柴油机凸轮轴设计论文

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毕业论文（设计）D495Q3A柴油机凸轮轴毛坯的设计

学生姓名学号

指导教师

学院机电工程学院

专业机械设计制造及其自动化年级2016

论文答辩日期 2016 年 6 月 1 日

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D495Q3A柴油机凸轮轴毛坯的设计

完成日期：

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答辩小组成员签字：

摘要

凸轮轴是活塞发动机里的一个部件。它的作用是控制气门的开启和闭合动作。虽然在四冲程发动机里凸轮轴的转速是曲轴的一半（在二冲程发动机中凸轮轴的转速与曲轴相同），不过通常它的转速依然很高，而且需要承受很大的扭矩，因此设计中对凸轮轴在强度和支撑方面的要求很高，其材质一般是特种铸铁，偶尔也有采用锻件的。

毛坯的形状和尺寸的确定，除了将毛坯余量附在零件相应的加工表面上之外，有时还要考虑到毛坯的制造、机械加工及热处理等工艺因素的影响。在这种情况下，毛坯的形状可能与工件的形状有所不同。

关键词：凸轮轴；毛坯；加工余量；材料；

Thesis Title

The camshaft is a component in the piston engine. Its role is to control the valve opening and closing actions. Although in four stroke engine camshaft crankshaft speed is half ( in two stroke engine camshaft and crankshaft speed of same ), but usually it's speed is still high, but to bear great torque, therefore the design of cam shaft on the strength and support requirements are very high, generally the material special cast iron, occasionally using forgings.

Blank shape and size determination, in addition to the blank margin is attached to the parts corresponding to the machined surface, sometines even taking into account the blank of manufacturing, machining and heat treatment process factors. In this case, the blank shape may vary with the shape of the workpiece.

Key word: camshaft; rough machining allowance; material;

目录

前言 (1)

1凸轮轴毛坯 (1)

1.1常见种类的毛坯 (1)

1.2凸轮轴毛坯加工的选择 (2)

1.3毛坯形状及尺寸的确定 (2)

2凸轮轴 (2)

2.1凸轮轴的构造 (2)

2.2凸轮轴的位置 (3)

2.3凸轮轴的传动 (4)

2.4凸轮轴的失效形式 (4)

2.5凸轮轴的生产技术 (4)

2.6凸轮轴的选材 (4)

3凸轮轴毛坯的设计 (6)

3.1凸轮轴毛坯的设计要求 (6)

3.2凸轮轴毛坯的经济适用性 (6)

4实例 (7)

5总结 (10)

参考文献 (11)

致谢 (12)

前言

现代生产生活中柴油发动机具有不可忽视的作用。它的形状比较复杂，在汽车发动机配气机构中尤其重要，一般来说凸轮轴的结构比较复杂，因此它的设计和加工也相对来说比较困难。凸轮轴设计的怎么样，以及加工的好坏对发动机的正常运行有着很大的影响。在以前凸轮轴的位置主要是下置式，随着社会的不断发展。对于机械行业来说，各个部件的更新换代还是比较慢的，上升的空间并不是很大。其发展主要考虑它的成本、材料利用率、质量、环境几个方面。它的一端连接着发动机的驱动轮，一端起着轴承支撑点的作用。凸轮轴控制发动机气门尽可能在最短的时间内打开与闭合，以保证气缸进气与排气的充分进行。今年来很多内燃机都是采用多气门，因此就会有很多个凸轮轴安装在一个内燃机当中。这样就不得不设计出新的凸轮轴，经过不断的设计发展一种可控制气门时间的凸轮轴应运而生，既节约了成本，又缩短了时间。凸轮轴可以用铸铁，也可以用锻钢来进行制作。要保证凸轮轴的质量，凸轮轴毛坯的设计必须要严格符合规范。本文主要介绍了凸轮轴毛坯设计。

