航空活塞發動機凸輪軸修理技術研究*

馮世榕

(中國民航飛行學院，四川廣漢 618307)

0 引言

凸輪軸是航空活塞發動機配氣系統中的關鍵零件，主要由凸輪、支承軸頸和軸頸組成，控制氣門的開啟和閉合動作，保證氣門組件有準確、平穩的良好運動規律，其質量的好壞直接影響發動機的動力性、燃油經濟性和排放性。凸輪軸在高溫、高轉速、高交變應力以及劇烈摩擦的狀況下工作，工況十分惡劣，極易發生各種失效。凸輪軸一旦失效，將會導致發動機進氣不足，排氣不暢，功率顯著下降，溫度升高，耗油量增加，發動機抖動等現象，嚴重時會損壞發動機其它零件，造成發動機停車或報廢。

經統計與分析得出，凸輪軸的主要失效形式為:①凸輪表面磨損;②凸輪表面拉傷;③接觸疲勞造成凸輪表面麻點;④接觸疲勞造成凸輪表面麻點剝落。航空活塞發動機在大修期間，如發現上述4種失效情況，凸輪軸就必須進行修理。由于凸輪軸修理技術復雜，加之國外廠家技術封鎖，目前國內尚無修理能力。為此，筆者從凸輪軸修理的可行性、修理關鍵技術以及輪廓型線反求等方面進行了深入的研究，旨在為凸輪軸修理提供理論指導。

1 修理可行性分析

凸輪軸的各種失效均會引起凸輪輪廓表面狀況以及型線發生變化，對其修理關鍵是要對凸輪輪廓表面進行磨削，去除缺陷，重構凸輪輪廓表面。為此，以下重點討論凸輪輪廓重構對其性能的影響，以分析修理的可行性。

1．1 輪廓重構對型線的影響

凸輪的輪廓由基圓、緩沖段和工作段組成，其輪廓的型線由挺桿體升程函數決定，對配氣機構的性能起著決定性作用，進而影響發動機工作可靠性、噪聲和振動特性。

如圖1所示，原始凸輪的A點處(其對應的凸輪轉角為α)，其挺桿體升程為OA－R。假設對凸輪輪廓進行均勻磨削(磨削深度相同)后，其輪廓變為圖1中的重構輪廓，凸輪轉角為α時，挺桿體與凸輪的接觸點變為A1，此時，挺桿體升程為OA1－R1。由于凸輪輪廓各處的磨削量相同，因此，OA－R=OA1－R1。綜上分析可知，均勻磨削凸輪輪廓不會改變其型線及挺桿體升程函數，不會影響配氣機構性能。

1．2 輪廓重構對接觸應力的影響

凸輪與挺桿體間的接觸應力表征凸輪接觸疲勞壽命和磨損率，分析凸輪輪廓磨削重構對接觸應力的影響對論證修理可行性具有重要意義［1］。凸輪與挺桿體呈線接觸，其接觸應力的計算公式為:

式中:F為凸輪與挺桿體間的法向作用力;ρ2為挺桿體在接觸點的曲率半徑;R為凸輪的基圓半徑;h(α)為挺桿體的升程函數;E1和E2分別為凸輪與挺桿體材料的彈性模量;μ1和μ2分別為相應材料的泊松比;W為凸輪與挺桿體接觸線寬度。

對凸輪輪廓進行均勻磨削后，式(1)中參數除R發生變化外，其余參數均不會發生變化。因此，由式(1)知，凸輪輪廓進行均勻磨削而重構輪廓會使R減小，導致凸輪與挺桿體間的接觸應力增大。

1．3 輪廓重構對潤滑特性的影響

凸輪與挺桿體間的潤滑特性對凸輪工作的可靠性和耐久性很重要［2］。為此，需對凸輪輪廓磨削后的潤滑特性進行分析。凸輪與挺桿體間的潤滑特性通常由承載油膜的最小厚度進行表征。此處討論的潤滑特性均針對平底挺桿體，如果挺桿體為滾子式，則其為滾動摩擦，油膜對潤滑特性影響不大。凸輪與平底挺桿體之間最小潤滑油膜厚度計算公式為:

式中:R為凸輪基圓半徑;h為挺桿體升程;ρ為凸輪外形曲率半徑。當凸輪旋轉角速度確定時;K為已知常數。

凸輪輪廓進行均勻磨削而重構輪廓后，凸輪基圓半徑R和凸輪外形曲率半徑ρ減小，其余參數不變。因此，由式(2)可知，對凸輪輪廓進行均勻磨削而重構輪廓會導致凸輪與挺桿體間的承載油膜厚度減小，其潤滑特性變差。

