故障檢修與技術維護

康明斯發動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，專門負責驅動氣門按時開啟和關閉，作用是保證柴油機在工作中定時為汽缸吸入新鮮的可燃混合氣，并及時將燃燒后的廢氣排出汽缸。為保證進排氣和傳動效率、簡化傳動機構、降低高轉速的振動和噪音，多采用頂置式氣門和頂置式凸輪軸，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是由于部件的布置設計比較復雜，維修起來也比較麻煩。但衡量利弊，它還是比較適合于康明斯柴油發電機組。由于凸輪軸的運轉原理和構造影響著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

 

1、凸輪軸的原理

      凸輪軸是通過凸輪輪廓來控制氣門和進氣量的。在凸輪軸的軸向上，凸輪上升并滾過機油膜，通過氣門推桿傳遞力量，從而推動氣門向下打開。當凸輪離開氣門推桿時，彈簧恢復氣門原來的正常位置。這個過程根據柴油機的設計，可能涉及到一個或多個凸輪軸。凸輪的形狀和角度通常是根據發動機的排量和使用條件來選擇的。它們通過改變氣門和進氣量的開啟和關閉時間、以及進出氣門的速度和幅度來影響柴油機的性能。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，以確保凸輪的幾何形狀和尺寸是準確的。現代柴油發電機組中的凸輪軸通常是由鑄造或鍛造成型，然后通過磨削和精加工進行加工，使凸輪軸的表面非常光滑。這有助于減少滑動和磨損。

3、凸輪軸分類

      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。當每缸采用兩個以上氣門時，氣門排列形式一般有兩種：一是進氣門和排氣門混合排列在一根凸輪軸上，即頂置單凸輪軸（SOHC），另一種是進氣門與排氣門分列在兩根凸輪軸上。前者的所有氣門由一根凸輪軸通過頂桿驅動，但因氣門在進氣道中所處位置不同，所以不能保持動作的精確性，效果要稍差一些，而后者則無此缺點，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將新鮮的可燃混合氣充入氣缸，并及時將燃燒后的廢氣排出氣缸的機構。它由進氣門，排氣門，氣門挺桿，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，又稱桃子軸或偏心軸，是配氣機構中的驅動件，專門驅動氣門按時開啟和關閉。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動機性能的關鍵零件之一。近年來康明斯公司通過對凸輪軸的改進，使柴油發電機性能有了一個飛躍的提高，形成了目前6BT系列柴油發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電機某些結構的改變而分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等型，目前國產的為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，能改善燃燒經濟性，降低排氣溫度并可消除凸輪軸彎曲變形，因此近年來生產的6BT系列柴油發電機已全部采用大凸輪軸。我國生產的東風康明斯6BT系列柴油發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系列柴油發電機凸輪軸為7個軸頸的全支撐結構。凸輪軸上共有18個凸輪，其中有6個由幾段圓弧組成的噴油器的驅動凸輪，12個控制進、排氣門開閉的桃形凸輪，凸輪軸的前端裝有正時齒輪，直接和曲軸上的正時齒輪合，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形槽與氣缸壁上的機油想通，機油由油道進入以潤滑凸輪軸勁。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）的七個襯套與三種規格，在第七道襯套上有一個定位缺口，安裝時應朝下，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，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、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量。超過極限值，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 超過極限，應更換軸承。

• 將凸輪軸鏈齒輪夾持在虎鉗上，將止推盤(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。如超過極限，則應更換止推墊圈。

• 凸輪軸軸承的配合間隙超過使用限度時，應更換新軸承。

2、更換凸輪軸油封

（1）凸輪軸正時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。轉動曲軸將曲軸正時帶輪轉到一缸上止點，拆下氣缸蓋罩。

② 旋松張緊輪并從凸輪軸正時帶輪上拆下齒形皮帶，然后將曲軸往回轉動少許。

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

④ 將凸輪軸正時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，松開滾花螺絲，將內件對著凸輪軸轉動直到拉出油封，如圖2所示。

 

 

（2）凸輪軸正時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 接下來的安裝順序大體上按照拆卸的相反順序進行。

 

 

 

3、凸輪軸的拆卸和安裝

（1）凸輪軸的拆卸步驟：

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

② 用保持架3036固定住凸輪軸正時帶輪，旋松其螺栓，拆下凸輪軸正時帶輪。

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 清潔軸承蓋上兩個箭頭對著的凸輪軸驅動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、刻槽或其它類似的方法來作標記。

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

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

⑦ 擰下凸輪軸正時調節器以及鏈條張緊器的固定螺栓。

⑧ 對角交替旋松進氣凸輪軸和排氣凸輪軸的軸承蓋2和4并且拆下。

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

 

（2）凸輪軸的安裝步驟：

      在安裝凸輪軸時第1缸的凸輪軸必須朝上，安裝軸承蓋時從氣缸進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鏈條到兩個相應的凸輪軸上。

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”輕輕涂抹有陰影線的表面。

③ 安裝驅動鏈條之間的凸輪軸正時調節器和鏈條張緊器。

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

⑤ 裝上進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。接下來的裝配大體上按照拆卸相反的順序進行。

4、凸輪軸正時調節的檢查

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

（1）觸發情況的檢查

      通過最終控制控制診斷來檢查凸輪正時調節電磁閥的觸發情況。如果電磁閥觸發正常，則進行下一步，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。如果電磁閥沒有故障，則進行下一步檢查。

圖8  檢查電磁閥端子電阻

 

（3）凸輪軸正時調節器功能的檢查

      測試時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而發生意外。

① 接通故障閱讀儀V.A.G1551。起動發動機，選擇“地址01”發動機電子控制。

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 觀察顯示區3 中的顯示。凸輪軸正時調節器沒有被激活，發動機怠速時標準值為：××0；從第一檔開始快速加速，轉速高于4100rpm時凸輪軸正時調節器被激活，其標準值為：××1。

⑤ 觀察顯示區4中的顯示，無正時調節的標準值為：-3.0～3.0⁰KW；有正時調節的標準值為：1.0～21.0⁰KW。

⑥ 按下→鍵，按0和6-結束輸出，并用Q鍵確認。關閉點火開關。

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：

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

 

總結：

      凸輪軸是柴油機中不可或缺的部分，通過控制氣門和進氣量來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。在柴油發電機組維護和保養過程中，應該定期檢查凸輪軸的狀態，避免因凸輪軸損壞而導致的發動機故障。

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