1凸轮轴毛坯

所谓毛胚顾名思义就是加工一个零件，根据零件形状及精度要求，选择加工原料，进行粗加工，即得到毛坯。

1.1常见种类的毛坯

毛胚在我们现实生活中比较常见的主要有以下几种。

1）铸造件的常用毛胚在铸造的时候我们会遇到各种各样的铸造件，当所需生产的铸件形状以及结构比较难以直观的铸造的时候我们都是用铸造来实现生产的现在的主要铸造方法就是用精密铸造、金属形式铸造、沙型铸造等等。还有的时候一些铸造用这些方法无法实现时，我们就要考虑一些特别的方法来经过特殊的铸造方法实现生产，并且这种铸造方法不适用于大量生产，往往这种方法的成本都是比较大的，大批量生产不可避免的增加各种成本。

2）锻造件的适用毛胚在一些力学等物理学性能方面要求比较高的零件上，我们通常选用锻造的毛胚，因为锻造件的毛胚比别的毛胚承受外力的能力要高好多，并且这些零部件外型也是比较简单的，锻造件的又是就是内部的材料手里比较平均，收到比较复杂的力时不易损坏等特点。

3）型材毛坯--棒材、板材、线材属于型材。热轧和冷拉是其制造方法中的两大类。对于尺寸较大、精度较低的毛坯制造用热轧；冷拉适用于尺寸较小、精度较高的毛坯。

4）焊接零件的毛配件零件的生产批量比较少的时候以及这种零件比较的的时候我们一般用焊接零部件的毛胚件，因为焊接的的设备运送比较方便，作业时比较方便。能够及时的进行生产作业。

5）其余种类毛坯--在上述毛皮加工以外还有冲压件，粉末冶金件，冷挤件，塑料压制件等等。

1.2凸轮轴毛坯加工的选择

毛坯加工之前应对综合因素进行分析并选取最佳加工方法。综合考虑以上的问题，在最短的时间内用最简单的方法，还要能够满足生产和生活的需要做出各方面的力学性能化学性能，外型等都要满足。在生产应用中必须切实考虑材料费、燃料消耗、厂房设备费、工资等生产成本因素。在进行大批量生产的时候我们选择零件的毛胚也是有要求的，我们要尽量减少毛胚的原材料的使用量在满足生产要求并且保证质量的前提下降低成本，使生产效益得到充分的发挥。毛坯的选择还应考虑本厂生产制造水平、设备条件以及外协的可能性等。

1.3毛坯形状及尺寸的确定

零件的尺寸的确定还是很复杂的，主要有一下这些方法。零件和毛坯具有一定的差别。毛胚一般都是比零件的尺寸大一些的，这个是非常重要的。生产加工毛坯时，同另加加工一样会产生一定误差，即“毛坯公差“。这两个方面对生产的所需原料以及所需费用都是有着很大的关系的。如果把握的不好必然会增加额外的费用。所以毛坯的形状和尺寸的精化是现代机械制造中不断完善的课题。上面来点在生产的时候遇到一般都是查机械的手册啊，还有有的公司会有规定，按照规定即可。即根据成本和技术的要求，零件要承受各方面的要求，而求其加工的精度比以前高了学多，零件表面的质量也相对的提高。终上所述，在生产零件的时候一定要考虑大加工余量这个东西，不然只会适得其反，反之则会事半功倍，来实现效益的最大化。其次，毛胚在加工时一定要尽可能的和零件相似。这样才能减小后续的加工工序，节约工时，从而节约成本。在提高生产效益的时候我们要不断的创新，在满足使用要求的时候尽可能的使生产简单化，规模化，能批量生产，减少中间环节，提高工作效率。

2凸轮轴

2.1凸轮轴的构造

凸轮轴上有两个端点，一个是跟柴油发动机的驱动轴相连接，一个是用于支撑内部轴承的。凸轮轴上有很多个凸轮，凸轮主要是用来驱动内燃机的气门，是一个的圆柱形的金属棒，长度和汽缸长度相吻合。

