故障檢修與技術(shù)維護

康明斯發(fā)動(dòng)機凸輪軸檢測和安裝方法

 

摘要：凸輪軸是柴油機配氣機構的一部分，專(zhuān)門(mén)負責驅動(dòng)氣門(mén)按時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉，作用是保證柴油機在工作中定時(shí)為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣，并及時(shí)將燃燒后的廢氣排出汽缸。為保證進(jìn)排氣和傳動(dòng)效率、簡(jiǎn)化傳動(dòng)機構、降低高轉速的振動(dòng)和噪音，多采用頂置式氣門(mén)和頂置式凸輪軸，這樣，柴油機的結構也比較緊湊。但任何事物都有兩面性，頂置式凸輪軸的缺點(diǎn)是由于部件的布置設計比較復雜，維修起來(lái)也比較麻煩。但衡量利弊，它還是比較適合于康明斯柴油發(fā)電機組。由于凸輪軸的運轉原理和構造影響著(zhù)柴油機的性能和效率，因此，本文將分析凸輪軸的原理和作用，并介紹凸輪軸檢修與安裝方法。

 

一、凸輪軸原理、結構與特點(diǎn)

 

1、凸輪軸的原理

      凸輪軸是通過(guò)凸輪輪廓來(lái)控制氣門(mén)和進(jìn)氣量的。在凸輪軸的軸向上，凸輪上升并滾過(guò)機油膜，通過(guò)氣門(mén)推桿傳遞力量，從而推動(dòng)氣門(mén)向下打開(kāi)。當凸輪離開(kāi)氣門(mén)推桿時(shí)，彈簧恢復氣門(mén)原來(lái)的正常位置。這個(gè)過(guò)程根據柴油機的設計，可能涉及到一個(gè)或多個(gè)凸輪軸。凸輪的形狀和角度通常是根據發(fā)動(dòng)機的排量和使用條件來(lái)選擇的。它們通過(guò)改變氣門(mén)和進(jìn)氣量的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間、以及進(jìn)出氣門(mén)的速度和幅度來(lái)影響柴油機的性能。凸輪軸在4缸機中布置如圖1所示。

2、凸輪軸的構造

      凸輪軸是一根帶有凸輪的鑄件或鋼筒。凸輪軸上的凸輪數量和形狀，根據柴油機的設計和要求不同而不同。凸輪軸的運轉速度和負荷要求非常高，因此，它需要在制造中使用非常精密的輔助工具和數控技術(shù)，以確保凸輪的幾何形狀和尺寸是準確的。現代柴油發(fā)電機組中的凸輪軸通常是由鑄造或鍛造成型，然后通過(guò)磨削和精加工進(jìn)行加工，使凸輪軸的表面非常光滑。這有助于減少滑動(dòng)和磨損。

3、凸輪軸分類(lèi)

      柴油機按照頂置凸輪軸的數目，分為頂置單凸輪軸和頂置雙凸輪軸。當每缸采用兩個(gè)以上氣門(mén)時(shí)，氣門(mén)排列形式一般有兩種：一是進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)混合排列在一根凸輪軸上，即頂置單凸輪軸（SOHC），另一種是進(jìn)氣門(mén)與排氣門(mén)分列在兩根凸輪軸上。前者的所有氣門(mén)由一根凸輪軸通過(guò)頂桿驅動(dòng)，但因氣門(mén)在進(jìn)氣道中所處位置不同，所以不能保持動(dòng)作的精確性，效果要稍差一些，而后者則無(wú)此缺點(diǎn)，可以獲得更好的性能，但需多配備一根凸輪軸，這就是頂置式雙凸輪軸（DOHC），近年來(lái)推出的新型柴油機多采用這種形式。

      凸輪軸是屬于柴油機的配氣機構，配氣機構是保證柴油機在工作中定時(shí)將新鮮的可燃混合氣充入氣缸，并及時(shí)將燃燒后的廢氣排出氣缸的機構。它由進(jìn)氣門(mén)，排氣門(mén)，氣門(mén)挺桿，挺柱，搖臂，凸輪軸等組成，其中凸輪軸因其橫截面形狀近似桃子，又稱(chēng)桃子軸或偏心軸，是配氣機構中的驅動(dòng)件，專(zhuān)門(mén)驅動(dòng)氣門(mén)按時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉。各種柴油機的凸輪軸的結構大同小異，主要差別在于安裝的位置，凸輪的數目和形狀尺寸不盡相同，特別是凸輪軸的安裝位置，被列為區別柴油機構造和性能的重要標志。目前柴油機的凸輪安裝位置分為下置，中置，頂置三種形式。 

