发动机装配式凸轮轴滚花连接原理及 轴向滚花连接数值模拟分析

发动机装配式凸轮轴滚花连接原理及 轴向滚花连接数值模拟分析

张 驰

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( 1. 吉林大学, 吉林 长春 130025 ; 2. 中国第一汽车集团公司, 吉林 长春 130011)

摘 要: 阐述了发动机滚花装配式凸轮轴滚花连接成形原理, 进行了轴向滚花压装、扭转试验, 分析 了压装力及扭转强度的影响因素, 并通过数值模拟加以研究。由此得到大量有关压装与扭转的试验数据 和相关结论, 为设备的研制及滚花装配式凸轮轴的工艺制定提供了可靠的依据。

关键词: 内燃机; 装配式凸轮轴; 滚花连接; 实验研究; 数值分析 中图分类号: T K 413. 4 文献标志码: A

The Knurling Connection Mechanism of Assembled Engine Camshaft and FEM Numerical Simulation Analysis of Axial Knurling Connection

ZH AN G Chi¹, X U Peijuan¹, P I Wenhao², Y IA N G Senhua¹

( 1. Jilin U niv ersity , Chang chun 130025, China; 2. China F AW Gr oup Co rporat ion, Changchun 130011, China) Abstract: T he knur ling co nnectio n mechanism of the ho llow assembled engine camshaft w as present ed, the press mo unt ing tests and the t orque tests o f the ax ial knur ling connection w ere perfo rmed, the f acto rs w hich affect the press mo unting force and stat ic to rque w ere analyzed, and the F EM numerical simulatio n w as used to do the research. T her efore a g reat deal of ex per iment al findings w hich w ere r elated t o press mounting and to rque test and some conclusions related wer e obtained.

All o f these pro vided the cr edible basis fo r the develo pment of assembling equipments and the techno log y r esear ch of the knurling assembled camshafts.

Key words: Eng ine, A ssembled camshaft, Shav e joining , Ex per iment research, N umerical analysis

发动机中空装配式凸轮轴作为新型的凸轮轴制 造产品以其质量轻、材料利用合理、加工成本低等优 点越来越得到广泛的应用^{[ 1]}。

装配式凸轮轴是近 20 年发展起来的新型汽车 零部件, 它是将凸轮与中空芯轴分别制造, 然后再装 配在一起。因其连接方式不同分为许多种类, 其中 滚花连接装配式凸轮轴因为是在常温小压力下将凸 轮压装在芯轴上, 所需 设备简单, 对材料性能 无影 响, 可靠性、尺寸精度和能耗等方面较其他的装配方 法都有着明显的优势^{[ 2 5]}。因此, 应用滚花法来制造 装配式凸轮轴在汽车生产领域 有着广阔的发 展前 景。

在滚花连接装配式凸轮轴的制造过程中, 滚花 成形、凸轮压装是 2 个重要的制造步骤。滚花成形 质量、压装力大小、扭转强度可靠性是装配式凸轮轴 制造的关键。研究滚花成形原理、压装力及扭转强 度的影响因素对于生产滚花装配式凸轮轴具有重要 意义。

1 滚花连接原理及成形因素

滚花连接的连接方式根据滚花齿的走向分为轴 向滚花和横向滚花 2 种^{[ 6]} 。滚花连接实际上是咬合 连接的一种特殊形式, 是利用塑性流动变形及切削

变形原理的一种加工方法。滚花连接工艺就是用滚 花刀通过塑性变形将中空的芯轴表面滚挤成齿尖与 芯轴轴线平行或者齿尖与轴线垂直的三角形齿的条 沟形状, 然后将内圆为圆形或多边形的凸轮在常温 下压入芯轴中( 如图 1, 图 2 所示) 。滚花装配式凸 轮轴的连接, 主要是依赖芯轴与凸轮咬合连接时由 芯轴齿镶嵌入凸轮内壁所承受的剪切力而带来的扭 转强度, 或者由多边形凸轮内壁剪切掉环形的横向 滚花齿镶嵌入芯轴而带来的扭转强度, 由此来承受 凸轮受到气门开启带来的扭矩。除了上述影响滚花 连接强度的因素外, 还有滚花 齿大小形状、芯轴半 径、连接长度、凸轮内壁形状等影响因素。轴向滚花 成形在常温下, 利用滚花刀在芯轴表面通过旋转进 给逐渐的形成齿形结构( 如图 3 所示) 。滚花齿的成 形是个逐渐的过程, 由开始的不完整齿形最终形成 完整的三角形齿, 这个过程需要滚花刀旋转数 10 圈 才能完成。在滚花齿成形过程中, 由于冷作硬化作 用, 滚花齿比芯轴硬度要高。在做滚花成形时, 可以 芯轴不动, 滚花刀旋转, 也可以芯轴旋转, 滚花刀也 旋转。在实际生产中通常采用后种方式。