为了能够是汽车内燃机的汽车能够进入足够的空气，并且能够把废弃排放干净，凸轮轴从侧面看的形状一般跟鸡蛋的形状差不多，这样设计的主要目的在于能够在很短的时间里面让气门开启和关闭快速完成。

在设计凸轮时还要考虑到气门在打开和关闭的时候的巨大冲击对发动机造成的影响，防止因为这个原因而使气门磨损变形，发出非正常的声音。对发动机的性能造成一定的影响。所以我们，要充分发挥我们所学，不断创新，避免做出存在安全

隐患的凸轮轴，对以后的生产造成威胁。

发动机中的凸轮比较复杂。但也有一定的规律，是按照生产的需要摆放与设计的。各有不同的用处。有些时候根据需要有的发动机可以不要凸轮，只要能满足生产需要，这样都是可以的。下图就是简单的凸轮的实物图，我们可以参照。

图2-1 凸轮轴

图2-2凸轮轴

2.2凸轮轴的位置

随着科技的不断进步与发展，凸轮轴的位置也相应的发生了变化。总之是一个不断优化的过程。主要分为上置式、中置式和下置式。下置式是我们应用比较早的一种，它的最突出的优点就是能够实现批量生产，由于起结构比较简单，损坏时便于维修。并且能够很容易的进行作业。简单带来一定缺点，不如中置式和上置式动力、效率高。因为此种方式气门和凸轮轴之间的距离很远，使得传动就不是特别平稳。在一些低速发动机，输出功率不是很大的情况下还是很适用的，但是在大型，功率较大的发动机中，要用其他放置方式来实现工作要求。

上置式是比较先进的一种方式。凸轮轴的气门和凸轮轴间的长度较短，从而提高了传动效率。复杂的结构使其转速提升明显，工作平稳，但维修起来就相对复杂。

2.3凸轮轴的传动

凸轮的传动方式有那么几种，我们会经常见到，柴油机主要是以此轮传动为主的。结构还是比较好理解的。

凸轮轴为下置式的一般都是采用普通的齿轮组和柴油机的曲轴来连接的。

链条传动是我们比较常见的一种。因为链条在工作的时候总是不可避免的产生噪音，这时我们可以通常可以在其中加一个液压压紧机构以及塑料的导轨来减小这种噪声的影响。发动机内部的结构还是比较复杂的。凸轮有的时候会以链条形式来连接。往往为一种了使链条能够张紧，通常加一个钢材做的零件镶嵌在里面。

2.4凸轮轴的失效形式

1）凸轮轴的失效形式有很多，最为常见的只要有以下几种，一个是因为受力过大导致断裂，还有一个是受到的摩擦力过大导致凸轮变型，运行不准确等等。

2）凸轮轴在受力过大时会弯曲甚至断裂，当发生这样的情况的时候我们就要想要预防以及解决的办法，润滑油的缺失是一个重要的原因，摩擦力的增大，会导致凸轮轴的磨损，变性。在日常维护中一定要定期更换润滑油，以保证凸轮轴足够的润滑，这样才能减少凸轮轴的磨损。维修时的错误安装会导致凸轮轴断裂。

2.5凸轮轴的生产技术

D495Q3A柴油机工作时，凸轮轴的于东我是看不见的，单其重要作用不可忽视，正如上文所提，根据装懂位置控制气门工作。其工作时的速度大、作用力强等特点，决定了其加工生产必须高要求,所以要求设计中对凸轮轴的表面强度和刚度具有严格要求。

现代国产中比较成熟的技术算是切削加工锻造毛坯（钢制），加工之后对凸轮桃顶部进行高频淬火。这样就可以为动力输出要求大的柴油发动机提供可靠地精度保证、持续的工作保证以及能够很好的满足力学性能要求。世界各国发展水平不同，加工技术页参差不齐，后来其他国家还有各种不同的生产加工技术，可根据相关文献查阅。

