CN106337703B - 一种热耦合凸轮轴及热耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热耦合凸轮轴，包括凸轮轴本体和套装于凸轮轴本体上的凸轮，凸轮轴本体为铸铁本体，凸轮包括由GCr15材料制作的油泵凸轮，凸轮轴本体的一端设有圆柱形引导段，圆柱形引导段的外端边缘为圆弧过渡面，圆柱形引导段的外径略大于油泵凸轮的装配孔直径，油泵凸轮以热压方式套装于圆柱形引导段上。本发明还公开了一种热耦合凸轮轴采用的热耦合方法，包括以下步骤：将油泵凸轮加热；固定油泵凸轮；将凸轮轴本体的圆柱形引导段由上而下压入油泵凸轮的装配孔内；完全冷却后将凸轮轴本体和油泵凸轮进行精磨处理，结束。采用本发明方法制作的凸轮轴，硬度较差的凸轮轴本体与硬度很高的油泵凸轮之间实现了高质量的热耦合压装。

Description

一种热耦合凸轮轴及热耦合方法

技术领域

本发明涉及一种凸轮轴，尤其涉及一种凸轮轴本体和凸轮的硬度差异较大的热耦合凸轮轴及热耦合方法。

背景技术

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；凸轮轴的主体是一根与气缸组长度近似相同的棒体，一般称为凸轮轴本体，凸轮轴本体上面套装有多个个凸轮，用于驱动气门。

目前，凸轮轴主要包括铸铁凸轮轴和钢件凸轮轴，均为单一材料，在凸轮轴本体上套装的凸轮采用螺纹连接或常温压入连接。在某些应用场合，凸轮轴每转动一周，凸轮轴本体自身的凸挺柱与其它部件接触一次，而某些凸轮的凸挺柱需要与其它部件接触多次，比如，用于驱动四方油泵气门的油泵凸轮的凸挺柱需要与其它部件接触四次，所以对油泵凸轮的硬度要求极高。

为了上述问题，在生产中一般采用在材料选用上就高原则，即选用材料相同且硬度很大的凸轮轴本体和油泵凸轮，这样同一种材料的凸轮轴本体和油泵凸轮便于连接且连接稳定，但会增大成本；另外，也可采用由低成本的铸铁制造的凸轮轴本体和其它高硬度材料制造的油泵凸轮，这样可以满足降低成本且硬度满足应用需求的目的，但是将两种硬度不同的材料连接在一起不太容易，如果采用传统螺纹连接或常温压装连接，则存在连接稳定性差或连接难度极大的问题，会降低凸轮轴的整体质量。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种凸轮轴本体与凸轮材料不同且连接稳定的热耦合凸轮轴及热耦合方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种热耦合凸轮轴，包括凸轮轴本体和套装于所述凸轮轴本体上的凸轮，所述凸轮轴本体为铸铁本体，所述凸轮包括由GCr15材料制作的油泵凸轮，所述凸轮轴本体的一端设有圆柱形引导段，所述圆柱形引导段的外端边缘为圆弧过渡面，所述圆柱形引导段的外径略大于所述油泵凸轮的装配孔直径，所述油泵凸轮通过自身的装配孔以热压方式套装于所述圆柱形引导段上。GCr15是一种合金含量较少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢，本发明中也可以用CF53钢等材料代替，但以GCr15为最优。

上述结构中，圆柱形引导段是为了安装不同材料的油泵凸轮而专门设计的，其外端边缘采用圆弧过渡面，是为了在压装油泵凸轮时便于进入油泵凸轮的装配孔内；圆柱形引导段的外径略大于油泵凸轮的装配孔直径，是为了在凸轮轴本体和油泵凸轮的连接位置形成过盈配合，达到稳定连接的目的；油泵凸轮以热压方式套装于圆柱形引导段上，是利用热胀冷缩的原理实现稳定连接的目的。

