12都是由其起始的圆截 面形在机械成形工具中，如图4所示，基本上制成最终要求的凸轮型面。之后不再需要对凸轮环件进行大量的机械加工，尽管有时可以少量的抛光加工。

一般来说，进行某种形式的热处理是比较理想的，既可以是局部的也可以是整体的，或者依照每个凸轮环件上选择的部位，或者是整个凸轮轴的批量热处理。这种批量的热处理能够把凸轮环件淬硬而不把中央筒形轴淬硬，这是因为其化学成份不同所致，这样它们的反应是淬火和回火，应当理解到这种批量热处理必须在轴的径向往外膨胀（如参看图6至图8所示）之前进行，否则这种热处理就会松弛已组装好的另件以至达到将凸轮环件12从中央筒形轴10上松脱下来的程度。

在批量热处理过程中，凸轮环件和中央筒形轴有可能加热至850℃至900℃之间，在这种温度下把另件进行上面所述可任选的铜焊和锡焊步骤以完成进一步紧固过程是很方便的。例如，一个铜焊过程可以在开始进行机械压制之前，把一层铜焊金属薄片预先放置在凸轮环件与中央筒形轴之间来实现;在批量热处理中铜焊金属就被熔化，这样就将凸轮环件（和要求的轴承轴颈）铜焊在中央筒形轴上。

如上所述，起始的机械压制过程，使中央筒形轴变形的那些部分变形至如图5所显示的完全充满的位置，并非是必不可少的。同样地，随后的液压膨胀过程，如参看图6至图8所示的情况，不需要再把中央筒形轴的这些部分变形至完全进入每个凸轮环件的空心内腔中。如果需要，可以把一块填充材料（图中未显示）如一块钢条放置在每个凸轮环件的凸轮鼻端部位的下面，以便当凸轮形成以后则可进一步提高凸轮鼻端部位的刚性。

应当可以理解，在依照本发明的上述各种实施方案制造凸轮轴的过程中，若干个具有起始的圆截面形的凸轮环沿轴向间隔排列，安置在成形工具内的一个中央筒形轴上，在成形工具内的每个上述凸轮环处设置 有与其相对应的若干个凸轮成形模具空腔。起始的圆形截面凸轮环（和圆形轴承轴颈）在成形工具内的中央筒形轴上的安装就是会提供很大程度地方便，其中仅仅是需要把凸轮环和轴承轴颈设置在各自的模胎空腔中;不需要在成形工具关闭之前，把各个另件相对于中央筒形轴的角度位置进行精确的定位。这样本发明的一个主要优点是：即凸轮环本身是具有低的制造成本的，其中它只是简单地从较便宜的圆截面管材上按轴向预定的尺寸切取下一段或“一片”就可以了。

Claims (13)

1、一种装配式凸轮轴的制造方法，该凸轮轴具有一个中央筒形轴和若干个凸轮环沿其轴向间隔排列，其特征在于凸轮环是以起始的圆形截面形状沿轴向间隔开，并环绕在一个成型工具内的中央筒形轴上进行组装，当成型工具关闭时将每个起始圆形截面的凸轮环压制成所要求的凸轮轮廓形，与此同时筒形轴相对于凸轮环发生变形，由此将凸轮环保持在轴上以防止相互间发生轴向和角位移。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，凸轮环的压制和轴的变形过程都是将凸轮环和轴置于室温条件下。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将起始圆形截面的凸轮环在环绕着轴进行安置之前要进行加热，而在成型工具中进行凸轮环的压制和轴的变形之前、之后或在进行过程中进行冷却，以便达到凸轮环相对轴之间的压配合。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其筒形轴相对于凸轮环的进一步的变形的附加步骤是通过将轴的内腔施加以液压来实现的。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述轴的进一步变形是在一个具有一个轴向伸长的中央腔和若干个凸轮环空腔（在其中分别进行轴和凸轮环的配合）的另外的附加成型工具中实现的;该凸轮环内腔的内部轮廓尺寸要大于凸轮环的外廓尺寸，由此，当液压力施加于轴的内腔时，则凸轮环发生弹性变形而轴发生塑性变形。

6、根据权利要求2至5任何一项所述的方法，其特征在于，施加凸轮上一个附加步骤是增加一个热处理工序以将凸轮环淬硬。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将凸轮环进一步紧固在筒形轴上的附加步骤是通过铜焊，热焊（气体，电弧，激光或电子束），冷焊，浸焊，胶合，销住，机械锁紧或任何其它合适的紧固方法。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述进一步紧固的方法是在上述将凸轮环淬硬的热处理过程中实现的，该方法是将铜焊料或锡焊料金属预先置于轴和凸轮环之间，而在热处理过程进行熔化实现的。

9、一种装配式凸轮轴，包括了若干个沿中央筒形轴轴向间隔的凸轮环件，每个凸轮环件保持在轴上的配合部位，该轴的上述部位是经过相对于凸轮环件产生变形的，以防止凸轮环在轴的配合部位发生轴向和角位移，其特征在于，该轴的上述配合部位相对于凸轮环所进行的机械变形是当由起始的圆形截面凸轮环围绕着未经变形的轴进行压制以达到所要求的凸轮轮廓形的过程中完成的。

10、根据权利要求9所述的一种装配式凸轮轴，其特征在于，上述凸轮环和轴在室温下，进行凸轮环的压制和轴的变形的。

11、根据权利要求9所述的一种装配式凸轮轴，其特征在于，上述起始圆截面形的凸轮环在环绕着轴安置之前进行加热，然后在凸轮环的压制和轴的变形之前、之后或者在压制变形过程中进行冷却，以达到凸轮环相对于轴的压配合。

12、根据权利要求9所述的一种装配式凸轮轴，其特征在于，上述每个经过机械变形的轴的有关部位，都要通过对轴的内腔施加液压以使其相对与之相配合的凸轮环进行附加的变形。

13、根据权利要求9至12任何一项所述的一种装配式凸轮轴，其特征在于，上述每个凸轮环通过铜焊，热焊（气体，电弧，激光或电子束），冷焊，浸焊，胶合，销住，机械锁紧或任何其它合适的紧固方法再进行附加的紧固至已经变形的轴的部位。