2.6凸轮轴的选材

凸轮轴的材料有很多，但是应用较为广泛的也就那几种，国内外比较常用的几种主要有一些铸铁，还有一些钢材，合金等等。铸铁比较便宜原材料比较广泛，适合批量生产，如下表所示主要是几种铸铁的各种性能，以及加工工艺等等。生产时需求的行业不同，所生产的指标也不同，要充分了解材料的化学性能，物理性能，以及加工工艺。

表2-1不同凸轮轴的性能比较

D495Q3A柴油机工作时，凸轮轴的于东我是看不见的，单其重要作用不可忽视，正如上文所提，根据装懂位置控制气门工作。其工作时的速度大、作用力强等特点，决定了其加工生产必须高要求,所以要求设计中对凸轮轴的表面强度和刚度具有严格要求。

综上所述，45号钢是凸轮轴较好的材料选择，凸轮与支承表面淬火，淬火深度2-5，硬度为HRC55-63，凸轮顶部淬火层深度允许到1.0。凸轮表面不应有磁痕，毛刺，斑点，裂缝等缺陷存在。

表2-2凸轮轴有效硬化层深度及硬度

测量部位淬硬层深/mm 硬度

1 0.9 >58HRC

2 0.9 >650HV

3 1.2 30~45HRC

常见制作方法：

1)铸造--熔融状态下流动性好、收缩性好的金属可用铸造，铸造是金属熔融后充进模具型腔后凝固的成形方法，此种方法材料利用率高。随着社会的发展许多铸铁的性能已经和钢的性能不分上下，选择铸铁能够降低生产成本。

2）锻造—锻造的金属的力学性能都是比较优越的，因为锻造都是在收到外部强大的压力下来进行的，锻件的内部组织比较紧密，所以力学性能比较好。凸轮轴由于需要很高的力学性能一般都要采取锻造。通常锻造要对金属坯料进行加热。根据锻造加工特性及凸轮本周工作特点考虑，凸轮轴的加工应选择锻造。锻造过程对设备的要求很高，需要相当大的压力等级，对设备的材料也有特殊要求。锻压设备有很多种，技术发展比较迅速，现有国产及进口设备能够较好的满足生产需要。我国水压机的发展还是比较好的。工艺操作方法及修理的辅助工作要做的恰当，此类设备操作过程中存在安全隐患，需细心防备，整理适当的操作环境。

3）粉末冶金—向金属中添加其他物质粉末，通过特殊加工处理，生产出所需

零部件的过程。适用于流动性比较好，压缩性比较大的粉末。粉末冶金材料生产利用率及精度高，有特殊要求的零件可用此种方法加工。

因此，我们选择锻造法对凸轮轴毛坯进行制造，用模锻可以更好的制造。

3凸轮轴毛坯的设计

3.1凸轮轴毛坯的设计要求

（1）在凸轮轴材料选择中，凸轮的材料选择及热处理工艺要求较高，凸轮与支撑表面淬火，淬火层深度2-5，硬度为HRC55-63，凸轮顶部淬火层深度允许到1.0，凸轮顶部距端面1.5内，凸轮周边及支撑周径端面2内硬度允许降至HRC53。凸轮表面不应有磁痕，毛刺，斑点，裂缝等缺陷存在。

（2）外圆的加工方法的选择，主要的加工情况分别为粗车，半精车，精车；他们的加工情况（IT）12~13、10~11、7~8；表面粗糙度R/μm分别为10~80、2.5~10、1.25~5。

（3）平面的加工方法的选择，平面的加工情况分别为粗铣、半精铣、精铣；加工经济精度（IT）分别为11~13、8~11、6~8；表面粗糙度R/μ分别为5~20、2.5~10、0.63~5。

