柴油发动机凸轮轴断裂故障分析及处理对策研究

摘要：凸轮轴是活塞发动机里的一个部件，也是汽车发动机配气结构中的重要零部件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。因此在设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求会很高，特种铸铁是它的材质，偶尔也采用锻件，所以在发动机中凸轮轴占据着很重要的地位。但由于凸轮轴运转时需要承受着交变荷载，长时间的工作会产生疲劳裂纹，而造成凸轮轴异常受力疲劳断裂的主要原因是，止推片和凸轮轴两者之间产生摩擦，严重粘着磨损。本文主要针对分析柴油发动机凸轮轴断裂的故障及处理对策。

关键词：柴油发动机；凸轮断裂；故障；处理对策；

柴油机气门驱动机构中的重要零件就是凸轮轴，发动机进气门和排气门的时间都是由它来控制的，发动机曲轴的旋转速度只有凸轮轴的一半，所要求的旋转速度也很快，高速度的转动下就要醒凸轮轴要有很好的性能，但在这过程中凸轮轴也要承受极高的压应力和滑动摩擦力，在载荷作用下轴经部位会产生裂痕，长时间的裂纹就会产生断裂，一旦断裂就会引起整台发动机的失效，本文主要分析凸轮轴断裂的故障原因以及处理它的方法。

1.凸轮轴的断裂故障分析

1.1. 凸轮轴的分类

按凸轮轴的树木的多少，可以分成两种分别是单项置凸轮轴（SOHC）和双顶置凸轮轴（DOHC）。用直白的语言解释就是双顶置凸轮轴有两根，而单顶置凸轮轴只有一根凸轮轴。单顶置凸轮轴：结构简单，一般用于高速发动机，一根凸轮轴在汽缸盖上可以直接驱动进，排气门。气门上的挺杆具有动力传递的功能，气门的运动也是通过重复凸轮轴的转动中而来的。凸轮轴也有装置在气缸的侧面，正时齿轮靠驱动。但气门的重复运动一多起来，往复运动的零件也较多，对高速运动的发动机的工作性能也很大的影响。然而导致气门失去控制因为零件在不同程度的加快磨损程度，有较大的引动振动频率。

顶置双凸轮轴：在顶盖上有两根凸轮轴，分别用于驱动排气门和驱动进气门。它用来配合使用四气门的配气机构，所以在双顶置凸轮轴的设计上，对凸轮轴和气门弹簧的设计要求不高。

1.2. 凸轮轴的传动

低置式凸轮轴通常采用的星形齿轮组就是控制轮，曲轴与辊子链或齿条相连，而直径较大的凸轮轴传动轮一般由轻金属或塑料制造，因为可以有效控制噪声，采用钢材一般是直径较小的曲轴断传动轮，用链条连接的形式也很常见。在顶置或或底置式的凸轮轴上都可以看到这种方式。为了减小链条在运动中所产生的振摆噪声。

塑料齿条链连接在顶置式凸轮轴的结构中常见，这个齿条链位于发动机机油腔外，附带有钢质的嵌入部件，而张紧的作用则需要一个可调的辊子来实现。在动力传输过程过于复杂其过大是因为塑料齿条链连接是通过一个偏心连杆、带中间轴的锥形齿轮组或星形齿轮组来连接曲轴和定制式凸轮轴是一种比较少见的结构。齿形胶带传动、齿轮传动和链条传动三种传动方式共同组成凸轮轴和曲轴常见的传动方式。圆柱形正时齿轮传动是下置凸轮轴和中置凸轮轴与曲轴之间经常采用的传动方式，曲轴和顶置凸轮轴之间常见有链条的传动，但它工作的耐久性和可靠性不如齿轮传动，为了降低工作噪声并啮合平稳都运用的是斜齿轮，从曲轴到凸轮轴运用一对齿轮即可，增加1个中间惰轮是为了防止传动齿轮的直径大出原有的范围。是高速发动机上广泛使用是齿形胶带代替传动链条，一些大功率的发动机还是在使用链条传动。

1.3. 常见的故障分析

凸轮轴常见的故障包括锻炼，异常磨损和异响。出现异常磨损的症状都是异响和断裂之前的症状。凸轮轴断裂最常见的原因就是因为凸轮轴质量差，磨损情况严重，液压挺杆破裂和正时齿轮破裂，还有一个原因就是不良，导致凸轮轴滑动起来有障碍。下面就用某一款发动机的凸轮轴来举例分析出现断裂的原因。

研究某柴油发动机上的凸轮轴，此凸轮轴的是用特种铸铁共而成的，凸轮的表面和轴颈的表面温度是通过热处理工艺而来的。硬度54～60HRC，3～7mm的硬化层深，凸轮轴推片必须达到材料20钢的技术要求，温度表面要有52～63HRC，渗碳层深0.4～0.9mm。