1．4 輪廓重構對耐磨性的影響

凸輪的耐磨性主要與表面的硬度有關［3］，分析凸輪輪廓磨削對耐磨性的影響主要是分析磨削后，是否會引起輪廓表面的硬度發生變化。通過反求分析某型航空活塞發動機凸輪軸的材質和熱處理狀況后，確定凸輪表面采用的是感應加熱硬化處理，其硬化層深度為1．2～2 mm。因此，只要凸輪輪廓磨削量不大，凸輪表面的硬度不會發生變化，其耐磨性不會受到影響。

綜上可得，在凸輪輪廓重構過程中，只要磨削量不大，磨削后的凸輪型線不會變化，不會影響配氣機構性能，對接觸應力、潤滑特性及耐磨性的影響均非常小。因此，針對凸輪軸的失效進行修理是可行的。

2 修理關鍵技術分析

2．1 主要技術指標

通過研究凸輪軸的功用、性能特點及工作要求等，將凸輪軸修理中的技術指標分為判斷是否可修指標(簡稱修前指標)和修理后是否合格的指標(簡稱修理后指標)。修前指標主要有:①凸輪輪廓表面的最大磨損深度;②凸輪輪廓表面的最大點蝕深度;③凸輪輪廓表面的最大剝落深度與面積。修后指標主要有:①凸輪輪廓型線精度;②凸輪輪廓表面粗糙度。

2．2 主要工藝步驟

凸輪軸修理的主要工藝步驟為:清洗與檢查→凸輪輪廓表面磨削→表面質量檢測→型線精度檢測→油封包裝。凸輪修理的工藝步驟中，磨削凸輪輪廓表面和型線精度檢測為關鍵與難點。

2．3 輪廓表面磨削

凸輪輪廓表面磨削特點為:①凸輪軸屬于細長軸類零件，剛性較差，磨削時容易產生彎曲變形，并產生磨削振動，影響磨削表面質量;②凸輪輪廓型線為多段高次曲線，升程轉角與砂輪半徑之間存在非線性關系，各磨削點的移動速度變化較大;③變化的磨削力容易引起磨削振動，加上凸輪軸本身剛性較差，磨削振動會加劇，磨削表面容易產生直線波紋;④凸輪磨削時，兩側加(減)速段的磨削速度最高，且在該區域冷卻液不易進入切削區，最容易發生磨削燒傷。

基于上述凸輪輪廓表面磨削特點，凸輪軸修理中應使用數控凸輪軸磨床并配備CBN砂輪。數控凸輪軸磨床具有如下顯著特點:①數控裝置控制砂輪架滑臺、工件旋轉主軸以及工作臺移動滑臺聯動，在編程軟件之中輸入凸輪的升程表、尺寸等可自動計算顯示凸輪轉速曲線，并生成數控程序對凸輪輪廓進行磨削;②當砂輪直徑變化時，數控系統自動修正磨削加工程序，補償砂輪的磨損量;③砂輪主軸采用內置式主軸電動機驅動，具有很高的響應速度，砂輪可達到100 mm/s以上的線速度，并保持速度恒定，即當砂輪直徑變小時，砂輪轉速提高，保持線速度不變;④凸輪在旋轉過程中轉速不斷變化，使凸輪輪廓上各部分磨削速度相同;⑤數控裝置控制金剛石滾輪進行砂輪修整，提高了CBN砂輪的修整精度;⑥采用自動平衡裝置，保證砂輪在高速旋轉時振動量很小。

采用數控凸輪軸磨床不僅能基本消除凸輪輪廓磨削后的各種缺陷(如表面燒傷、振紋)，凸輪輪廓型線最大誤差控制在0．01 mm之內，極大地保證凸輪修理質量，而且人為因素影響小，有利于質量的穩定性，同時也不需要額外的工裝，可直接進行裝夾而不降低裝夾精度。

2．4 型線精度檢測

凸輪輪廓型線不僅影響發動機配氣性能和動力學性能，而且還影響凸輪與挺桿體之間的接觸應力和潤滑特性。因此，凸輪輪廓型線精度是表征凸輪輪廓修理質量的最重要指標，修理后必須對其進行檢測。凸輪輪廓形狀復雜，需采用專用裝置進行檢測。

