内燃机配气机构用凸轮轴结构设计

　　做了快十二年机械结构设计，经手的动力类传动零件少说也有上百套，凸轮轴这类看着结构不复杂的零件，实际落地的时候要抠的细节反而比很多异形件多。先从实际应用场景说，这类凸轮轴目前主要适配小排量四冲程内燃机的配气机构，不管是通用汽油机、小型柴油发电机组还是农用机械的动力端，核心作用都是按照既定的配气相位，精准驱动进排气门完成定时开启与关闭，保证气缸内的换气过程能和活塞的四冲程行程完全匹配，不会出现气门早开晚关导致的漏气、动力输出折损，或是气门开闭时机不对撞活塞的恶性故障。

　　从功能特性上拆解，这个轴的结构是分段式设计，最左端的细轴段是前端定位轴颈，用来安装正时齿轮或者正时链轮，和曲轴端的传动件配合，保证传动比严格维持2:1——也就是曲轴转两圈，凸轮轴刚好转一圈，匹配四冲程发动机的工作循环。中间凸起的凸轮型线是整个零件的核心，不是随便做个偏心圆弧就行，我当初做同类型零件建模的时候，型线是先根据配气相位算好缓冲段、工作段的升程曲线，既要保证气门开启的时间截面足够，让进气充分、排气彻底，还要控制凸轮和挺柱接触区的接触应力，不能用个几千小时就出现点蚀、磨损。凸轮段旁边的粗轴颈是主支撑轴颈，装配的时候是压入缸盖或者缸体的凸轮轴轴承座里，整个轴的径向跳动全靠这几个支撑轴颈保证，建模的时候同轴度公差我一般会给在0.02mm以内，不然转起来会出现卡滞、异响，甚至磨坏轴承衬套。最右端的螺纹段是用来固定正时端的锁紧件，有的机型还会在这个位置装转速信号轮，给ECU提供凸轮轴位置信号，判缸用的。

　　说设计思路的时候，很多新手容易只盯着凸轮型线，忽略安装边界的匹配。首先整个轴的轴向尺寸要严格对应缸体上凸轮轴腔的安装长度，前端轴颈伸出长度要和正时齿轮室的空间匹配，不能和齿轮室盖发生运动干涉；支撑轴颈的直径要比凸轮的最大轮廓尺寸大2-3mm，不然装配的时候轴穿进轴承座的时候，凸轮表面会刮伤轴承内壁的减磨层，后续润滑出问题很快就会磨坏。凸轮的相位角是建模的时候最容易出错的点，进排气凸轮之间的夹角要和机型的气门夹角匹配，我之前碰到过新人建模的时候把进排气凸轮做反了，打样装上去之后发动机根本启动不了，拆检的时候才发现气门开闭顺序完全错了。还有轴上的润滑油道，这个模型里虽然没做内部油道，但实际生产的零件里，支撑轴颈和凸轮基圆位置都会开油孔，连通主油道来的压力机油，给凸轮和挺柱的接触区、支撑轴颈和轴承的配合面提供润滑，建模的时候油孔的位置要避开应力集中区，不然轴在交变载荷下容易从油孔位置断裂。

　　再讲外形尺寸和安装边界的细节，整个轴的最大径向尺寸出现在凸轮的桃尖位置，设计的时候要保证这个最大轮廓和缸盖内部的加强筋、气门弹簧座之间预留至少3mm的安全间隙，毕竟轴运转的时候会有轻微的热膨胀，还有加工带来的形位公差，间隙留小了热机之后会出现碰擦。轴的表面粗糙度要求也不一样，支撑轴颈和凸轮工作表面的粗糙度要达到Ra0.8以下，要做表面淬火处理，硬度控制在HRC55-63，不然耐磨性能达不到要求，非配合面的粗糙度到Ra6.3就够，不用做额外的热处理。还有右端的螺纹，一般选细牙螺纹，锁紧的时候要配止推垫片，防止运转的时候螺母松脱，毕竟凸轮轴是高速旋转件，转速最高能到每分钟六千转，松脱的后果是非常严重的。

　　做这类轴类零件三维建模的时候，我习惯先拉伸出各个轴段的基本回转体，再根据提前算好的升程表生成凸轮的轮廓曲线，扫掠或者放样做出凸轮型面，之后再切出螺纹、退刀槽、键槽这些细节，建模全程要随时核对安装尺寸，每做一个特征就和对应的配合件做干涉检查，不要等全部特征做完再查，那时候改起来反而麻烦。尤其是凸轮型线的曲率，要反复检查有没有尖点或者曲率突变的位置，不然加工出来的零件工作的时候会出现挺柱加速度突变，产生冲击噪音，还会加剧零件磨损。很多人觉得凸轮轴就是个带偏心块的轴，真的做到装机匹配的时候就会发现，从型线设计到公差匹配，再到安装边界的核对，每一个细节没做到位，都会直接影响整个动力系统的可靠性。