摘要：凸轮机构广泛应用于自动化机械、精密仪器及自动化控制系统中。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，为高精度、高效率地检测凸轮轴，并正确处理、评定其各项工艺误差，及时反馈凸轮轴的质量信息，本文系统阐述了柴油发电机维修中凸轮轴的人工检验方法；详细介绍了凸轮轴检测仪的工作原理；深入解析了凸轮升程误差的测量原理，以及定位基准检测中“敏感点法”求解定位销中心位置的技术方法；在此基础上，从检测结果综合评定、常用维修方法、维修后质量检验要求及使用寿命影响因素与延长措施等方面给出了维修决策指引。本文可为柴油发电机凸轮轴的检测、评定与维修提供全面技术参考。
一、凸轮轴的人工检验
1. 凸轮损伤的检测
凸轮的损伤形式包括凸轮工作表面磨损、擦伤和点蚀（疲劳剥落）。
（1）凸轮的擦伤和疲劳剥落的检查：一般可用目视方法检查其表面是否有擦伤和剥落现象。
（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的距离。若该值小于标准值0.50 mm，则判定为磨损。
（3）凸轮轴的径向圆跳动检查：凸轮轴径向圆跳动的标准值为0.06 mm，极限值为0.10 mm。检查方法如图2所示：将凸轮轴支撑在摆差检测仪上，把千分表置于凸轮轴中间轴颈的中点，转动凸轮轴，测出最大径向圆跳动。若测量值超过极限值0.10 mm，则应更换凸轮轴。
（4）其他检测参数：凸轮进、排气门开闭升程的极限偏差为±0.05 mm；各凸轮开闭角偏差不大于±2°；各凸轮升程最高点对轴线的角度偏差不大于±1°。
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，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）若最大弯曲度超过0.025 mm（即百分表读数总值为0.05 mm）时，应进行冷压校正（将凸轮轴凸面向上置于压床上，施加反向压力产生反变形，保持压力后释放检查，直至弯曲度合格）。
（4）当轴有奇数个（如3个）支承轴颈时，测中间轴颈；当轴有偶数个（如4个）支承轴颈时，则测中间两个轴颈，取较大值。
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，与标准值比较确定磨损程度。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高度H来判断（如图4所示）。若被测凸轮高度H小于使用限度，应更换凸轮轴。
（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0.01 mm，锥形度误差不大于0.03 mm，轴颈磨损量不大于1 mm；中间各支承轴颈的圆度误差不大于0.05 mm，各凸轮基圆部分的圆度误差不大于0.08 mm，安装正时齿轮轴颈的圆度误差不大于0.04 mm。凸轮顶部磨损超过限值时，应予堆焊修复（堆焊后磨削至规定尺寸）。
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）。凸轮可分为进气凸轮和排气凸轮，分别驱动进、排气门的开启和关闭。轴颈用于支承并将凸轮轴装配在气缸体（或气缸盖）上。除上述常见检测部位外，还应检查以下部件：
（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0.05 mm。
（2）凸轮轴上偏心轮表面磨损不超过0.05 mm。
（3）正时齿轮键与键槽磨损不超过0.012 mm。
（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（超过2个牙时应更换）。
（5）止推垫块的端面跳动量不大于0.03 mm，测量方法如图6所示。
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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 |
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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 |
