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故障检修与技术维护 |
康明斯发动机凸轮轴检测和安装方法 |
摘要：凸轮轴是柴油机配气机构的一部分，专门负责驱动气门按时开启和关闭，作用是保证柴油机在工作中定时为汽缸吸入新鲜的可燃混合气，并及时将燃烧后的废气排出汽缸。为保证进排气和传动效率、简化传动机构、降低高转速的振动和噪音，多采用顶置式气门和顶置式凸轮轴，这样，柴油机的结构也比较紧凑。但任何事物都有两面性，顶置式凸轮轴的缺点是由于部件的布置设计比较复杂，维修起来也比较麻烦。但衡量利弊，它还是比较适合于康明斯柴油发电机组。由于凸轮轴的运转原理和构造影响着柴油机的性能和效率，因此，本文将分析凸轮轴的原理和作用，并介绍凸轮轴检修与安装方法。
一、凸轮轴原理、结构与特点
1、凸轮轴的原理
凸轮轴是通过凸轮轮廓来控制气门和进气量的。在凸轮轴的轴向上，凸轮上升并滚过机油膜，通过气门推杆传递力量，从而推动气门向下打开。当凸轮离开气门推杆时，弹簧恢复气门原来的正常位置。这个过程根据柴油机的设计，可能涉及到一个或多个凸轮轴。凸轮的形状和角度通常是根据发动机的排量和使用条件来选择的。它们通过改变气门和进气量的开启和关闭时间、以及进出气门的速度和幅度来影响柴油机的性能。凸轮轴在4缸机中布置如图1所示。
2、凸轮轴的构造
凸轮轴是一根带有凸轮的铸件或钢筒。凸轮轴上的凸轮数量和形状，根据柴油机的设计和要求不同而不同。凸轮轴的运转速度和负荷要求非常高，因此，它需要在制造中使用非常精密的辅助工具和数控技术，以确保凸轮的几何形状和尺寸是准确的。现代柴油发电机组中的凸轮轴通常是由铸造或锻造成型，然后通过磨削和精加工进行加工，使凸轮轴的表面非常光滑。这有助于减少滑动和磨损。
3、凸轮轴分类
柴油机按照顶置凸轮轴的数目，分为顶置单凸轮轴和顶置双凸轮轴。当每缸采用两个以上气门时，气门排列形式一般有两种：一是进气门和排气门混合排列在一根凸轮轴上，即顶置单凸轮轴（SOHC），另一种是进气门与排气门分列在两根凸轮轴上。前者的所有气门由一根凸轮轴通过顶杆驱动，但因气门在进气道中所处位置不同，所以不能保持动作的精确性，效果要稍差一些，而后者则无此缺点，可以获得更好的性能，但需多配备一根凸轮轴，这就是顶置式双凸轮轴（DOHC），近年来推出的新型柴油机多采用这种形式。
凸轮轴是属于柴油机的配气机构，配气机构是保证柴油机在工作中定时将新鲜的可燃混合气充入气缸，并及时将燃烧后的废气排出气缸的机构。它由进气门，排气门，气门挺杆，挺柱，摇臂，凸轮轴等组成，其中凸轮轴因其横截面形状近似桃子，又称桃子轴或偏心轴，是配气机构中的驱动件，专门驱动气门按时开启和关闭。各种柴油机的凸轮轴的结构大同小异，主要差别在于安装的位置，凸轮的数目和形状尺寸不尽相同，特别是凸轮轴的安装位置，被列为区别柴油机构造和性能的重要标志。目前柴油机的凸轮安装位置分为下置，中置，顶置三种形式。
4、康明斯凸轮轴基本参数
凸轮轴的结构是直接影响发动机性能的关键零件之一。近年来康明斯公司通过对凸轮轴的改进，使柴油发电机性能有了一个飞跃的提高，形成了目前6BT系列柴油发电机凸轮轴的两种形式，即大凸轮轴和小凸轮轴两种。大凸轮轴的轴颈为63.5mm，小凸轮轴的轴颈为5.8mm，圆度和圆柱度计算公式如图2所示。大凸轮轴又因柴油发电机某些结构的改变而分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等型，目前国产的为Ⅰ型。由于大凸轮轴喷油持续期较短，喷油压力较高，燃烧较为完全，能改善燃烧经济性，降低排气温度并可消除凸轮轴弯曲变形，因此近年来生产的6BT系列柴油发电机已全部采用大凸轮轴。我国生产的东风康明斯6BT系列柴油发电机凸轮轴位于气缸体顶部。这样使得推杆较6BT系列柴油发电机的短、重量轻，提高了配气机构的刚度，减少了惯性。
