内燃机车柴油机凸轮轴优化设计与加工

内燃机车柴油机凸轮轴优化设计与加工

刘松贾力鹏郑伟

中车大连机车车辆有限公司  辽宁大连  116052

摘要：本文深入探讨了内燃机车柴油机凸轮轴的设计步骤，包括对现有凸轮轴设计分析、确定需要改进的领域、利用仿真和建模工具，并分析了内燃机车柴油机凸轮轴生产的加工工艺，通过优化凸轮轴的产品设计，大幅度提升内燃机车柴油机的性能、效率和使用寿命，从而达到精确制造的相关标准，使内燃机车柴油机在各行业中得到更好地应用。

关键词：内燃机车柴油机；凸轮轴；优化设计；加工

引言：凸轮轴一般位于内燃机车柴油机的气缸头上方位置，通常由高强度合金钢材料制成。凸轮轴的产品质量直接影响内燃机车柴油机的运行质量。在内燃机车柴油机凸轮轴的优化设计与加工工艺的选择中，确定需要改进的领域，预测制造实践的未来趋势，寻求更加科学、更加环保、更加高效的加工方式，为内燃机车柴油机性能的持续提升以及产品质量的转型升级铺平道路，具有重要意义。

1、内燃机车柴油机凸轮轴优化设计的关键步骤

1.1现有凸轮轴设计分析

凸轮轴作为内燃机车柴油机中的一个关键组件，具有提高发动机性能、平衡和减少振动、传动其他附件等重要功能。在开始优化之旅前，必须对现有凸轮轴设计进行彻底分析。这涉及研究各种参数，例如凸轮轮廓、凸角升程、持续时间和相位。首先，工程师要先检查当前凸轮轴在不同操作条件下的性能特征，以确定优点、缺点和需要改进的领域。其次，有关发动机功率输出、燃油效率、排放和可靠性的数据应该经过仔细检查，以深入了解凸轮轴的性能[1]。最后，与竞争对手凸轮轴的比较分析可以提供有价值的改进基准。通过了解现有凸轮轴的设计选择和工程权衡，工程师可以为有针对性的优化策略奠定基础。

1.2确定需要改进的领域

完成对现有设计的分析，下一步是确定需要改进的具体领域。这可能涉及提高凸轮轴在动力传递、扭矩特性、燃油效率和减排方面的性能。例如，优化凸轮轮廓以实现更好的气门开启和关闭，改善发动机呼吸和燃烧效率。而材料科学和制造工艺的进步则会为优化凸轮轴几何形状和结构开辟新的可能性。

1.3利用仿真和建模工具

仿真和建模工具使工程师能够在物理原型制作之前探索设计变化、预测性能结果并验证设计更改，从而在优化过程中发挥关键作用。首先，有限元分析（FEA）和计算流体动力学（CFD）模拟可用于评估凸轮轴设计在各种负载和操作条件下的结构完整性。其次，先进的多体动力学仿真有助于气门机构系统的动态分析，使工程师能够优化凸轮轴轮廓，以减少振动、噪音和磨损。使用CAD/CAM软件进行虚拟原型设计可迭代完善凸轮轴设计，确保最佳性能和可靠性。另外，系统级仿真工具将凸轮轴动力学与发动机性能模型集成，以评估对机车运行的总体影响。这些仿真工具使工程师能够微调凸轮轴参数，例如升程、持续时间和相位，以便在各种操作条件下实现最佳发动机性能。

2、内燃机车柴油机凸轮轴生产的加工工艺

2.1计算机数控（CNC）加工

计算机数控（CNC）加工彻底改变了凸轮轴等复杂部件的制造。数控机床在生产具有严格公差的复杂几何形状时具有无与伦比的精度、可重复性和灵活性。凸轮轴生产中常用的几种CNC加工工艺：（1）车削：数控车削用于制造凸轮轴的圆柱形部分，例如主轴和轴承轴颈。精密车削操作可确保满足同心度和表面光洁度要求[2]。（2）铣削：数控铣削用于塑造凸轮轴的凸角和键槽。高速铣削技术能够有效去除材料，同时保持尺寸精度和表面质量。（3）磨削：采用精密磨削来实现关键凸轮轴特征（包括凸轮和轴承表面）的最终尺寸和表面光洁度。配备先进工具和磨料技术的数控磨床可提供卓越的精度和表面完整性。（4）钻孔和攻丝：执行数控钻孔和攻丝操作，以在凸轮轴上打出用于安装部件和润滑通道的孔。自动化钻孔过程可确保精确的孔放置和对准。

2.2表面处理方法

表面处理方法可用于提升凸轮轴的性能、耐用性和寿命。这些处理提高了表面硬度、耐磨性和腐蚀防护，从而延长部件的使用寿命。常见的表面处理方法包括：（1）热处理：采用渗碳、感应淬火、氮化等热处理工艺来提高凸轮轴部件的表面硬度。经过热处理的凸轮轴具有更高的耐磨性和疲劳强度。（2）氮化：氮化是将氮扩散到凸轮轴表层，形成坚硬耐磨的氮化层。氮化凸轮轴具有卓越的表面硬度、低摩擦性和增强的抗微动磨损性。（3）涂层：凸轮轴表面可采用各种涂层，例如DLC（类金刚石碳）和PVD（物理气相沉积），以减少摩擦、改善润滑并减轻磨损。涂层凸轮轴可减少摩擦损失并延长维修间隔。

2.3质量控制措施

质量控制是内燃机车柴油机凸轮轴加工管理的重要一环，也是设计优化、改进和创新的关键流程。在整个制造过程中实施多样化的质量控制措施，可以准确检测质量问题并预防产品缺陷。这些措施包括：（1）过程中检查：在制造过程中对加工特征进行连续监控和检查，识别与规格的偏差并确保尺寸精度。（2）坐标测量机（CMM）：CMM用于对凸轮轴部件执行精确的尺寸测量和几何检查。将CMM数据与CAD模型进行比较，以验证是否符合设计要求。（3）无损检测（NDT）：采用磁粉探伤（MPI）和超声波检测（UT）等无损检测技术来检测凸轮轴部件的表面裂纹、缺陷和材料缺陷，而不会造成损坏

[3]。（4）统计过程控制（SPC）：SPC方法监控制造过程的变化并识别可能影响凸轮轴质量的趋势或偏差。过程数据的统计分析可以实现主动的质量管理和过程优化。

结束语

总而言之，优化内燃机车柴油机凸轮轴的产品设计，用好计算机数控（CNC）加工、表面处理方法、质量控制措施等加工工艺，能够最大限度地提升内燃机车柴油机的性能，满足行业不断变化的产品需求。所以，凸轮轴制造商应继续进行加工工艺的研究，探索全新的设计思路，努力集成新技术，并且拥抱新趋势，坚持实施可持续的制造实践，不断减少对环境的影响，取得最大化的成本效益。

参考文献：

[1]韩金辉，潘发存，李晶磊等.凸轮轴优化对柴油机性能提升的试验研究[J].内燃机与配件，2023，(08)：4-6.

[2]辛博，高志龙，江志农等.某型柴油机凸轮轴断裂故障监测预警技术研究[J].内燃机工程，2023，44(02)：100-108.

[3]金兴林.柴油机曲轴、凸轮轴修理配套工艺实施与分析[J].南方农机，2022，53(21)：184-187.