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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的测量项目和与质量管理有关的测量项目。
1. 主要检测功能
凸轮轴自动测量仪的主要功能如下：
（1）检测凸轮轴轴颈（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）检测凸轮轴各桃型与参考桃的相位角度。
（5）计算凸轮轴各桃型轮廓的相邻误差。
（6）计算凸轮轴各桃型轮廓最大升程和高度。
（7）具备偏心修正功能，可最大限度减少由于各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个数可自由设定，适应不同厂家的使用需要。
（9）具有测试数据自动备份功能，便于建立工艺质量的过程控制和统计分析。
（10）提供完善的数据分析报告——打印升程误差曲线、桃型轮廓极坐标误差图、每个桃型的升程误差数据、理论升程表及实际升程表等。
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加工工序，因此测量时需确定定位基准的中心位置。键槽中心位置可通过测量柱形键销（须与键槽紧密配合）的中心位置获得；当定位基准为定位孔时，可通过测量定位销（须与定位孔紧密配合）的中心位置获得。
按设计要求应选用球型测头，但由于测头（球）与定位销（圆柱）是点与线的接触，中心位置不易找准，导致测量数据不稳定、重复性差。通过分析可知，定位销虽不在凸轮轴旋转中心，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。随着测头与定位销接触点位置的不断改变，测头产生相应位移（升降）。因此，可将定位销视为凸轮轴上的一个凸轮，这个凸轮的“桃尖”——定位销中心的位置，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通过凸轮形状反映，因此需根据从动件运动要求设计凸轮形状（如图7所示）。每个凸轮的桃形由基圆和多种二次曲线、三次曲线及圆弧组成，其构成的封闭曲线称为升程曲线。实际应用中提供给磨床的升程曲线为离散数据，即描述每个凸轮形状的理论升程表，其精度由升程公差控制。
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。测量时，应测量凸轮理论转角对应测点的实际升程，但实际测量数据中通常含有转角误差（系统性误差）的影响，必须剔除转角误差影响，才能得出正确的测量结果。
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。
其工作原理为：计算机发出控制信号启动直流同步电机旋转，驱动机构带动被测凸轮轴转动。Y轴圆光栅传感器和X轴直线光栅传感器分别将凸轮轴的角位移、径向及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，获得每个凸轮轮廓对应于各转角的径向测量值（升程）。应用计算机控制技术，凸轮测量仪的机械运动、测量数据采集和处理均可由计算机自动控制完成。
特别强调：凸轮测量时，测头形状应与凸轮机构中从动件的形状一致（如滚子从动件用滚子测头、平底从动件用平底测头），才能更好地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从动件的工作位移和运动规律。
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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 |
三、凸轮轴检测结果评定与维修决策
1. 检测结果的综合评定标准
根据人工检验和仪器检测的综合数据，对凸轮轴技术状态进行评定，分为以下三类：
1）合格（可继续使用）：
① 凸轮高度磨损量<0.50 mm，各凸轮升程偏差在±0.05 mm以内。
② 径向圆跳动≤0.06 mm（标准值），最大不超过0.10 mm。
③ 轴颈圆柱度误差≤0.01 mm，锥形度误差≤0.03 mm，磨损量≤1 mm。
④ 各凸轮开闭角偏差≤±2°，升程最高点角度偏差≤±1°。
⑤ 无裂纹、无点蚀、无擦伤。
2）可修复（经维修后可继续使用）：
① 凸轮高度磨损量≥0.50 mm但未超过使用限度。