4、康明斯凸輪軸基本參數

      凸輪軸的結構是直接影響發(fā)動(dòng)機性能的關(guān)鍵零件之一。近年來(lái)康明斯公司通過(guò)對凸輪軸的改進(jìn)，使柴油發(fā)電機性能有了一個(gè)飛躍的提高，形成了目前6BT系列柴油發(fā)電機凸輪軸的兩種形式，即大凸輪軸和小凸輪軸兩種。大凸輪軸的軸頸為63.5mm，小凸輪軸的軸頸為5.8mm，圓度和圓柱度計算公式如圖2所示。大凸輪軸又因柴油發(fā)電機某些結構的改變而分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等型，目前國產(chǎn)的為Ⅰ型。由于大凸輪軸噴油持續期較短，噴油壓力較高，燃燒較為完全，能改善燃燒經(jīng)濟性，降低排氣溫度并可消除凸輪軸彎曲變形，因此近年來(lái)生產(chǎn)的6BT系列柴油發(fā)電機已全部采用大凸輪軸。我國生產(chǎn)的東風(fēng)康明斯6BT系列柴油發(fā)電機凸輪軸位于氣缸體頂部。這樣使得推桿較6BT系列柴油發(fā)電機的短、重量輕，提高了配氣機構的剛度，減少了慣性。

      6BT系列柴油發(fā)電機凸輪軸為7個(gè)軸頸的全支撐結構。凸輪軸上共有18個(gè)凸輪，其中有6個(gè)由幾段圓弧組成的噴油器的驅動(dòng)凸輪，12個(gè)控制進(jìn)、排氣門(mén)開(kāi)閉的桃形凸輪，凸輪軸的前端裝有正時(shí)齒輪，直接和曲軸上的正時(shí)齒輪合，間隙為0.10～0.40mm。凸輪軸的止推裝置有兩種，一種是止推板，軸向駕校為0.03～0.13mm；另一種是凸輪軸軸承支撐，間隙為0.20～0.33mm。

      凸輪軸共有七道輪軸勁，每道凸輪軸勁中部有環(huán)形槽與氣缸壁上的機油想通，機油由油道進(jìn)入以潤滑凸輪軸勁。凸輪軸襯套內徑尺寸相同，而壁厚有兩種；一種是薄壁襯套，壁厚味1.59mm；另一種是厚壁襯套（大凸輪軸機型上用厚壁襯套），壁厚味2.38mm。凸輪軸（大凸輪軸機型）的七個(gè)襯套與三種規格，在第七道襯套上有一個(gè)定位缺口，安裝時(shí)應朝下，對準缸體上的油孔。

 

圖1  柴油機凸輪軸布置示意圖

圖2  柴油機凸輪軸圓度和圓柱度

 

二、凸輪軸檢測和安裝

 

1、凸輪軸軸向間隙的檢查

       測量時(shí)，先拆掉挺桿、鏈輪端的軸承蓋、凸輪軸帶輪端的雙列軸承蓋，用千分表支架VW387將千分表安裝在缸蓋上。進(jìn)、排氣凸輪軸的軸向間隙最大值為0.20mm。

• 將凸輪軸放置在平板上的V形塊上，用百分表測量凸輪中心軸頸的徑向跳動(dòng)量。超過(guò)極限值，應更換或在壓力機上校正。

• 用外徑干分尺測量凸輪極限直徑，達到凸輪極限直徑，應更換凸輪軸。

• 用外徑干分尺測量凸輪軸軸頸直徑，用量缸表測量凸輪軸軸承座孔襯套內徑。軸承內孔直徑尺寸減去軸頸直徑尺寸，即為配合間隙。如果配合間隙 超過(guò)極限，應更換軸承。