故障原因：首先要检查的一项就是发动机，要看油路畅通是否在正常工作，有没有气阻的现象。如果在供油正常的情况下，将气门室盖拆开，发现因为严重弯曲而导致气门正时错乱的顶杆，大约有3～4根左右。其中凸轮轴已经断裂，断裂的部位正好在凸轮轴安装齿轮的根部。瓦的表面没有存在烧损和脱落的现象，再讲汽缸盖拆开，里面有气门冲击塞头的痕迹但不是很深，弯曲和损伤的现象在活塞连杆的检查中也看不到，缸体倒立时，表面依然完整的凸轮轴并且可以在轴孔中活动自如，弯曲和不能转动的现象根本不存在，每只都能顺利抽出。大、小瓦的配合间隙偏大主要因为大、小瓦的接触面比较黑。连杆轴颈和主轴颈都在标准尺寸范围内。可以很顺利的抽取观察是否有磨损和弯曲，气门挺柱头部圆弧面保持的也很保证。

排除故障原因：柴油发动机的安装一切都要按照大修程序和大修技术标准来严格执行，对凸轮轴和曲轴的要求就高。如果齿轮轴颈已经被磨损，那么它的直接表现是齿轮只有旋转半圈，曲轴在拆卸的时候也会有损伤的情况。所以在齿轮拆卸下来的时候要进行如初轴颈。要更换正时齿轮和曲轴。新的曲轴在安装的时候一定考虑好定位因素，不能产生松动或过紧的情况，要把齿轮敲打金曲轴齿轮的轴颈上。最后将发动机的一切材料都给组装完毕，实验发动机是否可以正常启动，如果可以正常启动那么发动机没有问题。

断裂故障分析：首先要考虑的问题是是否设计强度不够而导致断裂。如果一台发动机连续工作数年，或者此型号的柴油机在别的汽车没有发生断裂情况，那就是此发动机的凸轮轴设计强度不够不恰当。其次，拆开各部件的零件来看，在定式齿轮并没有见到冲击痕迹或异常磨损等情况，可以断定冲击附加应力的是不存在的。其次，凸轮轴承受的磨损量较大也会导致疲劳弯曲。垂直轴线是导致凸轮轴弯曲疲劳的裂纹。再次，导致凸轮轴断裂的还有一个原则是，凸轮轴在被气门与活塞头头部逼住，致使凸轮轴的旋转速度也有所减慢，虽然发动机已经熄火，但是发动机的惯性致使凸轮轴还在不停的转动，较大的扭矩情况在就齿轮在凸轮轴上依然不断的高速运转的情况下产生了。从而就产生了凸轮轴断裂的情况。

2.故障处理对策

首先，应该尽量减少凸轮轴的磨损程度才是最关键，凸轮轴在导致弯曲断裂是在气缸盖轴承孔发生严重磨损的时候，就要跟换其凸轮轴，但如果不停的更换凸轮轴，不仅会使凸轮轴的寿命降低，对柴油发动机的影响也很不好。其次，从凸轮轴的结构上来分析，整体的扭杆轴是在旋转和传递扭矩的情况下变成的，气门在弯曲负荷工作情况下，凸轮轴应该发挥好它的作用，要承受气门弹簧施加的弯曲载荷，用分段的机构来保证凸轮轴的弯曲刚性，将主轴颈分成不同的段位。再次，如果想使凸轮轴的疲劳断裂情况有所降低，选用45号刚为凸轮轴的材料，前提是要考虑凸轮轴的实际情况和工作条件。在凸轮及支承轴颈外圆面机部分加工感应淬火，而未加工的毛坯面应在轴颈，凸轮及支撑轴颈断面部分，毛坯面上有脱碳现象在断裂处表面，而脱碳层可以缓解疲劳断裂处最为严重的地方。再次，对凸轮轴的维护时间也要恰当，请工人定时的对发动机以及凸轮轴保养维修，使其工作性能的作用发挥的更好。

3.结语

综上所述，柴油发动机凸轮轴断裂产生故障原因是凸轮轴应为长期的转动而产生的断裂，还有异常的摩擦磨损也不断程度的损害到了凸轮轴的工作性能，凸轮轴承受了异常的附加弯矩，磨损破坏了凸轮轴原有的所以的结构刚性，所以要防范这种情况的发生，就要在起步的时候就选择性能较好的凸轮轴材料，经常检查凸轮轴的运转情况，减少断裂故障的发生。

参考文献：

[1]马天源，李发宗，邓艳宁等.柴油发动机凸轮轴疲劳断裂研究[J].机械设计与制造，2013，（1）：140-142，145.

[2]邹德志，刘柯军.发动机凸轮轴疲劳断裂分析[J].汽车工艺与材料，2009，（1）：43-44.

[3]王晓华，刘安生.发动机凸轮轴座及轮轴的失效分析[J].电子显微学报，2003，22（6）：630-630

[4]王道勇.富康轿车国产凸轮轴断裂原因分析及改进[C].//中国内燃机学会汽油机煤气机分会.中国汽车工程学会二OO一年度联合学术年会论文集.2001：504-509.

[5]黄德华.EQB210-10柴油发动机凸轮轴断裂的维修[J].汽车维修，2010，（12）：31

[6]黄伟，杨有为，肖飞岭等.东风柴油发动机凸轮轴断裂故障排除一例[J].汽车运用，2012，（6）：47-48.