凸轮轴及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种汽车发动机领域，特别是涉及一种凸轮轴及其制造方法。
背景技术
凸轮轴是汽车发动机的关键传动构件之一，它直接影响着发动机的性能。目前，制造凸轮轴的方法有：传统整体式的铸造法、锻造法，还有组合式制造凸轮轴的方法。其中，应用铸造法、锻造法来制造凸轮轴存在诸多缺点，例如：不能对凸轮轴各个部位进行性能最大化设计和利用，对于凸轮、轴颈、芯轴、传动单元等各部分的性能要求有很大的不同，若用单一材料，不能把每个部分的性能做到最大化，整个加工制造工艺复杂，需要大量的机械加工工序，生产效率不高，费时费力，成本太高，并且，能耗大、环境污染严重。
装配式凸轮轴的制造方法有：焊接法、烧结法、扩管法、热套法、机械滚花法等。这些方法都是将凸轮轴分解成单个的凸轮零件、中间芯轴零件、传动零件等等，再应用不同的制造工艺方法将各个零件连接起来组合成凸轮轴。其中焊接法易于产生热变形和热裂纹等现象，很难对凸轮单元在中间轴管上很好的定位，使得凸轮轴的尺寸精度较低；烧结法在凸轮轴后，在整体烧结式时易弯曲变形，尺寸精度低；热套法需保证各个组件的间隙大小均匀一致，在热套装配时温度又难以控制；机械滚花法需多次组合才能完成一根凸轮轴的装配，生产工序多且较为繁琐，并且抗扭强度不高。
以上各种方法在连接后，都存在诸多难以控制的问题，其中：凸轮单元与中间轴管的角向定位问题、以及连接强度的控制都是一个很难解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种凸轮轴及其制造方法，用于解决现有技术中凸轮轴在生产过程中无法将凸轮和传动单元与芯轴精准定位的问题以及组合后抗扭强度不足的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种凸轮轴，其包括：
芯轴，具有轴向延伸的轴孔；芯轴上具有配合段，所述配合段的外周面上环向交替设有键齿和键槽；
凸轮和传动单元，套设在所述芯轴的配合段上，凸轮和传动单元的内周面轮廓与所述配合段的外周面轮廓一致，且与所述芯轴胀紧固定。
优选的，在芯轴任一轴向位置的横截面轮廓中，所有所述键齿的顶面线属于同一多边形，所有所述键槽的槽底线属于同一多边形。
优选的，相邻的所述键齿的顶面线与所述键槽的槽底线间通过直线衔接；所述直线的一端与所述键槽的槽底线间通过圆弧过渡相连，所述直线的另一端与所述键齿的顶面线间通过圆弧过渡相连。
优选的，所述键齿的顶面线构成的多边形与所述键槽的槽底线构成的多边形同心。
优选的，所述直线与通过所述芯轴轴线的径向平面形成一夹角。
优选的，所述键槽的槽底宽度小于所述键槽的槽口的宽度，所述键齿的齿顶宽度小于键齿的齿底宽度。
优选的，所述凸轮的内周面上环向设有凹槽区和凸齿区，凹槽区与所述芯轴上的所述键齿相对应，凸齿区和所述芯轴上的所述键槽相对应，凹槽区的两侧壁为直线壁。
优选的，所述凹槽区的槽底宽度小于所述凹槽区的槽口宽度，，所述凸齿区的齿顶宽度小于凸齿区的齿底宽度。
优选的，所述传动单元的内周面具有与所述键齿和所述键槽分别对应的凹口区和凸起区，所述凹口区的两侧壁为直线壁。
优选的，所述凹口区的底部宽度小于凹口区的开口宽度。
优选的，在所述芯轴的外表面上每隔一定距离机加工形成圆柱段，所述圆柱段为所述芯轴的轴颈，所述轴颈用于回转、支撑凸轮轴。
优选的，所述配合段的外径大于所述圆柱段的外径。
优选的，所述芯轴的端部设有封堵轴孔用的堵头。
优选的，所述堵头插入所述芯轴内的一端具有外圆柱面，在外圆柱面上进行滚花加工。
本发明还提供一种如上所述的凸轮轴的制造方法，包括：1)准备所述芯轴、所述凸轮和所述传动单元；在芯轴的外周面上环向交替形成所述键齿和所述键槽；
2)将所述凸轮、所述传动单元按一定相位角度分别套设在所述芯轴上；
3)对所述芯轴套设所述凸轮和传动单元的部分进行径向扩张，使所述凸轮和所述传动单元在轴向、径向上均胀紧固定在芯轴上。
优选的，在芯轴任一轴向位置的横截面轮廓中，所有所述键齿的顶面线属于同一多边形，所有所述键槽的槽底线属于同一多边形。
