油气混合动力电喷发动机凸轮轴关键技术解决方案与效益分析

摘 要：介绍CA4GH-N CNG双燃料电喷发动机凸轮轴研发项目的研发过程；对凸轮轴关键技术问题进行了分析，提出了凸轮轴制造采用MATLAB数学处理软件对凸轮型线进行优化设计、楔横精轧工艺、CBN砂轮剥皮磨削新工艺和创新凸轮轴结构设计等解决问题的方案；对凸轮轴研发项目的技术质量指标、经济及社会效益进行了分析，项目实施促使我国汽车发动机关键零部件的设计和制造技术达到国外先进水平，项目产品填补国内空白并替代了同类产品的进口。

关键词：CNG双燃料 凸轮轴 楔横精轧 剥皮磨削

中图分类号：S97 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0039-02

CNG双燃料发动机既能在汽油与天然气双燃料状态下工作，又能在纯汽油状态下正常工作，还能便捷实现汽油和双燃料之间转换。既具备普通汽油机的优良性能，还具有低排放、低燃料使用费、噪音低、高可靠性等显著特点。安徽金光机械集团与长春一汽四环发动机公司合作，共同研发CA4GH-N CNG双燃料电喷发动机配气系统的关键零部件――凸轮轴，笔者参与了该研发项目的产品研发和鉴定，提出了关键技术解决方案。

1 研发过程

（1）前期策划：按照ISO/TS16949标准要求，对该项目实施先期策划（APQP）。对顾客的图纸进行评审，拟定产品/过程特性初始清单，确定可靠性和质量目标。

（2）过程设计：按公司产品防锈包装标准制定包装要求，编制工艺流程图及过程潜在的失效模式（PFMEA），拟订新增设备、工装及检具清单，制定样件控制计划。

（3）产品和过程确认：编制试生产控制计划，形成生产确认报告，出具初始样件检验报告，向顾客提供试生产的产品，进入生产件批准（PPAP）程序。及时收集顾客反馈的意见，制定纠正或预防措施等。

（4）毛坯选用：该项目产品选用45#钢楔横精轧毛坯，为了提高凸轮轴材料利用率及综合机械性能，利用国际领先的楔横轧精轧工艺生产毛坯。

2 关键技术问题

2.1 凸轮型线的设计和优化

包括配气正时的选取，气门最大升程和凸轮缓冲段、正负加速度段轮廓函数的确定。配气正时对发动机的动力性、经济性和排放性都会产生重要影响，气门升程和轮廓函数直接影响充气效率和配气系统动力学性能，并决定了配气系统的工作可靠性。

2.2 凸轮升程变化及冲击载荷

凸轮轴的凸轮型线与汽油发动机凸轮型线不同，凸轮型线存在负曲率段即凹面轮廓以及凸轮升程变化率要求极小，给凸轮磨削加工带来较大的难度。同时发动机的转速较高，凸轮轴需要承受较大的转矩和周期性的冲击载荷，因此对凸轮轴的强度、刚度和韧性方面的要求较高。

2.3 异常磨损及结构要求

凸轮轴位于发动机系统的末端，导致凸轮轴两端支承轴颈不良，容易造成凸轮轴的异常磨损，直接影响发动机工作的平顺性和使用寿命。凸轮轴还具有驱动分电器转动的功能，因此在结构设计上既要满足功能需要，又要力求结构简单，具有良好的工艺性。

3 解决方案及技术创新

3.1 采用MATLAB数学处理软件

引进先进的MATLAB数学处理软件对凸轮型线进行优化设计。MATLAB是集数值计算、符号运算及图形处理于一体的科学计算语言。发动机凸轮轴凸轮型线多为离散点拟合而成，表面上是没什么规律的数字，其实是控制进、排气门运动规律的关键因素。基于MATLAB的可视化凸轮型线设计、优化研究，可以提前预知CA4GH-N CNG双燃料电喷发动机凸轮轴凸轮型线设计的合理性，获得了最优的凸轮型线和相关轮廓函数并缩短了研发周期。