3 輪廓型線反求

凸輪輪廓磨削重構的技術核心是型線參數即挺桿體的升程函數，只要有了型線參數，便以此在數控凸輪磨床中進行編程并開展磨削修理。通常情況下，航空活塞發動機廠家不會提供凸輪輪廓型線參數，只能依據實物進行反求獲得。

3．1 型線反求測量

以凸輪軸新件作為反求樣本，采用三坐標測量儀對凸輪輪廓型線進行測量，以獲取一組凸輪軸轉角與挺桿體升程的離散數據，這樣便可以獲得型線的實測數據。凸輪輪廓型線測量時，將探針在標準球上校準，以消除由于環境條件變化所產生的探針半徑誤差對測量結果的影響。找正凸輪軸坐標系，并把凸輪軸固定在工作臺上，測量時只要凸輪軸保持穩定即可。凸輪軸穩定后，即可對其進行測量得到凸輪輪廓型線的實測數據。測量步長取0．5～1°即可，三坐標測量機的精度選擇0．005 mm即可。

3．2 型線重構

反求測量獲得的型線參數中包含制造誤差、測量誤差等，其值與原始設計參數存在一定誤差。由于凸輪輪廓型線對配氣機構的性能影響較大，如直接利用實測數據開展修理，修理后的凸輪軸性能將可能影響發動機性能和使用安全。因此，需依據實測數據，利用相關理論，對凸輪輪廓型線進行重構，以盡量獲取真實的原始設計型線。型線重構的技術思路為:樣條函數預光順→N次諧波凸輪逼近，其具體理論如下。

(1)樣條函數預光順。依據反求測量所得的凸輪輪廓型線參數:凸輪軸轉角α的一系列節點α0，α1，…αn，挺桿體對應的升程值 h0，h1，…hn，構造三次樣條插值函數，其形式為:

對式(3)進行推導，可得到 k0，k1，…，kn所應滿足的線性代數方程組如下:

其中:

式(4)是對角方程組，可以用追趕法求解k0，k1，…，kn。將求出的 k0，k1，…，kn代回到式(3)中，得到

－了h (α)的分段表達式。

采用“回彈法”進行預光順，其步驟如下:

① 引 進 各 小 區 間 ［αi，αi+1］ 的 中 點，再加上原來的兩個端點α0和αn，共得到n+2個節點，將它們由小到大排列，并記為 β0，β1，…，βn(即－，將 h (α)在這些點的值依次記為② 根據節點和升程用式(3)做三次樣條函數插值，得到新的插值函數

④這樣的修正可以反復進行，直到相鄰兩次修正值hi與 h～

i之間的差滿足條件為止。其中ε為事先指定的很小的正數。最后一次的修正值即為光順后的凸輪輪廓型線參數值。

(2)N次諧波凸輪逼近。由于凸輪輪廓型線函數h(α)是以2π為周期的函數，故h(α)只要有適當的光滑性，就可以在［0，2π］上展開為傅立葉級數:

其中:

將式(5)展開到有限項為止，即截取:

N為事先取定的正整數。

采用定步長辛普森求積分去求得式(6)中的A0，Ai，Bi。其具體方法如下:

將節點α0，α1，…αn取為等間隔，且使n為偶數2 k，定步長辛普森求積公式為:

其中:

式(7)中f(x)分別為 h(α)，h(α)cos iα，h(α)sin iα。這些函數在各節點上的值均已知，故可以按式(7)計算出所要的積分，從而確定 A0，Ai，Bi，這樣就構造出式(6)所定義的ˉh(α)。

4 結語

本文分析了航空活塞發動機凸輪軸的凸輪輪廓磨削對型線、接觸應力、潤滑特性以及耐磨性的影響，結果表明凸輪軸修理是可行的，修理后的凸輪軸不會影響發動機的綜合性能。分析了凸輪軸修理的主要技術指標、主要工藝步驟、輪廓表面磨削以及型線精度檢測等關鍵技術，提出了輪廓型線反求的測量方法和型線重構的理論模型。本文可為航空活塞發動機凸輪軸的修理提供理論指導，對提高國內航空維修單位的維修能力具有積極意義。

［1］ 胡首立．內燃機配氣凸輪優化設計與研究［D］．濟南:山東大學，2008．

［2］ 吉建平，于天明，陸 明．發動機凸輪－挺桿摩擦副磨損原因分析［J］．潤滑與密封，205(1):120－121．

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［4］ 葛榮雨，馮顯英，宋現春，等．弧面凸輪廓面三坐標機測量與傳動質量評價［J］．中國機械工程，2008，19(3):285－287．

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