（4）凸轮轴毛坯的加工余量选择为2mm。

（5）为了改善切削性能而进行的热处理工序如退火、正火、调质等；为了消除内应力而进行的热处理工序如人工时效、退火、正火等；为了改善材料的力学物理性质，半加工之后，精加工之前常安排淬火，淬火—回火，渗碳淬火的热处理工序。对于整体淬火的零件，淬火前应将所有切削加工的表面加工完。因为淬硬后，在切削就有困难了。对于那些变形小的热处理工序，有时允许安排在精加工之后进行。对于高精度精密零件，在淬火后安排冷处理以稳定零件的尺寸。零件表面想要有较强的物理和化学性能，我们这时就要进行一些必要的处理，可以同工加热来处理，使其有比较好的力学性能，能够承受外界复杂的环境的影响。

（6）凸轮轴轴颈直径选择，在考虑凸轮轴颈直径时，首要因素是喷油凸轮是否在凸轮轴上，凸轮对滚轮的需用接触应力极限为1724Mpa，而配气凸轮表面从动作的需用接触应力极限为700Mpa。接触应力的降低取决于增大接触面曲率半径，即较大的凸轮基园直径和传动喷油泵嘴油泵的滚轮直径。

为了满足现代无涡流直喷式柴油机150Mpa的喷油压力条件下可靠地工作，需要才用较大的凸轮轴基园直径和轴颈直径，而轴颈直径必须在总体设计阶段决定，推荐吐下：（d位基园直径）

d min = 0.714D-0.0017D2(D为汽缸直径)

d min = (0.55-0.59)D`

3.2凸轮轴毛坯的经济适用性

凸轮轴在生产加工过程中还要对经济适用性进行分析。在达到零件尺寸、性能

要求以外还要尽量节省材料，必要条件下课寻找可代替的成本低原料。但做出来的产品要满足使用的要求才行，要保证其能够运行足够的时间。这就需要设计人员精通各方面知识，懂得哪些原料可以替换，不影响使用性能甚至性能更加优越。这不仅要求我们精通设计，还要对各种材料的物理化学等各种性能熟练了解。当设计的产品需要批量生产时，并且可以选择的材料有多种时，我们要了解一下这几种产品哪一种在单位体积的价格比较便宜，我们选择便宜的那一种，这样可以节省大量的生产成本，为公司带来利润的同时，也为消费者减轻经济负担。有事可以提高生产效率。

降低产品成本和购买的成本对使用的人来说是一样重要的。设计者要充分了解市场需求综合分析各种可能因素，在设计产品时要通过以上几个方面找到一个最优的方案。

科技的日新月异，对许多铸铁的特殊加工使其性能已经赶上钢的性能，甚至在一定条件下还超过钢。因为铸铁较钢价格低廉，所以现在用铸铁代替钢材能够很大程度上节约成本，获取更大利润。目前主要的以铁代钢方式有--1) 球墨铸铁代替钢焊接件；2）灰口铸铁件代替钢件；3) 球墨铸铁取代部分锻件。在一些方面球墨铸铁还能改善零件的性能，球墨铸铁在某些方面性能已经超越钢，完全能够满足在发动机中工作的性能要求，现代发动机中很多部件已用铸铁来代替，在不影响性能的同时还能够减轻重量，这对发动机而言十分重要。

在选择铸铁时，不能盲目选择，要根据所需零件的性能要求，合理设计，尽量选择成本低，加工易，性能强的材料。要充分重视铸铁的质量性能。良好的铸件内部质量，能使零件更加经久耐用，节约维修费用，也为客户节约时间。

4实例

凸轮轴的生产有很多实例主要要从一下两个方面着手。

（1）确定理论轮廓曲线的基圆半径

（2）做凸轮的轮廓曲线

铣削凸轮轴半圆键槽夹具设计

凸轮轴在发动机中的协调控制作用是众所周知的，可以选择合金铸铁来加工。凸轮轴的一端有键槽(半圆形)需要加工，因此半圆键槽的铣削加工中要特别注意——“凸轮轴属细长轴、刚度小”。要完成凸轮轴的铣削加工(包括径向与轴向)需要合适准确的装卡.