3.2 使用CBN砂轮剥皮磨削新工艺

CA4GH-N CNG双燃料电喷发动机凸轮轴的凸轮型线存在负曲率段，磨削加工时对于进给量与磨削速度的匹配有着严格的要求，为此，采用WOP-G非圆磨削软件自动计算出相关凸轮轮廓段准确的磨削速度，进行自动设定和控制，使用CBN砂轮剥皮磨削新工艺，该工艺具有良好的柔性和极高的磨削效率，可实现高速、高效磨削加工，有效解决了凸轮升程变化率要求极小的技术难题，获得理想的加工效果，该技术为国内凸轮轴行业首创。

3.3 选用楔横精轧工艺

通过对发动机凸轮轴的转速、工况、载荷及相关参数进行CAE分析，为提高凸轮轴综合机械性能和可靠性，选用具有国际先进水平的楔横轧精轧工艺生产毛坯，使用该工艺生产的凸轮轴毛坯具有材料纤维完整，晶粒细化，综合机械性能较佳的特点，并可大幅度提高材料利用率，降低机加工成本。

3.4 技术创新

针对凸轮轴末端两档支承轴颈不良问题，对凸轮轴的系统进行了创新设计，在凸轮轴的末端心部采用盲深孔作为中间油道，与两档支承轴颈及齿轮油道相贯通，产品完工后用堵头封堵中间油道，彻底解决了凸轮轴末端两档支承轴颈难题。创新凸轮轴的结构设计，打破常规思维，将驱动分电器的斜齿轮置于凸轮轴的末端，并采用整体结构，虽然对凸轮轴加工时滚削齿轮的工艺性有一定影响，但可简化整台发动机结构设计。

4 主要技术质量指标

研发的CA4GH-N CNG双燃料电喷发动机凸轮轴经长春一汽四环发动机制造有限公司装机试验和检测，主要技术质量指标已达到国外同类产品的先进技术水平，其中凸轮轴凸轮磨损量≤0.04mm/5万km，升程变化率≤0.004 mm/1°，相位夹角偏差≤12′，凸轮表面粗糙度Ra≤0.32μm。

5 效益分析

5.1 经济效益

仅以年产20万件测算，企业可年新增销售收入4800万元，新增出口创汇200万美元，上缴税金及附加375.60万元，年利润总额1 009.50万元。如产能提升，上述经济指标将相应提高。

5.2 社会效益

随着我国车用燃气基础设施的不断完善和国家鼓励使用代用燃料的新能源汽车措施的陆续出台，国内对CNG双燃料发动机需求量不断增加，CNG双燃料发动机凸轮轴市场潜力巨大。通过该项目的实施，实现企业自主创新，形成具有自主知识产权的核心技术。促使我国汽车发动机关键零部件的设计和制造技术达到国外先进水平，填补国内空白并替代了同类产品的进口，对促进我国汽车和内燃机工业的发展必将产生积极的影响。

6 结语

经国家权威部门检测，装配该项目研发的凸轮轴的CA4GH-N 发动机的动力性、经济性和环保性完全达到设计要求，居国内领先水平，已申请国家实用新型专利。该凸轮轴现已批量生产，其主要技术质量指标达到了国外同类产品的技术水平，满足CA4GH-N双燃料发动机动力性能要求和排放要求，填补了国内该项技术的空白，替代了同类进口产品，发挥了较大的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1] 潘名军.轴类件高速剥皮磨削技术[J].现代零部件，2012（9）：70-71.

[2] 朱海丽，耿建忠，邵立新，等.两种不同凸轮轴加工工艺的比较分析[J].内燃机，2010（2）：24-26.

[3] 全球新能源网.CNG双燃料汽车[Z].[2012-05-25]