康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检修与技术维护

凸轮轴检测仪和人工测量的方法

 

摘要：凸轮机构广泛应用于自动化机械、精密仪器、自动化控制系统中，作为发动机的关键部件，凸轮轴是影响发动机气门开闭间隙大小和配气效率的主要因素。随着检修水平的不断提高，为了高精度、高效率地检测凸轮轴，并正确处理、评定它的各项工艺误差，及时快速地反馈凸轮轴的质量信息，康明斯公司在本文中罗列了柴油发电机维修时经常采用的凸轮轴检查与处理的方法以及加工厂采用凸轮轴检测仪工作原理，以求符合凸轮轴工艺质量管理的实际检测需要。 

 

一、凸轮轴的人工检验

1、凸轮损伤的检测

      凸轮的损伤形式有凸轮工作表面磨损、擦伤和点蚀（疲劳剥落）。

（1）凸轮的擦伤和疲劳剥落的检查

      一般可用目视的方法，检查其表面是否有擦伤和剥落的现象。

（2）凸轮高度的检测

      如图1所示，用外径千分尺测量凸轮全高，即凸轮顶点中心线到基圆最低点距离，如果小于标准值0.50mm，则为磨损。

（3）其他检测

      凸轮进、排气门开、闭升程的极限偏差为：±0.05mm；各凸轮开闭角偏差不大于上±2°；各凸轮升程最高点对轴线的角度偏差不大于±1°。

 

图1  凸轮轴凸角高度值检查

图2  凸轮轴轴颈径向圆跳动检查

 

2、凸轮轴弯曲变形的检测

（1）将凸轮轴安装于车床两顶针之间，或以V型铁块安放于平板上，以两端轴颈作为支点。

（2）用百分表测杆触头与中间轴颈表面接触，并缓慢转动凸轮轴一圈，测得百分表最大摆差，即为凸轮轴弯曲度。

（3）如最大弯曲度超过0.025mm（即百分表读数总值为0.05mm）时，应进行冷压校正。

（4）当轴有单数个（如3个）支承轴颈时，测中间轴颈；当轴有双数个（如4个）支承轴颈时，则测中间两个轴颈。

3、凸轮轴轴颈磨损的检测

（1）凸轮轴轴颈磨损

      可用外径千分尺测量其尺寸，与标准值比较可确定其磨损程度。凸轮轴轴颈可用外径千分尺直接测量，如图3所示。凸轮可用外径千分尺测量凸轮的高度H来判断，如图4所示。如果被测凸轮高度H小于使用限度，更换凸轮轴。

（2）计算轴颈的圆度和圆柱度误差。

      检测技术标准为：凸轮轴各轴颈轴线应一致，所有轴颈的圆柱度误差不大于0.01mm，锥形度误差应不大于0.03mm，轴颈磨损量应不大于1mm；中间各支承轴颈的圆度误差不大于0.05mm，各凸轮基圆部分的圆度误差不大于0.08mm，安装正时齿轮轴颈的圆度误差不大于0.04mm。凸轮顶部的磨损超过时，应予堆焊修复。

 

图3  柴油机凸轮轴轴颈磨损测量

图4  柴油机凸轮轴凸角磨损测量

 

 

4、凸轮轴其他损伤的检测

      凸轮轴由凸轮、凸轮轴颈及轴等组成（如图5所示）。凸轮可以分为进气凸轮和排气凸轮，分别用来驱动进气门和排气门的开启和关闭。轴颈主要用于支承并将凸轮轴装配在气缸体(或气缸盖)上。因此，除了上述常见检测部位外，还应检查以下部件的数据：

（1）凸轮轴上驱动分电器及机油泵的传动齿轮齿厚磨损不超过0.05mm。

（2）凸轮轴上偏心乾表面磨损不超过0.05mm。

（3）正时齿轮键与键槽磨损不超过0.012mm。

（4）凸轮轴装正时齿轮固定螺母的螺纹损坏不得多于2个牙。

（5）止推垫块的端面跳动量不大于0.03mm。测量方法如图6所示。

 

 

图5  柴油机凸轮轴结构图

图6  凸轮轴端面跳动量检测

 

二、凸轮轴检测仪检验

 