优选的，相邻的所述键齿顶面线与所述键槽槽底线间通过直线衔接；所述直线的一端与所述键齿的顶面线间通过圆弧过渡相连，所述直线的另一端与所述键槽的槽底线间通过圆弧过渡相连。
优选的，所述凸轮的内周面上具有与所述键齿和所述键槽分别对应的凹槽区和凸齿区；所述传动单元的内周面具有与所述键齿和所述键槽分别对应的凹口区和凸起区。
优选的，所述步骤3)中对所述芯轴进行径向扩张的具体步骤包括：
向芯轴的轴孔充满液体，使用两个自定心密封堵头对轴管的两端口进行密封，通过两端自定心密封堵头上的中心孔分别向轴孔内持续通入高压液体，使得芯轴与凸轮和传动单元的配合部分沿径向扩张，并与所述凸轮、传动单元沿径向相互胀紧。
优选的，所述步骤3)中对所述芯轴进行径向扩张的具体步骤包括：将扩张件伸入所述芯轴的轴孔内，使得芯轴与凸轮和传动单元的配合部分沿径向扩张；所述扩张件为是钢球、圆柱体或椭圆柱体，所述扩张件与轴孔贴合的横截面处的外径大于轴孔内径。
优选的，在所述凸轮、传动单元套设于所述芯轴之前，在所述芯轴的外周面上每隔一定距离机加工形成圆柱段，圆柱段形成轴颈，所述轴颈用于回转、支撑整根凸轮轴。
如上所述，本发明的凸轮轴及其制造方法，具有以下有益效果：采用在芯轴的外周面设置交错排列的键齿和键槽，凸轮和传动单元的内周面轮廓与所述配合段的外周面轮廓一致，当芯轴与凸轮、传动单元配合的时候，可实现精准定位；同时凸轮、传动单元和芯轴上的键齿和键槽相互配合连接，不仅依靠多边形的键齿顶部和键槽底部的胀紧连接，而且又增加了键齿和键槽两侧边的胀紧连接，这样，都大大增强了凸轮、传动单元和芯轴的连接强度，实现两者之间固定的、抗转动地连接；能够简化现有凸轮轴的结构和制造工艺，缩短凸轮轴制造过程的耗时、降低成本，同时保证足够大的传递扭矩。
附图说明
图1显示为本发明的凸轮轴的示意图。
图2显示为本发明的芯轴在轴向位置上的横截面示意图。
图3显示为图2的局部放大图。
图4显示为本发明的芯轴的示意图。
图5显示为本发明的凸轮的横截面示意图。
图6显示为图5的局部放大图。
图7显示为本发明的传动单元的示意图。
图8显示为本发明的传动单元的局部放大图。
图9显示为本发明的堵头的示意图。
图10显示为本发明凸轮轴的制造中实施扩张的一实施例。
图11显示为本发明凸轮轴的制造中实施扩张的另一实施例。
图12a-12c显示为本发明扩张件的各实施例图。
元件标号说明
1芯轴
10 配合段
102键齿
103键槽
105直线
104、106圆弧
107顶面线
108槽底线
11 圆柱段
2凸轮
201凹槽区
202凸齿区
204直线
203、205圆弧
206凸齿区的顶面线
207凹槽区的槽底线
3堵头
4传动单元
401凹口区
402凸起区
404直线壁
403、405圆弧面
7高压油管
8液压缸
9工作台
100上模具
110自定心密封堵头
120液压活塞杆
130油槽
140液体
150下模具
240上模具
250下模具
220轴孔
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图12。须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种凸轮轴，其包括：
芯轴1，具有轴向延伸的轴孔；芯轴1上具有配合段10，所述配合段10的外周面上环向交替设有键齿102和键槽103，见图2-图4所示；
凸轮2和传动单元4，套设在所述芯轴1的配合段10上，凸轮2和传动单元4的内周面轮廓与所述配合段10的外周面轮廓一致，且与所述芯轴2胀紧固定。
本发明采用在芯轴1的外周面设置交错排列的键齿102和键槽103，凸轮2和传动单元4的内周面轮廓与所述配合段10的外周面轮廓一致，当芯轴1与凸轮2、传动单元4配合的时候，可实现精准定位，实现两者之间固定的、抗转动地连接，可省略组装时对凸轮、芯轴及传动单元的定位，即能够简化现有凸轮轴的结构和制造工艺，缩短凸轮轴制造过程的耗时、降低成本，同时保证足够大的传递扭矩。
为便于描述，本说明书中提到的“横截面”均指垂直与芯轴轴向平行方向的截面。
芯轴
见图4所示，本实施例中在芯轴1的外表面上每隔一定距离机加工形成圆柱段11，所述圆柱段11为所述芯轴1的轴颈，所述轴颈用于回转、支撑凸轮轴。本实施例圆柱段11和上述配合段10交替设置，配合段10的外径大于所述圆柱段11的外径。
