中空装配式凸轮轴扩径联接强度影响因素探讨

中空装配式凸轮轴扩径联接强度影响因素探讨

刘松

安徽文达信息工程学院 机械与汽车工程学院 安徽 省合肥市 231201

摘要：凸轮轴质量对于发动机是否可以正常运转而言，会起到诸多影响作用，而凸轮轴扩径联接强度与凸轮轴质量息息相关，只有解决强度影响因素，菜可以实现提高凸轮轴质量与发动机运转质量。基于此，本文首先将会针对中空装配式凸轮轴展开概述，而后针对中空装配式凸轮轴扩径联接强度影响因素展开研究，进而提出中空装配式凸轮轴扩径联接强度有效控制建议，旨为相关人员提供参考帮助。

关键词：装配式凸轮轴；扩径联接；强度影响因素

凸轮轴是发动机5C件之一，是配气系统关键零件，作为发动机三大摩擦副零件之一，要求其具有一定的强度和韧性，且凸轮表面有良好的耐磨和抗冲击性能。随着发动机技术的不断革新以及汽车排放法规的逐渐严格，凸轮轴的结构形式、制造工艺也在不断创新与丰富，呈现了多元化的局面。但就目前中空装配式凸轮轴扩径联接强度而言，仍然存在诸多影响因素，因此，就应针对中空装配式凸轮轴扩径联接强度影响因素展开研究，从而帮助提高凸轮轴质量。 一、中空装配式凸轮轴概述

凸轮轴作为发动机配气机构的主要部件，具有结构复杂、承载不均衡、精度要求高等特点。传统方法加工凸轮轴大多由铸造或锻造生产，要求加工设备多、加工余量大，凸轮轴运动的平稳性较差。而新型装配式凸轮轴具有生产效率高、重量轻、性能好、成本低等优点。其通过滚花连接法将芯轴与凸轮、轴颈连接起来，使其具有很高的结合强度，能够承受发动机长时间的高速、大负荷运转，安全性较好，可提高机床的装配精度和运行稳定性。凸轮轴一般是由凸轮、轴颈、端头定位安装螺栓孔、键槽等部分组成。它的功能是按一定运动规律控制气门组定时开闭，以保证发动机正确的配气相位，使新鲜混合气及时进入气缸，燃烧后的废气及时排出气缸。凸轮轮廓尺寸和形状误差是影响气门开闭间隙大小和配气效率的主要因素，另外其下降段的轮廓误差也是产生发动机噪声的原因之一。通过压装力实验和连接强度实验对凸轮宽度、芯轴直径、滚花过盈量等参数的影响情况进行分析，结合生产实际确定合理的滚花连接工艺参数；根据滚花连接原理和具体凸轮轴产品合理确定滚花与压装工艺流程；研究设计新型悬臂式数控装配机，基于实现自动化生产、简化机械结构、满足刚度要求、保证装配精度及运行稳定性等原则对机械系统进行结构设计，并对液压系统和数控系统进行规划和部件选型^[1]。

二、中空装配式凸轮轴扩径联接强度影响因素

1.振动影响

凸轮轴扩径联接自由端连接刚度不同、壳体膨胀不畅等。其中凸轮轴扩径联接自由端连接刚度不同导致振动过大主要因素在于：相同轴承中3个振速同时发生变化，但垂直振动与轴向振动并未发生过大变化，而给水泵相同轴承上2个水平振动幅度较大，在振动增加时，其他状态参数（瓦温、流量、压力等）并未出现异常变化，由此就可以得知，凸轮轴某一零部件、结构件在外力作用下出现固有共振，即为刚度不同导致出现不同共振情况；而1B引风机壳体膨胀不畅导致振动过大主要因素在于：振动与负荷之间成正比，水平振动突出，轴向与垂直向振动因耦合效应不断增加，但增加数值较小，由此可以得知，导致出现振动过大因素在于叶片通过频率较为明显，凸轮轴内部到环刚度差值引起振动。

2.凸轮轴组装

以某型柴油机凸轮轴为例，该零件总长为5 012mm，由两端凸轮轴组装而成，以其中一段为例进行说明。该零件总长为2 452mm，直径为125（+0.033，+0.015）mm，长径比达到19.6， 属细长轴类零件。为了保证零件装配后配合良好可靠， 零件装配时在φ 6 5（H6/h6）的小间隙凸台及止口定位的法兰上设计了φ10H7销孔，要求两端凸轮轴配铰加工，安装时用定位销定位，防止零件的相互转动。φ 125（+0.033，+0.015）mm外圆有6个键槽， 键槽宽度尺寸为32（-0.026，-0.088）mm， 键槽间存在一定夹角， 各键槽间角度偏差要求≤ ± 1 5 ′ ， 并与装配基准孔φ10H7的角度偏差≤±15′，相对于凸轮轴外圆的对称度≤0.03mm^[2]。