工厂的实际运用中，好的夹具既可以保证待加工产品的精度要求，又可方便操作。不仅如此，设计出高技术含量的夹具还可在一定程度上提高生产设备的使用年限，有利于控制成本，降低生产费用。好的夹具还可以迅速准确的定位，迅速夹紧，操作方便，易于工人学习。所以家具的设计选择也是铣削加工中不可忽略的一个步骤。

D495Q3A柴油发动机的重要传动零件—凸轮轴的生产加工是大批量的，凸轮轴上

的半圆键也就需要被不断地重复加工，这就对夹具的精度及稳定性提出较的要求。下图所示的是柴油机的凸轮轴。

1、零件的选取

选取CR调质钢作为该零件的加工原料，分析可得该零件为成批大量生产，外形相对简单。

2.夹具结构分析

对工件定位点和夹紧示意图分析可知，待加工部件种类为——轴类零件，对加工精度、稳定性、材料成本等方面因素综合分析后，最终决定--定位元件选取V型块，定位方法采用六点定位法。

图4-1工件定位点和夹紧示意图

由下列夹紧装置图可知，部件3是整个夹紧装置的动力元件，部件1共有两组，它们共同组成家具体的夹紧机构。歪理作用于部件2,手柄2带动部件3（动力元件-斜楔）上升，部件4在其带动下自动调节，带动压板运动，从而实现弓箭的夹紧功能。

图4-2夹紧装置

夹具多采用铸铁制造，上边是压板，下边中空，内有交叉加强筋。此设计可以良好的降低成本，提高稳定性。

图4-3毛坯零件图

5总结

本次对D495Q3A柴油机凸轮轴毛坯的设计,综合考虑到对凸轮轴毛坯的选材，材料分析以及设计进行了充分的解析说明。以45号钢为材料的凸轮轴已经成为了主流。经过毕业设计这段时间的学习，我对凸轮轴有了更加清晰的认识，加深了柴油机的工作原理,也对机械这门专业更加的有兴趣。设计是一个漫长的过程，而老师的帮助是绝对少不了的，没有史老师的精心指导，我的毕业设计也就不可能这么顺利的完成，在此还要感谢一下我的指导老师。

本次对D495Q3A柴油机凸轮轴毛坯的设计，将大学四年来学到的知识，归纳梳理，补充未掌握的知识体系，巩固已有基本理论体系，加上个人对发动机工作原理的兴趣与钻研精神，设计中所学到的知识是无法估量的。设计过程，平心静气，解决疑难，推陈出新，把自己的理论与实践、兴许爱好相结合，是一个难忘的过程，是我一生中的宝贵财富。

本次对D495Q3A柴油机凸轮轴毛坯的设计，不仅是自我学习，自我提高的过程，也是一个交流合作，共同分工设计的过程。这种方法能够加强问题交流与知识储备。这样更能发现问题弥补不足。这次设计中，同学之间的友谊，完美的展现出来。大家一起，努力着，快乐着，学习着，我想这种机会以后是不常有的，我感到非常珍惜，非常难忘。所以此次设计，不论在知识层面，还是同学感情，还是师生友谊，都让我心存感动。大学四年再多苦在多累都是值得的。付出终有回报。让我对以后的工作也更加有信心。

本次对D495Q3A柴油机凸轮轴毛坯的设计，让我各方面知识重新梳理整合，是我知识层面更加广阔，人际关系更加通畅，为今后的学习、工作、生活打下坚实基础。

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[16] MARGHITU, D. B. (2001). Mechanical Engineer's Handbook

致谢

这次毕业设计的完成我感受颇深。此次设计是对自我的一次考验，加强了对知识点的把握，是所学的知识的系统化。每当我遇到难题而无法解决时，我总是去找史老师求解，每次都会对我悉心教导，使我清晰地理解这个问题，让我学到了许多的专业知识和相关的设计方法。最重要的是学习到怎样把我们课本上所学的知识运用在生产实际中的方法和技巧。在此，再次感谢史老师及各位老师对我的教导，感谢同学们的帮助。谢谢！