见图2、图3所示，本实施例中上述配合段的外周面上键齿102和键槽103交替设置，在芯轴的任一轴向位置的横截面轮廓中，所有键齿102的顶面线107属于同一多边形，所有键槽103的槽底线108属于同一多边形。
更进一步的，相邻的键齿102和键槽103中，键齿102的顶面线107与键槽103的槽底线108间通过直线105衔接。在芯轴的任一轴向位置的横截面轮廓中，直线105与所述槽底线108间通过圆弧106过渡相连，所述直线105与所述顶面线107间通过圆弧104过渡相连。即相邻的键齿102和键槽103间，键齿的顶面(即顶面线107)与键槽103的槽壁(即直线105)间通过圆弧面过渡相邻，键槽103的槽壁与键槽的槽底也通过圆弧面过渡，圆弧面可看作倒角处理，便于对上述凸轮、传动单元的导向配合。
本实施例中上述所有顶面线107构成的多边形与所有槽底线108构成的多边形同心。本实施例中多边形为六边形。上述多边形除了六边形外，还可以是其他多边形。多边形的边数可以是发动机缸数的倍数，例如一倍、两倍等。例如对于三缸或六缸发动机而言，上述多边形可以是六边形；对于四缸发动机而言，上述多边形可以是四边形。发动机相邻两缸所对应的两个凸轮之间的相位差为n*(360°/N)，其中N为发动机气缸的缸数，n为1或大于1的整数。
本实施例中直线105与通过所述芯轴轴线的径向平面形成夹角δ，即键槽103的槽壁与通过芯轴轴线和槽底宽度两端的径向平面形成的角度δ。夹角δ的存在，使键槽103的槽底宽度小于键槽103的槽口的宽度，即随槽深的增加而槽宽逐渐减小；键齿102的齿顶宽度小于键齿102的齿底宽度。
凸轮和传动单元
本实施例中凸轮2和传动单元4的内周面轮廓与上述配合段10的外周面轮廓相一致。见图5及图6所示，凸轮2的内周面上环向设有凹槽区201和凸齿区202，凹槽区201与上述芯轴上的键齿102相对应，凸齿区202和上述芯轴上的键槽103相对应，凹槽区201的两侧壁为直线壁。具体为：在轴向位置的横截面中，凹槽区201的槽底线207，与凸齿区202的顶面线206通过直线204相连。
为便于导向，直线204与槽底线207、顶面线206间均通过圆弧205、203相连。
本实施例中凹槽区201的槽底宽度小于凹槽区201的槽口宽度，即随槽深的增加而槽宽逐渐减小，槽口宽度大便于上述芯轴上的键齿102导入；同样，上述芯轴1上的键槽103其槽口宽度大，便于凸轮2上的凸齿区202导入。所述凸齿区202的齿顶宽度小于凸齿区202的齿底宽度。本实施例通过对凹槽区、凸齿区的宽度及侧壁的设计，使其与芯轴更易导向配合，便于两者之间固定的、抗转动地连接。
见图7及图8所示，上述传动单元4的内周面具有与所述键齿102和所述键槽103分别对应的凹口区401和凸起区402，所述凹口区401的两侧壁为直线壁404。具体为：在轴向位置的横截面中，凹口区401的槽底线，与凸起区402的顶面线通过直线相连。
为便于导向，本实施例中凹口区401的侧壁与凹口区401的槽底、凸起区402的顶面间均通过圆弧面405、403相连。本实施例中凹口区401的底部宽度小于凹口区401的开口宽度，即随槽深的增加而槽宽逐渐减小，开口宽度大便于上述芯轴上的键齿102导入。
见图1所示，本实施例中芯轴1的端部设有封堵轴孔用的堵头3，堵头3一方面防止芯轴内部进入杂质，另一方面增强芯轴端部的强度，便于上述传动单元4的固定。
为便于加工，见图3所示，本实施例堵头3插入所述芯轴1内的一端具有外圆柱面，在外圆柱面上进行滚花加工。堵头3的外圆柱面直径略大于轴孔内径，所述堵头3压装入芯轴的两端内孔中。
本发明还提供一种如上所述的凸轮轴的制造方法，包括：1)准备上述芯轴1、上述凸轮2和上述传动单元4；芯轴1、凸轮2和传动单元4的具体结构如上所述，在此不作详述；
2)将所述凸轮2、所述传动单元4按一定相位角度分别套设在所述芯轴1上；
3)对所述芯轴1套设所述凸轮2和传动单元4的部分进行径向扩张，使所述凸轮2和所述传动单元4在轴向、径向上均胀紧固定在芯轴1上。
上述芯轴1的具体生成过程可为：
