油氣混合動(dòng)力電噴發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸關(guān)鍵技術(shù)解決方案與效益分析

高光輝

摘 要：介紹CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸研發(fā)項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程；對(duì)凸輪軸關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了凸輪軸制造采用MATLAB數(shù)學(xué)處理軟件對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、楔橫精軋工藝、CBN砂輪剝皮磨削新工藝和創(chuàng)新凸輪軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等解決問(wèn)題的方案；對(duì)凸輪軸研發(fā)項(xiàng)目的技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益進(jìn)行了分析，項(xiàng)目實(shí)施促使我國(guó)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，項(xiàng)目產(chǎn)品填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白并替代了同類產(chǎn)品的進(jìn)口。

關(guān)鍵詞：CNG雙燃料 凸輪軸 楔橫精軋 剝皮磨削

中圖分類號(hào)：S97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（c）-0039-02

CNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)既能在汽油與天然氣雙燃料狀態(tài)下工作，又能在純汽油狀態(tài)下正常工作，還能便捷實(shí)現(xiàn)汽油和雙燃料之間轉(zhuǎn)換。既具備普通汽油機(jī)的優(yōu)良性能，還具有低排放、低燃料使用費(fèi)、噪音低、高可靠性等顯著特點(diǎn)。安徽金光機(jī)械集團(tuán)與長(zhǎng)春一汽四環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)公司合作，共同研發(fā)CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動(dòng)機(jī)配氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件——凸輪軸，筆者參與了該研發(fā)項(xiàng)目的產(chǎn)品研發(fā)和鑒定，提出了關(guān)鍵技術(shù)解決方案。

1 研發(fā)過(guò)程

（1）前期策劃：按照ISO/TS16949標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)該項(xiàng)目實(shí)施先期策劃（APQP）。對(duì)顧客的圖紙進(jìn)行評(píng)審，擬定產(chǎn)品/過(guò)程特性初始清單，確定可靠性和質(zhì)量目標(biāo)。

（2）過(guò)程設(shè)計(jì)：按公司產(chǎn)品防銹包裝標(biāo)準(zhǔn)制定包裝要求，編制工藝流程圖及過(guò)程潛在的失效模式（PFMEA），擬訂新增設(shè)備、工裝及檢具清單，制定樣件控制計(jì)劃。

（3）產(chǎn)品和過(guò)程確認(rèn)：編制試生產(chǎn)控制計(jì)劃，形成生產(chǎn)確認(rèn)報(bào)告，出具初始樣件檢驗(yàn)報(bào)告，向顧客提供試生產(chǎn)的產(chǎn)品，進(jìn)入生產(chǎn)件批準(zhǔn)（PPAP）程序。及時(shí)收集顧客反饋的意見(jiàn)，制定糾正或預(yù)防措施等。

（4）毛坯選用：該項(xiàng)目產(chǎn)品選用45#鋼楔橫精軋毛坯，為了提高凸輪軸材料利用率及綜合機(jī)械性能，利用國(guó)際領(lǐng)先的楔橫軋精軋工藝生產(chǎn)毛坯。

2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 凸輪型線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

包括配氣正時(shí)的選取，氣門(mén)最大升程和凸輪緩沖段、正負(fù)加速度段輪廓函數(shù)的確定。配氣正時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性都會(huì)產(chǎn)生重要影響，氣門(mén)升程和輪廓函數(shù)直接影響充氣效率和配氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能，并決定了配氣系統(tǒng)的工作可靠性。

2.2 凸輪升程變化及沖擊載荷

凸輪軸的凸輪型線與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪型線不同，凸輪型線存在負(fù)曲率段即凹面輪廓以及凸輪升程變化率要求極小，給凸輪磨削加工帶來(lái)較大的難度。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，凸輪軸需要承受較大的轉(zhuǎn)矩和周期性的沖擊載荷，因此對(duì)凸輪軸的強(qiáng)度、剛度和韌性方面的要求較高。

2.3 異常磨損及結(jié)構(gòu)要求

凸輪軸位于發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)的末端，導(dǎo)致凸輪軸兩端支承軸頸潤(rùn)滑不良，容易造成凸輪軸的異常磨損，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平順性和使用壽命。凸輪軸還具有驅(qū)動(dòng)分電器轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上既要滿足功能需要，又要力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的工藝性。