进一步，所述凸轮轴本体的两端分别设有内锥孔，两个所述内锥孔的中心线重叠；其中一个内锥孔就设于圆柱形引导段的外端。这种结构便于将凸轮轴本体精确定位到垂直方向并与油泵凸轮同轴心，便于将油泵凸轮以热压方式套装于圆柱形引导段上。

作为优选，所述内锥孔的孔壁与所述凸轮轴本体的中心线之间的夹角为30°。

作为优选，所述圆柱形引导段的外径比所述油泵凸轮的装配孔直径大0.03-0.07mm。经验证，这个过盈量范围能够确保加热后能够压入且冷却后连接稳定。

根据应用需要，所述凸轮轴本体上还设有同中心线的信号轮和进排气凸轮，这些为常规凸轮，这里不作具体安装结构说明。

一种热耦合凸轮轴采用的热耦合方法，用于将油泵凸轮以热压方式套装于凸轮轴本体的圆柱形引导段上，包括以下步骤：

（1）准备没有精磨的凸轮轴本体和油泵凸轮；压装完成后，再进行精磨，这样能够避免压装后产品变形和压装精度不足带来的报废问题；

（2）将油泵凸轮加热至120-250℃并根据需要适当保温；这样既能够保证加热后压装更轻松，也不会造成温度过高使油泵凸轮硬度降低的问题；

（3）将油泵凸轮放置在定位工装的定位板上，使油泵凸轮的装配孔中心线保持垂直，将油泵凸轮固定在定位工装的定位板上；定位工装采用机械加工应用中现有的定位工装即可；

（4）将凸轮轴本体垂直向下放置在油泵凸轮上并通过定位工装限位，凸轮轴本体的圆柱形引导段的外端边缘与油泵凸轮的装配孔孔壁接触且使圆柱形引导段与油泵凸轮同轴心；

（5）通过液压机对凸轮轴本体由上而下施压，使圆柱形引导段完全进入油泵凸轮的装配孔内，松开液压机的液压夹具，这里的液压机采用常规的液压机即可；

（6）将凸轮轴本体和油泵凸轮从定位工装上取出后冷却，即完成凸轮轴本体和油泵凸轮的热耦合连接，然后再对凸轮轴本体和油泵凸轮进行精磨处理。

作为优选，所述步骤（2）中，将油泵凸轮加热至A℃并保温B分钟，其中的A、B由以下公式计算：

A=3600×C×0.06/（C+0.01），B=100×C×0.06/（C+0.01），

其中，C表示圆柱形引导段的外径比油泵凸轮的装配孔直径大的数值，其单位为mm。根据上述公式，当C的范围为0.03-0.07时，对应的A的范围为162-189，B的范围为4.5-5.25，经过验证，这是确保油泵凸轮加热后能够将凸轮轴本体轻松压入、冷却后连接稳定且油泵凸轮硬度不会降低的最佳范围。

更优选地，所述步骤（2）中，通过烤箱将油泵凸轮加热至180℃并保温5分钟；所述步骤（5）中，施压压力为3.5Mpa。

为了便于对凸轮轴本体定位，所述步骤（4）中，利用凸轮轴本体两端的内锥孔和键槽配合定位的方式实现凸轮轴本体的垂直定位。

为了实现更好的冷却效果、达到冷却后连接更稳定、更利于后续加工、提高加工效率的目的，所述步骤（6）中，冷却时，先自然冷却至90-100℃，再通过风冷快速冷却至50-60℃，风量不小于6000m³/h，最后再自然冷却至室温。