利用精密冷拔工艺形成具有轴孔220的轴管，并用冷拔工艺在轴管的外圆柱面上形成上述的健齿102和键槽103，能够保证轴管的圆弧区和直线区都具有较高的精度，由此就不需要再机加工，从而降低凸轮轴的制造成本。轴管的外横截面示意图，见图2-图4所示，外横截面包括：外圈的顶面线107和圆弧104，内圈的槽底线108和圆弧106，其中，外圈中所有顶面线107同属于一个多边形，外圈的顶面线107和圆弧104形成键齿102；内圈所有槽底线108同属于一个多边形，内圈的槽底线108和圆弧106形成键槽103，所述外圈的多边形和内圈的多边形同心，所述键齿102和键槽103通过倾斜的直线105连接，直线105与通过所述芯轴轴线的径向平面形成一定角度δ，键齿102和键槽103沿周向交错排布、并相互连接成上述横截面轮廓。
上述轴管经过冷拔工艺，再经过矫直后，在芯轴1的外周面上，每隔一定尺寸距离，在芯轴1的外周面上加工出一段外圆柱面，即上述圆柱段11，形成轴颈。轴颈成形后，对轴颈经过相应的热处理工艺，使轴颈的硬度和耐磨性得到增强，轴颈用于定位、回转、支撑整根凸轮轴的旋转运动。
上述步骤2)中，凸轮2、传动单元4套设于芯轴1，芯轴1的外周面与所述凸轮2和传动单元4的内周面相匹配。将凸轮2按照一定的角度，套装在芯轴1上，各凸轮2在芯轴1上保持一定轴向间距，凸轮2的凸齿区202插入芯轴1的键槽103中，芯轴1的键齿102插入凸轮2的凹槽区201中，凸轮2和芯轴1在径向存在一定的微小间隙；将传动单元4按一定角度套装在轴管一端，传动单元4的凸起区402插入芯轴1的键槽103中，芯轴1的键齿102插入传动单元4的凹口区401中，传动单元4和芯轴1在径向存在一定的微小间隙。凸轮2、传动单元4按一定角度套设于所述芯轴1上，形成一个凸轮轴的预装配体。
上述步骤3)中对所述芯轴进行径向扩张的一实施例，见图10所示，其具体步骤包括：
在将步骤2)形成的预装配体放入一台专业胀压设备中，专业设备由上模具100、下模具150、工作台9、左、右液压缸8、液压活塞杆120、自定心密封堵头110、油槽130和高压油管7等组成。
模具整体放置在油槽130中，油槽130中盛满液体140，液体140将充满整个芯轴1的轴孔，轴孔内不留有任何没有被液体充满的空间。
两端的液压缸8推动活塞杆120前进，活塞杆120带动自定性密封堵头110前进，自定心密封堵头110与芯轴两端口的锥面进行贴合密封，随着高压液体经过高压油管7压入芯轴1内，在向轴孔220中持续加压通入流体时，左右两侧的自定心密封堵头110持续顶着芯轴1的两端锥面进行密封，在芯轴1的轴孔内形成内部高压，使得配合段10与凸轮2、传动单元4配合部分沿径向扩张，以将凸轮2、传动单元4在轴向、径向均固定在芯轴1上。
上述步骤3)中对所述芯轴进行径向扩张的另一实施例，见图11所示，其具体步骤包括：
本实施例采用固体件作为扩张件。具体为：将步骤2)形成的预装配体放入上、下模具240、250中进行轴向定位，角向定位已经由芯轴1的外周面轮廓进行了定位。通过向芯轴1的轴孔内缓慢推入扩张件S，扩张件S的外径大于芯轴轴孔220的内径，使得上述配合段在扩张件S的伸入部分沿径向扩张，凸轮2、传动单元4与配合段10紧密配合，以将凸轮2、传动单元4在轴向、径向均固定在芯轴1上。
本实施例中，扩张件S不限于示意图11、图12a中的球形形状，可以是图12b中的圆柱形、图12c的椭圆形，在扩张件S为圆柱形、椭圆形时，推入轴孔内的扩张件S的外径大于芯轴的内径。
凸轮2、传动单元4与芯轴1的配合段经过径向扩张连接后，再将堵头3压入芯轴1的两个端头；堵头3可以事先应用机械加工完成，在堵头的一端外圆柱面上加工出滚花，再将滚花后的外圆柱面全部压入芯轴1的两个端头，堵头3可用作后续磨削加工的定位基准。
综上所述，本发明的凸轮轴及其制造方法，采用在芯轴的轴孔端部压入堵头，采用在芯轴的外周面设置交错排列的键齿和键槽，凸轮和传动单元的内周面轮廓与所述配合段的外周面轮廓一致，当芯轴与凸轮、传动单元配合的时候，可实现精准定位，实现两者之间固定的、抗转动地连接；能够简化现有凸轮轴的结构和制造工艺，缩短凸轮轴制造过程的耗时、降低成本，同时保证足够大的传递扭矩。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