② 凸轮轴弯曲度在0.025～0.10 mm之间（可冷压校正）。
③ 轴颈磨损量>1 mm但不超过2 mm（可磨削修复或堆焊后加工）。
④ 凸轮表面有轻微点蚀或擦伤（可磨削修复）。
⑤ 螺纹损坏不超过2个牙（可修复）。
3）应报废（不可修复）：
① 凸轮轴存在裂纹（磁粉探伤或着色探伤确认）。
② 凸轮高度磨损超过使用限度（磨削后无法保证升程）。
③ 径向圆跳动>0.10 mm且冷压校正无法恢复。
④ 正时齿轮键槽严重磨损（>0.012 mm）或定位基准失效。
⑤ 凸轮表面严重剥落或烧蚀（深度>0.5 mm）。
2. 凸轮轴的常用维修方法
1）堆焊修复：
① 适用情况：凸轮顶部磨损严重、轴颈磨损超差、凸轮表面点蚀深度>0.3 mm。
② 工艺要求：采用与母材匹配的焊条（如镍基焊条或钴基焊条），焊前预热150～200 °C，焊后缓冷。堆焊后进行粗磨和精磨，恢复至标准尺寸和表面粗糙度（Ra≤0.4 μm）。
③ 注意事项：堆焊层厚度不宜超过2 mm，过厚易产生裂纹和剥离。
2）磨削加工：
① 适用情况：凸轮表面轻微磨损、轴颈磨损（未超限）。
② 工艺要求：在专用凸轮轴磨床上进行，磨削后凸轮升程偏差应控制在±0.03 mm以内。轴颈磨削后须配套使用加大尺寸的轴承或轴瓦。
③ 加工余量：凸轮磨削余量一般为0.10～0.20 mm。
3）更换新件：
① 适用情况：严重磨损（凸轮高度损失>1.5 mm）、裂纹、严重弯曲（>0.10 mm）。
② 选型要求：更换的凸轮轴必须与原机型匹配，材质和热处理硬度符合要求（凸轮表面硬度HRC 55～62）。
4）冷压校正（弯曲修复）：
① 适用情况：凸轮轴弯曲度0.025～0.10 mm之间，无裂纹。
② 工艺要求：将凸轮轴置于V型架上，凸面向上，用压力机在弯曲最大处施压，校压量约为弯曲变形量的10～15倍，保持2～3分钟后释放，重复测量直至合格。
3. 凸轮轴维修后的质量检验要求
维修后的凸轮轴须经以下检验方可装车使用：
1）尺寸检验：各轴颈尺寸恢复至标准或维修尺寸，凸轮高度符合设计值。
2）跳动检验：径向圆跳动≤0.06 mm（维修后应接近标准值）。
3）硬度检验：凸轮表面硬度不低于HRC 55（堆焊件需检查堆焊层硬度）。
4）探伤检验：磁粉探伤或着色探伤，确认无裂纹。
5）相位角检验：各凸轮之间的相位角偏差不大于±1°，键槽与参考桃的相位角度偏差不大于±0.5°。
4. 凸轮轴使用寿命的影响因素与延长措施
1）影响因素：
① 润滑条件：机油品质和供油压力直接影响凸轮与挺柱之间的油膜形成。机油粘度过低或油压不足会加速凸轮表面磨损。
② 工作载荷：发动机转速越高、负荷越大，凸轮与挺柱的接触应力越大，磨损速率增加。
③ 燃油品质：含硫量高的燃油燃烧后产生酸性物质，加速凸轮轴腐蚀。
④ 维修质量：凸轮轴装配时轴向间隙不当（过大或过小）会导致异常磨损。
2）延长措施：
① 使用符合API标准的高品质机油（CI-4或以上），按周期更换。
② 定期检查凸轮轴轴向间隙（标准值0.05～0.15 mm），超差时调整或更换止推垫片。
③ 定期检查配气正时，避免因正时偏差导致凸轮与挺柱异常冲击。
④ 大修时对凸轮轴进行探伤检查，及早发现疲劳裂纹。
总结
柴油发电机凸轮轴的检测分为人工检验和仪器检测两种方式。人工检验中，凸轮损伤检测包括目视检查擦伤/剥落、外径千分尺测量凸轮全高、摆差检测仪测量径向圆跳动；弯曲变形检测以百分表测中间轴颈最大摆差，超过0.025 mm时进行冷压校正；轴颈磨损测量要求圆柱度误差≤0.01 mm、锥形度误差≤0.03 mm、轴颈磨损量≤1 mm；其他部件磨损标准包括传动齿轮齿厚≤0.05 mm、偏心轮表面≤0.05 mm、正时齿轮键槽≤0.012 mm、止推垫块端面跳动≤0.03 mm等。凸轮轴检测仪以圆光栅编码器测量角位移、直线光栅传感器测量径向/轴向位移，计算机自动控制完成数据采集与处理，具有轴颈误差检测、桃型误差检测、相位角度检测、偏心修正等10项功能，并提供升程误差曲线、极坐标误差图等完善的分析报告。升程误差测量需剔除转角误差（系统性误差）影响，测头形状应与从动件形状一致以确保准确性，定位基准检测中采用“敏感点法”求解定位销中心位置。专业检测仪可避免人工检测可能引起的误差，实现高精度、高效率、高可靠性的凸轮轴测量。规范的检测、评定与维修流程是保障配气机构可靠工作的基础。
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