本发明的有益效果在于：

本发明所述凸轮轴的凸轮轴本体采用硬度较差但价格便宜的铸铁材料，油泵凸轮采用硬度很高但价格较贵的GCr15材料，在满足油泵凸轮因高频摩擦而要求的高硬度的同时降低了整个产品的成本，并利用圆柱形引导段与油泵凸轮配合实现了高质量的热耦合压装，在凸轮轴本体和油泵凸轮的连接位置形成过盈配合，实现了定位准确、连接牢固、强度可靠、便于操作的目的；采用先压装、再精磨的工艺，避免了压装后产品变形和压装精度不足带来的报废问题；结合凸轮轴本体与油泵凸轮之间的过盈量设定合适的加热温度和保持时间，确保了油泵凸轮加热后能够将凸轮轴本体轻松压入、冷却后连接稳定且油泵凸轮硬度不会降低的最佳压装效果。

附图说明

图1是本发明所述热耦合凸轮轴的凸轮轴本体的轴向剖视图；

图2是本发明所述热耦合凸轮轴的油泵凸轮的轴向剖视图；

图3是本发明所述热耦合凸轮轴的轴向剖视图；

图4是本发明所述热耦合凸轮轴的仰视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图4所示，本发明所述热耦合凸轮轴包括凸轮轴本体2和设于凸轮轴本体2上的凸轮，凸轮轴本体2为铸铁本体，所述凸轮包括同中心线的信号轮8、进排气凸轮9和由GCr15材料制作的油泵凸轮6，信号轮8独立加工后安装在凸轮轴本体2，进排气凸轮9直接铸造在凸轮轴本体2上，凸轮轴本体2的一端（图1-图3中的下端）设有圆柱形引导段4，圆柱形引导段4的外端边缘为圆弧过渡面5，圆柱形引导段4的外径略大于油泵凸轮6的装配孔7的直径，且圆柱形引导段4的外径比油泵凸轮6的装配孔7的直径大0.03-0.07mm，油泵凸轮6通过自身的装配孔7以热压方式套装于圆柱形引导段4上；凸轮轴本体2的两端分别设有内锥孔1，两个内锥孔1的中心线重叠，其中一个内锥孔1就设于圆柱形引导段4的外端（图1-图3中的下端），内锥孔2的孔壁与凸轮轴本体2的中心线之间的夹角为30°。

应用时，凸轮轴本体2带动油泵凸轮6旋转，油泵凸轮6的凸挺柱驱动四方油泵气门并高频接触摩擦，油泵凸轮6的高硬度材料确保其运行稳定且具有足够的使用寿命。

下面结合附图和实施例对本发明所述热耦合凸轮轴采用的优选热耦合方法进行具体说明：

实施例1：

如图1-图4所示，本发明所述热耦合方法用于将油泵凸轮6以热压方式套装于凸轮轴本体2的圆柱形引导段4上，包括以下步骤：

（1）准备没有精磨的凸轮轴本体2和油泵凸轮6；

（2）在圆柱形引导段4的外径比油泵凸轮6的装配孔7的直径大0.05mm的情况下，将油泵凸轮加热至180℃并保持5分钟，具体根据以下公式计算：

A=3600×C×0.06/（C+0.01），B=100×C×0.06/（C+0.01），

其中，A表示油泵凸轮6加热后保持的温度，其单位为℃，B表示保温时间，其单位是分钟，C表示圆柱形引导段的外径比油泵凸轮的装配孔7的直径大的数值，其单位为mm；

（3）将油泵凸轮6放置在定位工装（图中未示）的定位板上，使油泵凸轮6的中心孔7的中心线保持垂直，将油泵凸轮6固定在定位工装的定位板上；

（4）将凸轮轴本体2垂直向下放置在油泵凸轮6上并通过定位工装限位，凸轮轴本体2的圆柱形引导段4的外端边缘与油泵凸轮6的装配孔7的孔壁接触且使圆柱形引导段4与油泵凸轮6同轴心；本步骤中，利用凸轮轴本体2两端的内锥孔1和键槽（是另外常规配件的结构，图中未示）配合定位的方式实现凸轮轴本体2的垂直定位；