三、中空装配式凸轮轴扩径联接强度有效控制建议

1.合理运用有限元与可视化分析

在针对基于数控技术与有限元分析的凸轮轴联接优化设计进行分析时，需要将其与传统设计方案进行对比，寻找出更加显著的效果，具体得出的对比效果主要可以分为以下几方面：（1）传统的凸轮轴联接设计在部分区域内会出现焊接冗余，同时在部分联接区域内也会存在不足或刀具布置不合理的情况，而通过数控技术与有限元分析凸轮轴联接设计，可以有效解决这一问题，并从根本上提高凸轮轴质量与有效性；（2）随着加工载荷力不断提高，基础材料移量并不会呈线性增长，而是通过更快的速度增加，这对基础联接进行设计的过程中，需要充分注意实际变化，并选择更加适合的凸轮轴联接位置，从而确保不会造成较大影响；（3）数控技术的可视化特点可以为凸轮轴联接提供更加便捷的三维立体显示图，这时就可以帮助相关设计人员更加准确的判断基础联接情况，同时在改进凸轮轴联接设计方案、凸轮布置方案的过程中，也需要充分应用数控技术，从而确保实际方案可以为提高凸轮轴质量起到良好的推动作用。

2.晶界强化

当多晶金属材料出现不同晶粒间晶界对位错时，就会导致出现阻碍情况，这时金属变形时产生的位错运动阻力也会随之增加，同时晶界会成为位错源，这时错密度就会增加，最终实现增加材料强度。化对材料强度的影响。在金属材料中，材料在正常情况下的变形主要通过位错的滑移和攀移实现。由于晶粒内部缺陷相对较少，位错可以相对自由地滑动。当位错在外力作用下碰到晶界后，由于材料中的大部分晶界都可以看成原子混乱区，在晶界处晶体的平移对称性和旋转对称性被打破，位错滑动被阻碍，在晶界处形成应力集中。通过晶界阻碍位错抑制形变，材料的强度得到了提高。另一方面，由于晶界对称性的缺乏，其本身就是天然的位错源。因此在外力的进一步作用下，晶界处的位错塞积会诱发晶界在另一侧晶粒诱发位错源开动新的位错，从而使得材料继续发生形变。因此，晶界作为位错源在一定程度上又可以开动新位错释放应力，防止材料由于过高的应力集中形核裂纹，从而提高材料的韧性。

3.滚压强化

在开展机械加工时，需要在机床位置进行定位装夹，并在这一工作完成后，需要确定机械在机床内的安装位置，从而确保机床坐标之间可以保持联系。在针对机械在机床位置进行确定时，需要通过机床上到位置完成确定，并对加工机械变成坐标系位置进行确定时，应充分参考该坐标以便完成确定变成加工位置。在针对加工零件图纸完成机械坐标系构建工作时，需要充分明确零件各类几何元素位置，并且在确定机械坐标系远点时，需要将零件加工图内某一具备特征点作为原点，全面确保机械坐标系原点位置，在确定位置时，可以通过根据零件加工图中机械坐标原点为基础，在其基础上建立坐标系，这样一来就可以充分确保编程坐标系与机械坐标系之间完成重合^[3]。

结束语：综上所述，凸轮轴的生产制造是项专业技术，它的发展也是中国自主汽车发动机发展的一个缩影，从最初的一无所知到逐步掌握整体式凸轮轴制造技术，再到目前都在研究甚至部分中国企业已掌握组合式凸轮轴制造技术，这些技术的积累是在大量的实践中总结得来的，是民族制造业宝贵的结晶。

参考文献：

[1]乔健, 寇淑清, 卢清华. 材料力学性能对装配式凸轮轴球体扩径连接性能的影响[J]. 锻压技术, 2018(8):144-149.

[2]黄晓明, 周培良, 李剑峰. 装配式凸轮轴横向滚花连接数值仿真及实验研究[J]. 滨州学院学报, 2017, 33(6):52-56.

[3]杨刚. 凸轮精密冷锻成形连皮结构尺寸参数的优化[J]. 热加工工艺, 2018(21):138-140.

作者简介：刘松（1985-），男，汉族，安徽合肥人，硕士，安徽文达信息工程学院机械与汽车工程学院，讲师，研究方向：机械工程。

基金项目：本文系安徽文达信息工程学院自然科学研究项目（项目名称：装配式凸轮轴悬臂式数控装配机研究与设计 项目编号：XZR2018A08）