• 將凸輪軸鏈齒輪夾持在虎鉗上，將止推盤(pán)(止推墊圈)和凸輪軸裝上，用扭力扳手按規定力矩擰緊凸輪軸鏈齒輪固定螺栓。用塞尺檢查止推墊圈和凸輪軸之間的軸向間隙。如超過(guò)極限，則應更換止推墊圈。

• 凸輪軸軸承的配合間隙超過(guò)使用限度時(shí)，應更換新軸承。

2、更換凸輪軸油封

（1）凸輪軸正時(shí)帶輪上油封的拆卸步驟

① 拆下霍爾傳感器上的密封圈，拆下齒形皮帶上防護罩。轉動(dòng)曲軸將曲軸正時(shí)帶輪轉到一缸上止點(diǎn)，拆下氣缸蓋罩。

② 旋松張緊輪并從凸輪軸正時(shí)帶輪上拆下齒形皮帶，然后將曲軸往回轉動(dòng)少許。

③ 用保持架3036將凸輪軸正時(shí)帶輪固定住，旋松凸輪軸正時(shí)帶輪上的螺栓，拆下凸輪軸正時(shí)帶輪。

④ 將凸輪軸正時(shí)帶輪緊固螺栓用手擰入凸輪軸中，對油封拉出器起導向作用，如圖1所示。

⑤ 在油封拉出器的螺紋頭上涂潤滑油并盡可能深地擰入油封內，松開(kāi)滾花螺絲，將內件對著(zhù)凸輪軸轉動(dòng)直到拉出油封，如圖2所示。

 

 

（2）凸輪軸正時(shí)帶輪上油封的安裝步驟：

① 在油封的密封唇邊口上涂少許潤滑油，將導向套筒3241/2套在凸輪軸軸頸上，如圖3所示。

② 把油封套到導向套筒上。

③ 用力壓套筒3241/1和螺栓3241/5將油封壓到底，如圖4所示。

④ 接下來(lái)的安裝順序大體上按照拆卸的相反順序進(jìn)行。

 

 

 

3、凸輪軸的拆卸和安裝

（1）凸輪軸的拆卸步驟：

① 轉動(dòng)曲軸使凸輪軸正時(shí)帶位于第1缸的上止點(diǎn)位置，拆下氣缸蓋罩，旋松張緊輪取下凸輪軸正時(shí)帶輪上的正時(shí)帶，將曲軸回轉少許。

② 用保持架3036固定住凸輪軸正時(shí)帶輪，旋松其螺栓，拆下凸輪軸正時(shí)帶輪。

③ 從凸輪軸上拆下半圓鍵，拆下霍爾傳感器的本體及墊片和擋圈。

④ 清潔軸承蓋上兩個(gè)箭頭對著(zhù)的凸輪軸驅動(dòng)鏈條和鏈輪并用顏色標記出安裝位置。注意鏈條不能用沖小點(diǎn)、刻槽或其它類(lèi)似的方法來(lái)作標記。

⑤ 將鏈條張緊器夾持架3366固定住凸輪軸正時(shí)調節器和鏈條張緊器，如圖5所示。注意不要過(guò)度張緊，以免損壞凸輪軸正時(shí)調節器。

⑥ 首先拆下進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸的軸承蓋3和5，再拆下雙軸承蓋，最后拆下進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸鏈輪側的兩個(gè)軸承蓋，如圖6所示。

⑦ 擰下凸輪軸正時(shí)調節器以及鏈條張緊器的固定螺栓。

⑧ 對角交替旋松進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸的軸承蓋2和4并且拆下。

⑨ 連同凸輪軸正時(shí)調節器和鏈條張緊器及鏈條張緊器夾持架3366一起，拆下進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸。

 

（2）凸輪軸的安裝步驟：

      在安裝凸輪軸時(shí)第1缸的凸輪軸必須朝上，安裝軸承蓋時(shí)從氣缸進(jìn)氣側應能看到軸承蓋上的標記。

① 安裝顏色標記所對應的驅動(dòng)鏈條到兩個(gè)相應的凸輪軸上。

② 更換凸輪軸正調節器和鏈條張緊器的橡膠（金屬密封墊）并用密封膠“D454 300 02”輕輕涂抹有陰影線(xiàn)的表面。

③ 安裝驅動(dòng)鏈條之間的凸輪軸正時(shí)調節器和鏈條張緊器。

④ 在凸輪軸的運動(dòng)面注油，將帶驅動(dòng)鏈條和凸輪軸正時(shí)調節器以及鏈條張緊器的凸輪軸裝入氣缸蓋。擰緊凸輪軸正時(shí)調節器和鏈條張緊器到10N·m。