（5）通过液压机（图中未示）对凸轮轴本体2由上而下施压，施压压力为3.5Mpa，使圆柱形引导段4完全进入油泵凸轮6的装配孔7内，松开液压机的液压夹具；

（6）将凸轮轴本体2和油泵凸轮6从定位工装上取出后冷却，即完成凸轮轴本体2和油泵凸轮6的热耦合连接，然后再对凸轮轴本体2和油泵凸轮6进行精磨处理；本步骤中，冷却时，先自然冷却至95℃，再通过风冷快速冷却至55℃，风量不小于6000m³/h，最后再自然冷却至室温。

实施例2：

如图1-图4所示，本发明所述热耦合方法用于将油泵凸轮6以热压方式套装于凸轮轴本体2的圆柱形引导段4上，包括以下步骤：

（1）准备没有精磨的凸轮轴本体2和油泵凸轮6；

（2）在圆柱形引导段4的外径比油泵凸轮6的装配孔7的直径大0.03mm的情况下，将油泵凸轮加热至162℃并保持4.5分钟，具体根据以下公式计算：

A=3600×C×0.06/（C+0.01），B=100×C×0.06/（C+0.01），

其中，A表示油泵凸轮6加热后保持的温度，其单位为℃，B表示保温时间，其单位是分钟，C表示圆柱形引导段的外径比油泵凸轮的装配孔直径大的数值，其单位为mm；

（3）将油泵凸轮6放置在定位工装（图中未示）的定位板上，使油泵凸轮6的中心孔7的中心线保持垂直，将油泵凸轮6固定在定位工装的定位板上；

（4）将凸轮轴本体2垂直向下放置在油泵凸轮6上并通过定位工装限位，凸轮轴本体2的圆柱形引导段4的外端边缘与油泵凸轮6的装配孔7的孔壁接触且使圆柱形引导段4与油泵凸轮6同轴心；本步骤中，利用凸轮轴本体2两端的内锥孔1和键槽（是另外常规配件的结构，图中未示）配合定位的方式实现凸轮轴本体2的垂直定位；

（5）通过液压机（图中未示）对凸轮轴本体2由上而下施压，施压压力为3.5Mpa，使圆柱形引导段4完全进入油泵凸轮6的装配孔7内，松开液压机的液压夹具；

（6）将凸轮轴本体2和油泵凸轮6从定位工装上取出后冷却，即完成凸轮轴本体2和油泵凸轮6的热耦合连接，然后再对凸轮轴本体2和油泵凸轮6进行精磨处理；本步骤中，冷却时，先自然冷却至90℃，再通过风冷快速冷却至50℃，风量不小于6000m³/h，最后再自然冷却至室温。

实施例3：

如图1-图4所示，本发明所述热耦合方法用于将油泵凸轮6以热压方式套装于凸轮轴本体2的圆柱形引导段4上，包括以下步骤：

（1）准备没有精磨的凸轮轴本体2和油泵凸轮6；

（2）在圆柱形引导段4的外径比油泵凸轮6的装配孔7的直径大0.07mm的情况下，将油泵凸轮加热至189℃并保持5.25分钟，具体根据以下公式计算：

A=3600×C×0.06/（C+0.01），B=100×C×0.06/（C+0.01），

其中，A表示油泵凸轮6加热后保持的温度，其单位为℃，B表示保温时间，其单位是分钟，C表示圆柱形引导段的外径比油泵凸轮的装配孔直径大的数值，其单位为mm；

（3）将油泵凸轮6放置在定位工装（图中未示）的定位板上，使油泵凸轮6的中心孔7的中心线保持垂直，将油泵凸轮6固定在定位工装的定位板上；

（4）将凸轮轴本体2垂直向下放置在油泵凸轮6上并通过定位工装限位，凸轮轴本体2的圆柱形引导段4的外端边缘与油泵凸轮6的装配孔7的孔壁接触且使圆柱形引导段4与油泵凸轮6同轴心；本步骤中，利用凸轮轴本体2两端的内锥孔1和键槽（是另外常规配件的结构，图中未示）配合定位的方式实现凸轮轴本体2的垂直定位；

