故障檢修與技術(shù)維護(hù)

凸輪軸檢測(cè)儀和人工測(cè)量的方法

 

摘要：凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化機(jī)械、精密儀器、自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，凸輪軸是影響發(fā)動(dòng)機(jī)氣門開(kāi)閉間隙大小和配氣效率的主要因素。隨著檢修水平的不斷提高，為了高精度、高效率地檢測(cè)凸輪軸，并正確處理、評(píng)定它的各項(xiàng)工藝誤差，及時(shí)快速地反饋凸輪軸的質(zhì)量信息，康明斯公司在本文中羅列了柴油發(fā)電機(jī)維修時(shí)經(jīng)常采用的凸輪軸檢查與處理的方法以及加工廠采用凸輪軸檢測(cè)儀工作原理，以求符合凸輪軸工藝質(zhì)量管理的實(shí)際檢測(cè)需要。 

 

一、凸輪軸的人工檢驗(yàn)

1、凸輪損傷的檢測(cè)

      凸輪的損傷形式有凸輪工作表面磨損、擦傷和點(diǎn)蝕（疲勞剝落）。

（1）凸輪的擦傷和疲勞剝落的檢查

      一般可用目視的方法，檢查其表面是否有擦傷和剝落的現(xiàn)象。

（2）凸輪高度的檢測(cè)

      如圖1所示，用外徑千分尺測(cè)量凸輪全高，即凸輪頂點(diǎn)中心線到基圓最低點(diǎn)距離，如果小于標(biāo)準(zhǔn)值0.50mm，則為磨損。

（3）其他檢測(cè)

      凸輪進(jìn)、排氣門開(kāi)、閉升程的極限偏差為：±0.05mm；各凸輪開(kāi)閉角偏差不大于上±2°；各凸輪升程最高點(diǎn)對(duì)軸線的角度偏差不大于±1°。

 

圖1  凸輪軸凸角高度值檢查

圖2  凸輪軸軸頸徑向圓跳動(dòng)檢查

 

2、凸輪軸彎曲變形的檢測(cè)

（1）將凸輪軸安裝于車床兩頂針之間，或以V型鐵塊安放于平板上，以兩端軸頸作為支點(diǎn)。

（2）用百分表測(cè)桿觸頭與中間軸頸表面接觸，并緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)凸輪軸一圈，測(cè)得百分表最大擺差，即為凸輪軸彎曲度。

（3）如最大彎曲度超過(guò)0.025mm（即百分表讀數(shù)總值為0.05mm）時(shí)，應(yīng)進(jìn)行冷壓校正。

（4）當(dāng)軸有單數(shù)個(gè)（如3個(gè)）支承軸頸時(shí)，測(cè)中間軸頸；當(dāng)軸有雙數(shù)個(gè)（如4個(gè)）支承軸頸時(shí)，則測(cè)中間兩個(gè)軸頸。

3、凸輪軸軸頸磨損的檢測(cè)

（1）凸輪軸軸頸磨損

      可用外徑千分尺測(cè)量其尺寸，與標(biāo)準(zhǔn)值比較可確定其磨損程度。凸輪軸軸頸可用外徑千分尺直接測(cè)量，如圖3所示。凸輪可用外徑千分尺測(cè)量凸輪的高度H來(lái)判斷，如圖4所示。如果被測(cè)凸輪高度H小于使用限度，更換凸輪軸。

（2）計(jì)算軸頸的圓度和圓柱度誤差。

      檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：凸輪軸各軸頸軸線應(yīng)一致，所有軸頸的圓柱度誤差不大于0.01mm，錐形度誤差應(yīng)不大于0.03mm，軸頸磨損量應(yīng)不大于1mm；中間各支承軸頸的圓度誤差不大于0.05mm，各凸輪基圓部分的圓度誤差不大于0.08mm，安裝正時(shí)齒輪軸頸的圓度誤差不大于0.04mm。凸輪頂部的磨損超過(guò)時(shí)，應(yīng)予堆焊修復(fù)。

 

圖3  柴油機(jī)凸輪軸軸頸磨損測(cè)量

圖4  柴油機(jī)凸輪軸凸角磨損測(cè)量

 

 

4、凸輪軸其他損傷的檢測(cè)