      发动机凸轮轴的测量包括与设计有关因素的测量项目和与质量管理有关因素的测量项目。

1、主要自检项目

      凸轮轴自动测量仪的主要功能有：

（1）检测凸轮轴的轴颈（凸轮轴的装配基准）误差（圆度，跳动）；

（2）检测凸轮轴的桃型（包括基圆段，爬行段，升程段等）误差；

（3）检测凸轮轴的键槽（或定位销）与参考桃的相位角度；

（4）检测凸轮轴的各个桃型与参考桃的相位角度；

（5）计算凸轮轴的各个桃型轮廓的相邻误差；

（6）计算凸轮轴的各个桃型轮廓最大升程和高度；

（7）具有偏心修正功能，可以最大限度的减少由于凸轮轴各个桃型轮廓不同心而引起的附加测量误差；

（8）具有灵活的参数设置功能和方便的桃型升程表修改功能，被检凸轮轴的轴颈和桃型轮廓的个数可自由设定，可以适应不同厂家的使用需要；

（9）具有测试数据自动备份功能，以方便建立工艺质量的过程控制和统计分析；

（10）提供有完善的数据分析报告。打印升程误差曲线，桃型轮廓的极坐标误差图，每个桃型的升程误差数据、理论升程表以及实际升程表等。

2、定位基准的检测

      在凸轮轴维修和加工过程中，通常借助凸轮轴端面的键槽或定位孔作为角度基准来完成后续的加工工序,因此在凸轮轴测量时需要确定凸轮轴端面的键槽或定位孔的中心位置——定位基准。键槽的中心位置可以通过测量柱形键销（要求与键槽紧密配合）的中心位置获得；当定位基准是凸轮轴端面的定位孔时，可以通过测量定位销（要求与定位孔紧密配合）的中心位置获得定位孔的中心位置。按设计要求，应当选用测头为球型测头，由于测头（球）与定位销（圆柱）是点与线的接触，其中心位置不易找准，致使测量中出现了数据不稳定，重复性不好的情况。通过多种方法试验，也没有取得满意的效果。定位销中心位置的测量，一度成为凸轮相位角度测量中的棘手问题。

      通过进一步的分析可知，定位销虽不在凸轮轴的旋转中心，但当被测凸轮轴以其旋转中心转动时，定位销的运动轨迹是凸轮轴的同心圆，这样，随着测头与定位销接触点位置的不断改变，测头将产生相应位移（升降），因此，可以把定位销看成是凸轮轴上的一个凸轮，这个凸轮的“桃尖”——定位销中心的位置，则可按求解凸轮测量起点转角类似的数据处理方法，用“敏感点法”予以求解，从而解决了定位销中心位置的测量问题。

3、凸轮升程误差的测量

      凸轮机构从动件的运动规律是通过凸轮的形状来反映的，因此需要根据从动件的运动要求设计凸轮的形状，如图7所示。一般来讲，每个凸轮的形状——桃形，由基圆和许多二次曲线、三次曲线及圆弧组成，其构成的封闭曲线称为升程曲线，由于凸轮升程曲线的特殊性，实际应用中提供给磨床的升程曲线是的离散数据，这也就是描述每个凸轮形状的理论升程表，其升程曲线的精度由升程公差来进行控制。

      凸轮的升程误差是指实际凸轮对应理论角度上的实际升程与理论升程的代数差。根据升程误差的定义，凸轮升程测量时，测量的应是凸轮理论转角对应测点的实际升程。这一点在实际测量中是不容易做到的，测量数据中一般含有转角误差（系统性误差）的影响，必须剔除测量数据中的转角误差的影响，才可能得出正确的测量结果。这就提出了如何进行凸轮测量和数据处理方法的问题。

4、凸轮轴测量仪的工作原理

      凸轮轴的测量是二维测量系统。目前凸轮轴测量仪的分度装置大都采用圆光栅编码器测量系统，线值装置采用直线光栅测量系统，外观结构如图8所示。

      凸轮轴测量仪的原理是由计算机发出的控制信号启动直流同步电机旋转，由驱动机构带动被测凸轮轴转动，通过Y轴圆光栅传感器，X轴直线光栅传感器分别将凸轮轴的角位移、径向、轴向位移转换成明暗条纹的光强变化信号，经光电转换电路转换成电压信号，再经前置放大和整形滤波，形成角度脉冲和径向位移脉冲经T/C计数板送入计算机。经计算机处理后，就获得了每个凸轮轮廓对应于各个转角的径向测量值（升程）。应用计算机控制技术，凸轮测量仪的机械运动、测量数据的采集和处理均可由计算机自动控制完成。

      这里应特别强调：凸轮测量时，测头的形状应与凸轮机构中的从动件的形状一致，这样才能更好的模拟凸轮机构的实际工作情况，使测量出的凸轮升程值准确反映凸轮机构从动件的工作位移和运动规律。

 

图7  柴油机凸轮轴凸轮轮廓示意图

图8  凸轮轴测量仪外观示意图

 

总结：

      专业的检测仪可利用计算机图像技术，无需与凸轮接触，避免了因凸轮表面磨损和变形等因素带来的偏差和误差，保证了测量的准确性。测量仪器的框架和控制系统完全由计算机控制，实现了自动化的测量流程，简化了操作难度，提升了测量效率。总之，凸轮轴测量仪是一种高精度、高效率、高可靠性的凸轮测量设备，其使用为凸轮轴测量提供了更加有效的解决方案，避免人工检测有可能引起的误差行为。

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