3 解決方案及技術(shù)創(chuàng)新

3.1 采用MATLAB數(shù)學(xué)處理軟件

引進(jìn)先進(jìn)的MATLAB數(shù)學(xué)處理軟件對(duì)凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。MATLAB是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算及圖形處理于一體的科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言。發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸凸輪型線多為離散點(diǎn)擬合而成，表面上是沒(méi)什么規(guī)律的數(shù)字，其實(shí)是控制進(jìn)、排氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵因素。基于MATLAB的可視化凸輪型線設(shè)計(jì)、優(yōu)化研究，可以提前預(yù)知CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸凸輪型線設(shè)計(jì)的合理性，獲得了最優(yōu)的凸輪型線和相關(guān)輪廓函數(shù)并縮短了研發(fā)周期。

3.2 使用CBN砂輪剝皮磨削新工藝

CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的凸輪型線存在負(fù)曲率段，磨削加工時(shí)對(duì)于進(jìn)給量與磨削速度的匹配有著嚴(yán)格的要求，為此，采用WOP-G非圓磨削軟件自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)凸輪輪廓段準(zhǔn)確的磨削速度，進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定和控制，使用CBN砂輪剝皮磨削新工藝，該工藝具有良好的柔性和極高的磨削效率，可實(shí)現(xiàn)高速、高效磨削加工，有效解決了凸輪升程變化率要求極小的技術(shù)難題，獲得理想的加工效果，該技術(shù)為國(guó)內(nèi)凸輪軸行業(yè)首創(chuàng)。

3.3 選用楔橫精軋工藝

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的轉(zhuǎn)速、工況、載荷及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行CAE分析，為提高凸輪軸綜合機(jī)械性能和可靠性，選用具有國(guó)際先進(jìn)水平的楔橫軋精軋工藝生產(chǎn)毛坯，使用該工藝生產(chǎn)的凸輪軸毛坯具有材料纖維完整，晶粒細(xì)化，綜合機(jī)械性能較佳的特點(diǎn)，并可大幅度提高材料利用率，降低機(jī)加工成本。

3.4 技術(shù)創(chuàng)新

針對(duì)凸輪軸末端兩檔支承軸頸潤(rùn)滑不良問(wèn)題，對(duì)凸輪軸的潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在凸輪軸的末端心部采用盲深孔作為中間油道，與兩檔支承軸頸及齒輪油道相貫通，產(chǎn)品完工后用堵頭封堵中間油道，徹底解決了凸輪軸末端兩檔支承軸頸潤(rùn)滑難題。創(chuàng)新凸輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打破常規(guī)思維，將驅(qū)動(dòng)分電器的斜齒輪置于凸輪軸的末端，并采用整體結(jié)構(gòu)，雖然對(duì)凸輪軸加工時(shí)滾削齒輪的工藝性有一定影響，但可簡(jiǎn)化整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)

研發(fā)的CA4GH-N CNG雙燃料電噴發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸經(jīng)長(zhǎng)春一汽四環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司裝機(jī)試驗(yàn)和檢測(cè)，主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)已達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)水平，其中凸輪軸凸輪磨損量≤0.04mm/5萬(wàn)km，升程變化率≤0.004 mm/1°，相位夾角偏差≤12′，凸輪表面粗糙度Ra≤0.32μm。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

僅以年產(chǎn)20萬(wàn)件測(cè)算，企業(yè)可年新增銷售收入4800萬(wàn)元，新增出口創(chuàng)匯200萬(wàn)美元，上繳稅金及附加375.60萬(wàn)元，年利潤(rùn)總額1 009.50萬(wàn)元。如產(chǎn)能提升，上述經(jīng)濟(jì)指標(biāo)將相應(yīng)提高。

5.2 社會(huì)效益

隨著我國(guó)車(chē)用燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施的不斷完善和國(guó)家鼓勵(lì)使用代用燃料的新能源汽車(chē)措施的陸續(xù)出臺(tái)，國(guó)內(nèi)對(duì)CNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)需求量不斷增加，CNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸市場(chǎng)潛力巨大。通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)企業(yè)自主創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。促使我國(guó)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白并替代了同類產(chǎn)品的進(jìn)口，對(duì)促進(jìn)我國(guó)汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)工業(yè)的發(fā)展必將產(chǎn)生積極的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)國(guó)家權(quán)威部門(mén)檢測(cè)，裝配該項(xiàng)目研發(fā)的凸輪軸的CA4GH-N 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，已申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利。該凸輪軸現(xiàn)已批量生產(chǎn)，其主要技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，滿足CA4GH-N雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能要求和排放要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)的空白，替代了同類進(jìn)口產(chǎn)品，發(fā)揮了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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