      凸輪軸由凸輪、凸輪軸頸及軸等組成（如圖5所示）。凸輪可以分為進(jìn)氣凸輪和排氣凸輪，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣門和排氣門的開(kāi)啟和關(guān)閉。軸頸主要用于支承并將凸輪軸裝配在氣缸體(或氣缸蓋)上。因此，除了上述常見(jiàn)檢測(cè)部位外，還應(yīng)檢查以下部件的數(shù)據(jù)：

（1）凸輪軸上驅(qū)動(dòng)分電器及機(jī)油泵的傳動(dòng)齒輪齒厚磨損不超過(guò)0.05mm。

（2）凸輪軸上偏心乾表面磨損不超過(guò)0.05mm。

（3）正時(shí)齒輪鍵與鍵槽磨損不超過(guò)0.012mm。

（4）凸輪軸裝正時(shí)齒輪固定螺母的螺紋損壞不得多于2個(gè)牙。

（5）止推墊塊的端面跳動(dòng)量不大于0.03mm。測(cè)量方法如圖6所示。

 

 

圖5  柴油機(jī)凸輪軸結(jié)構(gòu)圖

圖6  凸輪軸端面跳動(dòng)量檢測(cè)

 

二、凸輪軸檢測(cè)儀檢驗(yàn)

 

      發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的測(cè)量包括與設(shè)計(jì)有關(guān)因素的測(cè)量項(xiàng)目和與質(zhì)量管理有關(guān)因素的測(cè)量項(xiàng)目。

1、主要自檢項(xiàng)目

      凸輪軸自動(dòng)測(cè)量?jī)x的主要功能有：

（1）檢測(cè)凸輪軸的軸頸（凸輪軸的裝配基準(zhǔn)）誤差（圓度，跳動(dòng)）；

（2）檢測(cè)凸輪軸的桃型（包括基圓段，爬行段，升程段等）誤差；

（3）檢測(cè)凸輪軸的鍵槽（或定位銷）與參考桃的相位角度；

（4）檢測(cè)凸輪軸的各個(gè)桃型與參考桃的相位角度；

（5）計(jì)算凸輪軸的各個(gè)桃型輪廓的相鄰誤差；

（6）計(jì)算凸輪軸的各個(gè)桃型輪廓最大升程和高度；

（7）具有偏心修正功能，可以最大限度的減少由于凸輪軸各個(gè)桃型輪廓不同心而引起的附加測(cè)量誤差；

（8）具有靈活的參數(shù)設(shè)置功能和方便的桃型升程表修改功能，被檢凸輪軸的軸頸和桃型輪廓的個(gè)數(shù)可自由設(shè)定，可以適應(yīng)不同廠家的使用需要；

（9）具有測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)備份功能，以方便建立工藝質(zhì)量的過(guò)程控制和統(tǒng)計(jì)分析；

（10）提供有完善的數(shù)據(jù)分析報(bào)告。打印升程誤差曲線，桃型輪廓的極坐標(biāo)誤差圖，每個(gè)桃型的升程誤差數(shù)據(jù)、理論升程表以及實(shí)際升程表等。

2、定位基準(zhǔn)的檢測(cè)

      在凸輪軸維修和加工過(guò)程中，通常借助凸輪軸端面的鍵槽或定位孔作為角度基準(zhǔn)來(lái)完成后續(xù)的加工工序,因此在凸輪軸測(cè)量時(shí)需要確定凸輪軸端面的鍵槽或定位孔的中心位置——定位基準(zhǔn)。鍵槽的中心位置可以通過(guò)測(cè)量柱形鍵銷（要求與鍵槽緊密配合）的中心位置獲得；當(dāng)定位基準(zhǔn)是凸輪軸端面的定位孔時(shí)，可以通過(guò)測(cè)量定位銷（要求與定位孔緊密配合）的中心位置獲得定位孔的中心位置。按設(shè)計(jì)要求，應(yīng)當(dāng)選用測(cè)頭為球型測(cè)頭，由于測(cè)頭（球）與定位銷（圓柱）是點(diǎn)與線的接觸，其中心位置不易找準(zhǔn)，致使測(cè)量中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，重復(fù)性不好的情況。通過(guò)多種方法試驗(yàn)，也沒(méi)有取得滿意的效果。定位銷中心位置的測(cè)量，一度成為凸輪相位角度測(cè)量中的棘手問(wèn)題。