⑤ 裝上進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸軸承蓋2和4并且對交替以10N·m的力矩擰緊。

⑥ 安裝進(jìn)氣凸輪軸和排氣凸輪軸鏈輪一側的軸承蓋。檢查凸輪軸正確的位置并以10N·m的力矩擰緊軸承蓋。

⑦ 拆下鏈條張緊器夾持架3366，如圖7所示。 

 

圖7 鏈條張緊器

 

⑧ 用密封膠D454 300 02輕輕涂抹雙軸承蓋中有陰影的表面，安裝軸承蓋并以10N·m扭矩旋緊。以同樣的方式安裝其余的軸承蓋。

⑨ 檢查凸輪軸彼此之間的位置。接下來(lái)的裝配大體上按照拆卸相反的順序進(jìn)行。

4、凸輪軸正時(shí)調節的檢查

      凸輪軸的正時(shí)調節與負荷和轉速有關(guān)。借助于凸輪軸正時(shí)調節電磁閥通向凸輪軸正時(shí)調節器（機械式調節器）上的油壓變化，從而調整凸輪軸的正時(shí)。

（1）觸發(fā)情況的檢查

      通過(guò)最終控制控制診斷來(lái)檢查凸輪正時(shí)調節電磁閥的觸發(fā)情況。如果電磁閥觸發(fā)正常，則進(jìn)行下一步，檢查電磁閥。

（2）電磁閥的檢查

      測量電磁閥觸頭之間的電阻，如圖8所示，正常值應為10～18Ω。如果電磁閥沒(méi)有故障，則進(jìn)行下一步檢查。

圖8  檢查電磁閥端子電阻

 

（3）凸輪軸正時(shí)調節器功能的檢查

      測試時(shí)應保證冷卻液溫度至少在80℃以上。測試的儀器必須放置在后座位，否則測試儀器有可能使安全氣囊打開(kāi)而發(fā)生意外。

① 接通故障閱讀儀V.A.G1551。起動(dòng)發(fā)動(dòng)機，選擇“地址01”發(fā)動(dòng)機電子控制。

② 按下“讀測量數據組”功能鍵0和8，并用Q鍵確認。

③ 按下“顯示組號26”功能鍵0，2和6，并用Q鍵確認。

④ 觀(guān)察顯示區3 中的顯示。凸輪軸正時(shí)調節器沒(méi)有被激活，發(fā)動(dòng)機怠速時(shí)標準值為：××0；從第一檔開(kāi)始快速加速，轉速高于4100rpm時(shí)凸輪軸正時(shí)調節器被激活，其標準值為：××1。

⑤ 觀(guān)察顯示區4中的顯示，無(wú)正時(shí)調節的標準值為：-3.0～3.0⁰KW；有正時(shí)調節的標準值為：1.0～21.0⁰KW。

⑥ 按下→鍵，按0和6-結束輸出，并用Q鍵確認。關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)。

⑦ 如果顯示區4顯示的值在標準值范圍以外，可能有如下故障：

      凸輪軸正時(shí)調節器電磁閥在機械式凸輪軸正時(shí)調節器還沒(méi)有達到終止位置時(shí)關(guān)閉了它的油壓（例如太緊或局部咬死）。那么需要更換凸輪軸正時(shí)調節器。如果仍達不到標準值，則需更換發(fā)動(dòng)機控制單元。

 

總結：

      凸輪軸是柴油機中不可或缺的部分，通過(guò)控制氣門(mén)和進(jìn)氣量來(lái)影響柴油機的性能和效率。凸輪軸的制造和設計要求高度精密，以確保柴油機的可靠性和高效性。在柴油發(fā)電機組維護和保養過(guò)程中，應該定期檢查凸輪軸的狀態(tài)，避免因凸輪軸損壞而導致的發(fā)動(dòng)機故障。

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