6BT系列柴油发电机凸轮轴为7个轴颈的全支撑结构。凸轮轴上共有18个凸轮，其中有6个由几段圆弧组成的喷油器的驱动凸轮，12个控制进、排气门开闭的桃形凸轮，凸轮轴的前端装有正时齿轮，直接和曲轴上的正时齿轮合，间隙为0.10～0.40mm。凸轮轴的止推装置有两种，一种是止推板，轴向驾校为0.03～0.13mm；另一种是凸轮轴轴承支撑，间隙为0.20～0.33mm。
凸轮轴共有七道轮轴劲，每道凸轮轴劲中部有环形槽与气缸壁上的机油想通，机油由油道进入以润滑凸轮轴劲。凸轮轴衬套内径尺寸相同，而壁厚有两种；一种是薄壁衬套，壁厚味1.59mm；另一种是厚壁衬套（大凸轮轴机型上用厚壁衬套），壁厚味2.38mm。凸轮轴（大凸轮轴机型）的七个衬套与三种规格，在第七道衬套上有一个定位缺口，安装时应朝下，对准缸体上的油孔。
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图1 柴油机凸轮轴布置示意图 |
图2 柴油机凸轮轴圆度和圆柱度 |
二、凸轮轴检测和安装
1、凸轮轴轴向间隙的检查
测量时，先拆掉挺杆、链轮端的轴承盖、凸轮轴带轮端的双列轴承盖，用千分表支架VW387将千分表安装在缸盖上。进、排气凸轮轴的轴向间隙最大值为0.20mm。
• 将凸轮轴放置在平板上的V形块上，用百分表测量凸轮中心轴颈的径向跳动量。超过极限值，应更换或在压力机上校正。
• 用外径干分尺测量凸轮极限直径，达到凸轮极限直径，应更换凸轮轴。
• 用外径干分尺测量凸轮轴轴颈直径，用量缸表测量凸轮轴轴承座孔衬套内径。轴承内孔直径尺寸减去轴颈直径尺寸，即为配合间隙。如果配合间隙 超过极限，应更换轴承。
• 将凸轮轴链齿轮夹持在虎钳上，将止推盘(止推垫圈)和凸轮轴装上，用扭力扳手按规定力矩拧紧凸轮轴链齿轮固定螺栓。用塞尺检查止推垫圈和凸轮轴之间的轴向间隙。如超过极限，则应更换止推垫圈。
• 凸轮轴轴承的配合间隙超过使用限度时，应更换新轴承。
2、更换凸轮轴油封
（1）凸轮轴正时带轮上油封的拆卸步骤
① 拆下霍尔传感器上的密封圈，拆下齿形皮带上防护罩。转动曲轴将曲轴正时带轮转到一缸上止点，拆下气缸盖罩。
② 旋松张紧轮并从凸轮轴正时带轮上拆下齿形皮带，然后将曲轴往回转动少许。
③ 用保持架3036将凸轮轴正时带轮固定住，旋松凸轮轴正时带轮上的螺栓，拆下凸轮轴正时带轮。
④ 将凸轮轴正时带轮紧固螺栓用手拧入凸轮轴中，对油封拉出器起导向作用，如图1所示。
⑤ 在油封拉出器的螺纹头上涂润滑油并尽可能深地拧入油封内，松开滚花螺丝，将内件对着凸轮轴转动直到拉出油封，如图2所示。
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图1 |
图2 |
（2）凸轮轴正时带轮上油封的安装步骤：
① 在油封的密封唇边口上涂少许润滑油，将导向套筒3241/2套在凸轮轴轴颈上，如图3所示。
② 把油封套到导向套筒上。
③ 用力压套筒3241/1和螺栓3241/5将油封压到底，如图4所示。
④ 接下来的安装顺序大体上按照拆卸的相反顺序进行。
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图3 |
图4 |
3、凸轮轴的拆卸和安装
（1）凸轮轴的拆卸步骤：
① 转动曲轴使凸轮轴正时带位于第1缸的上止点位置，拆下气缸盖罩，旋松张紧轮取下凸轮轴正时带轮上的正时带，将曲轴回转少许。
② 用保持架3036固定住凸轮轴正时带轮，旋松其螺栓，拆下凸轮轴正时带轮。
③ 从凸轮轴上拆下半圆键，拆下霍尔传感器的本体及垫片和挡圈。
④ 清洁轴承盖上两个箭头对着的凸轮轴驱动链条和链轮并用颜色标记出安装位置。注意链条不能用冲小点、刻槽或其它类似的方法来作标记。