      通過(guò)進(jìn)一步的分析可知，定位銷雖不在凸輪軸的旋轉(zhuǎn)中心，但當(dāng)被測(cè)凸輪軸以其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定位銷的運(yùn)動(dòng)軌跡是凸輪軸的同心圓，這樣，隨著測(cè)頭與定位銷接觸點(diǎn)位置的不斷改變，測(cè)頭將產(chǎn)生相應(yīng)位移（升降），因此，可以把定位銷看成是凸輪軸上的一個(gè)凸輪，這個(gè)凸輪的“桃尖”——定位銷中心的位置，則可按求解凸輪測(cè)量起點(diǎn)轉(zhuǎn)角類似的數(shù)據(jù)處理方法，用“敏感點(diǎn)法”予以求解，從而解決了定位銷中心位置的測(cè)量問(wèn)題。

3、凸輪升程誤差的測(cè)量

      凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過(guò)凸輪的形狀來(lái)反映的，因此需要根據(jù)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)要求設(shè)計(jì)凸輪的形狀，如圖7所示。一般來(lái)講，每個(gè)凸輪的形狀——桃形，由基圓和許多二次曲線、三次曲線及圓弧組成，其構(gòu)成的封閉曲線稱為升程曲線，由于凸輪升程曲線的特殊性，實(shí)際應(yīng)用中提供給磨床的升程曲線是的離散數(shù)據(jù)，這也就是描述每個(gè)凸輪形狀的理論升程表，其升程曲線的精度由升程公差來(lái)進(jìn)行控制。

      凸輪的升程誤差是指實(shí)際凸輪對(duì)應(yīng)理論角度上的實(shí)際升程與理論升程的代數(shù)差。根據(jù)升程誤差的定義，凸輪升程測(cè)量時(shí)，測(cè)量的應(yīng)是凸輪理論轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際升程。這一點(diǎn)在實(shí)際測(cè)量中是不容易做到的，測(cè)量數(shù)據(jù)中一般含有轉(zhuǎn)角誤差（系統(tǒng)性誤差）的影響，必須剔除測(cè)量數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)角誤差的影響，才可能得出正確的測(cè)量結(jié)果。這就提出了如何進(jìn)行凸輪測(cè)量和數(shù)據(jù)處理方法的問(wèn)題。

4、凸輪軸測(cè)量?jī)x的工作原理

      凸輪軸的測(cè)量是二維測(cè)量系統(tǒng)。目前凸輪軸測(cè)量?jī)x的分度裝置大都采用圓光柵編碼器測(cè)量系統(tǒng)，線值裝置采用直線光柵測(cè)量系統(tǒng)，外觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

      凸輪軸測(cè)量?jī)x的原理是由計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)啟動(dòng)直流同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)被測(cè)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)Y軸圓光柵傳感器，X軸直線光柵傳感器分別將凸輪軸的角位移、徑向、軸向位移轉(zhuǎn)換成明暗條紋的光強(qiáng)變化信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)前置放大和整形濾波，形成角度脈沖和徑向位移脈沖經(jīng)T/C計(jì)數(shù)板送入計(jì)算機(jī)。經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，就獲得了每個(gè)凸輪輪廓對(duì)應(yīng)于各個(gè)轉(zhuǎn)角的徑向測(cè)量值（升程）。應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，凸輪測(cè)量?jī)x的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理均可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制完成。

      這里應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)：凸輪測(cè)量時(shí)，測(cè)頭的形狀應(yīng)與凸輪機(jī)構(gòu)中的從動(dòng)件的形狀一致，這樣才能更好的模擬凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況，使測(cè)量出的凸輪升程值準(zhǔn)確反映凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的工作位移和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

 

圖7  柴油機(jī)凸輪軸凸輪輪廓示意圖

圖8  凸輪軸測(cè)量?jī)x外觀示意圖

 

總結(jié)：

      專業(yè)的檢測(cè)儀可利用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，無(wú)需與凸輪接觸，避免了因凸輪表面磨損和變形等因素帶來(lái)的偏差和誤差，保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。測(cè)量?jī)x器的框架和控制系統(tǒng)完全由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的測(cè)量流程，簡(jiǎn)化了操作難度，提升了測(cè)量效率。總之，凸輪軸測(cè)量?jī)x是一種高精度、高效率、高可靠性的凸輪測(cè)量設(shè)備，其使用為凸輪軸測(cè)量提供了更加有效的解決方案，避免人工檢測(cè)有可能引起的誤差行為。

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