（5）通过液压机（图中未示）对凸轮轴本体2由上而下施压，施压压力为3.5Mpa，使圆柱形引导段4完全进入油泵凸轮6的装配孔7内，松开液压机的液压夹具；

（6）将凸轮轴本体2和油泵凸轮6从定位工装上取出后冷却，即完成凸轮轴本体2和油泵凸轮6的热耦合连接，然后再对凸轮轴本体2和油泵凸轮6进行精磨处理；本步骤中，冷却时，先自然冷却至100℃，再通过风冷快速冷却至60℃，风量不小于6000m³/h，最后再自然冷却至室温。

上述三个实施例的效果都非常显著，最后得到的凸轮轴，其凸轮轴本体2和油泵凸轮6之间连接非常稳定，与一体成型的结构基本类似，而且整个过程耗时较短，操作方便；各实施例只是因为具体细节略有差异而稍有不同，相比而言，实施例1的效果最佳。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种热耦合凸轮轴采用的热耦合方法，所述热耦合凸轮轴包括凸轮轴本体和套装于所述凸轮轴本体上的凸轮，所述凸轮轴本体为铸铁本体，所述凸轮包括由GCr15材料制作的油泵凸轮，所述凸轮轴本体的一端设有圆柱形引导段，所述圆柱形引导段的外端边缘为圆弧过渡面，所述圆柱形引导段的外径略大于所述油泵凸轮的装配孔直径，所述油泵凸轮通过自身的装配孔以热压方式套装于所述圆柱形引导段上；所述热耦合方法用于将油泵凸轮以热压方式套装于凸轮轴本体的圆柱形引导段上，其特征在于：包括以下步骤：

步骤(1)：准备没有精磨的凸轮轴本体和油泵凸轮；

步骤(2)：将油泵凸轮加热至120-250℃并保温；

步骤(3)：将油泵凸轮放置在定位工装的定位板上，使油泵凸轮的装配孔中心线保持垂直，将油泵凸轮固定在定位工装的定位板上；

步骤(4)：将凸轮轴本体垂直向下放置在油泵凸轮上并通过定位工装限位，凸轮轴本体的圆柱形引导段的外端边缘与油泵凸轮的装配孔孔壁接触且使圆柱形引导段与油泵凸轮同轴心；

步骤(5)：通过液压机对凸轮轴本体由上而下施压，使圆柱形引导段完全进入油泵凸轮的装配孔内，松开液压机的液压夹具；

步骤(6)：将凸轮轴本体和油泵凸轮从定位工装上取出后冷却，即完成凸轮轴本体和油泵凸轮的热耦合连接，然后再对凸轮轴本体和油泵凸轮进行精磨处理；

所述步骤(2)中，将油泵凸轮加热至A℃并保温B分钟，其中的A、B由以下公式计算：

A＝3600×C×0.06/(C+0.01)，B＝100×C×0.06/(C+0.01)，

其中，C表示圆柱形引导段的外径比油泵凸轮的装配孔直径大的数值，其单位为mm。

2.根据权利要求1所述的热耦合凸轮轴采用的热耦合方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过烤箱将油泵凸轮加热至180℃并保温5分钟；所述步骤(5)中，施压压力为3.5Mpa。

3.根据权利要求1所述的热耦合凸轮轴采用的热耦合方法，其特征在于：所述步骤(4)中，利用凸轮轴本体两端的内锥孔和键槽配合定位的方式实现凸轮轴本体的垂直定位。

4.根据权利要求1所述的热耦合凸轮轴采用的热耦合方法，其特征在于：所述步骤(6)中，冷却时，先自然冷却至90-100℃，再通过风冷快速冷却至50-60℃，风量不小于6000m³/h，最后再自然冷却至室温。