⑤ 将链条张紧器夹持架3366固定住凸轮轴正时调节器和链条张紧器，如图5所示。注意不要过度张紧，以免损坏凸轮轴正时调节器。
⑥ 首先拆下进气凸轮轴和排气凸轮轴的轴承盖3和5，再拆下双轴承盖，最后拆下进气凸轮轴和排气凸轮轴链轮侧的两个轴承盖，如图6所示。
⑦ 拧下凸轮轴正时调节器以及链条张紧器的固定螺栓。
⑧ 对角交替旋松进气凸轮轴和排气凸轮轴的轴承盖2和4并且拆下。
⑨ 连同凸轮轴正时调节器和链条张紧器及链条张紧器夹持架3366一起，拆下进气凸轮轴和排气凸轮轴。
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图5 |
图6 |
（2）凸轮轴的安装步骤：
在安装凸轮轴时第1缸的凸轮轴必须朝上，安装轴承盖时从气缸进气侧应能看到轴承盖上的标记。
① 安装颜色标记所对应的驱动链条到两个相应的凸轮轴上。
② 更换凸轮轴正调节器和链条张紧器的橡胶（金属密封垫）并用密封胶“D454 300 02”轻轻涂抹有阴影线的表面。
③ 安装驱动链条之间的凸轮轴正时调节器和链条张紧器。
④ 在凸轮轴的运动面注油，将带驱动链条和凸轮轴正时调节器以及链条张紧器的凸轮轴装入气缸盖。拧紧凸轮轴正时调节器和链条张紧器到10N·m。
⑤ 装上进气凸轮轴和排气凸轮轴轴承盖2和4并且对交替以10N·m的力矩拧紧。
⑥ 安装进气凸轮轴和排气凸轮轴链轮一侧的轴承盖。检查凸轮轴正确的位置并以10N·m的力矩拧紧轴承盖。
⑦ 拆下链条张紧器夹持架3366，如图7所示。
图7 链条张紧器
⑧ 用密封胶D454 300 02轻轻涂抹双轴承盖中有阴影的表面，安装轴承盖并以10N·m扭矩旋紧。以同样的方式安装其余的轴承盖。
⑨ 检查凸轮轴彼此之间的位置。接下来的装配大体上按照拆卸相反的顺序进行。
4、凸轮轴正时调节的检查
凸轮轴的正时调节与负荷和转速有关。借助于凸轮轴正时调节电磁阀通向凸轮轴正时调节器（机械式调节器）上的油压变化，从而调整凸轮轴的正时。
（1）触发情况的检查
通过最终控制控制诊断来检查凸轮正时调节电磁阀的触发情况。如果电磁阀触发正常，则进行下一步，检查电磁阀。
（2）电磁阀的检查
测量电磁阀触头之间的电阻，如图8所示，正常值应为10～18Ω。如果电磁阀没有故障，则进行下一步检查。
图8 检查电磁阀端子电阻
（3）凸轮轴正时调节器功能的检查
测试时应保证冷却液温度至少在80℃以上。测试的仪器必须放置在后座位，否则测试仪器有可能使安全气囊打开而发生意外。
① 接通故障阅读仪V.A.G1551。起动发动机，选择“地址01”发动机电子控制。
② 按下“读测量数据组”功能键0和8，并用Q键确认。
③ 按下“显示组号26”功能键0，2和6，并用Q键确认。
④ 观察显示区3 中的显示。凸轮轴正时调节器没有被激活，发动机怠速时标准值为：××0；从第一档开始快速加速，转速高于4100rpm时凸轮轴正时调节器被激活，其标准值为：××1。
⑤ 观察显示区4中的显示，无正时调节的标准值为：-3.0～3.00KW；有正时调节的标准值为：1.0～21.00KW。
⑥ 按下→键，按0和6-结束输出，并用Q键确认。关闭点火开关。
⑦ 如果显示区4显示的值在标准值范围以外，可能有如下故障：
凸轮轴正时调节器电磁阀在机械式凸轮轴正时调节器还没有达到终止位置时关闭了它的油压（例如太紧或局部咬死）。那么需要更换凸轮轴正时调节器。如果仍达不到标准值，则需更换发动机控制单元。
总结：
凸轮轴是柴油机中不可或缺的部分，通过控制气门和进气量来影响柴油机的性能和效率。凸轮轴的制造和设计要求高度精密，以确保柴油机的可靠性和高效性。在柴油发电机组维护和保养过程中，应该定期检查凸轮轴的状态，避免因凸轮轴损坏而导致的发动机故障。
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