在轴向滚花成形时, 为了使滚花齿能够较好地 咬入凸轮内壁, 滚花齿为三角形齿最佳。滚花齿镶

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嵌入凸轮内壁的程度直接影响连接 强度^{[ 7 8]}。影响 滚花齿成形的因素主要是滚花刀刀齿的齿间距和夹 角。滚齿夹角过小时, 滚齿齿形过薄, 易于折断, 不 利于连接; 夹角过大时, 齿形过钝也不利于咬入凸轮 中, 同样不利于连接。如果齿间距过小, 滚花齿的高 度就小, 咬入凸轮内壁也小, 降低了扭矩强度; 齿间 距过大, 滚花齿也随着加大, 增加了凸轮压装力。合 理的选择滚花齿成形大小至关重要。

2 压装力影响因素及压装过程研究 2. 1 滚花连接凸轮轴压装过程数值模拟

轴向滚花凸轮的压装连接是一个芯轴滚齿咬入 凸轮内壁的过程。应用有限元分析软件可以对压装 过程进行数值模拟, 当正确的建立起实体模型、定义 了材料特性、载荷及边界条件等约束条件后, 就能有 效地模拟出压装的实际过程, 缩短齿形设计、过盈量 选择等设计和分析周期, 增加压装 连接的可靠性。

本压装过程采用 Ansys 软件进行模拟分析。

滚花连接凸轮轴的压装过程中, 由于整个芯轴

的外表面滚花后形成均匀分布的三角齿形状大小都 是相同的, 在数值模拟分析中, 为减少单元划分的数 量、提高计算机的计算速度, 利用其对称性特点只采 用 1 个齿形大小所对应的芯轴和凸轮进行建模, 计 算完成后通过圆周扩展形成整个完整的芯轴与凸轮 的滚花连接。考虑到划分网格分析精度问题以及计 算速度的需要, 在建立几何模型时, 将芯轴整体分为 接触区和非接触区 2 部分, 接触区就是滚花齿部分, 它与凸轮内壁再咬入时是受力接触区间。非接触区 是滚花齿以下的部分, 该部分是非受力承载面。在 划分网格时可对不同部分根据需要选取不同大小的 单元, 接触区的网格密集, 非接触区网格随着受力影 响减少从而变疏。芯轴体被划分后的几何模型与芯 轴网格如图 4、图 5 所示。为提高边界适应性及插 值精度, 有限元单元选择 10 节点曲边四面体单元。

由于所建的模型是用 1 个齿形所对应的实体来替代 模拟整个凸轮轴压装力的受力变形情况, 所以在芯 轴和凸轮的 2 个侧截面分别施加对称边界条件( 如 图 6 所示) 。

代入材料的相关系数及压装时的摩擦因数, 应 用 Ansy s 有 限元软 件中求 解器 ( Solutio n) 进 行求 解, 每步长为 2. 4 mm, 一共迭代 34 次。求解得到 压装过程各个子步的应力云图和单齿的压装力, 进 而可以得到 360∀模型的压装力曲线图。

2. 2 凸轮压装力试验研究

选取 6 种不同尺寸与材料的凸轮和 3 种不同尺 寸的芯轴进行试验( 见表 1) 。其中, 种类 1, 2 的芯 轴只在轴的两端处滚花, 并装配材料为 Q235- A、

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45^# 材料的凸轮, 除作压装力试验外, 还备作扭转试 验用。

表 1 装配力测定试验用部分凸轮及芯轴材料、尺寸

单位: mm

轴 凸轮

种类 1 1 2

尺寸 外径 d 24 内径 D 24 24

内孔 实 厚 B 23 23

材料 45^# Q 235A 45^#

192 153 186

在轴表面做滚花处理时, 选用齿间距 S 分别为 0. 8 mm、1. 0 mm、1. 2 mm 、1. 5 m m 的 4 种尺寸的 滚刀, 在轴表面滚花成形后, 形成齿高为 H 的三角 形齿状结构。此时齿端顶部直径 D 大于轴直径 d , 过盈量为: = ( D - d) / 2。

图 7 芯轴和凸轮压

装前样件 选用的 滚花 刀尺 寸

不同, 过盈量 不同, 滚 花 刀齿 间 距 越 大, 滚 齿 越 高, 压 装时 过盈 量越大。

压装前芯轴与凸轮样件, 如图 7 所 示。将 制好 的 凸轮在 CSS - 44100 电 子万 能 测 试 机 上 以 10 mm/ min 的速 度 压 入 滚

花完毕的芯轴中, 通过记录仪记录试验数据, 再用计 算机绘制出压装力 F 的曲线, 如图 8 所示。

图 8 凸轮压装力曲线

将压装后的轴与凸轮在连接部分沿垂直于轴线 的面切开, 发现 A3 钢凸轮与轴连接装配时, 由于轴 滚花齿较凸轮内孔硬, 其齿尖部分已嵌入凸轮内孔 中, 形成典型的挤压式塑 性变形。45^# 钢凸 轮与轴 装配时, 2 种材质硬度相当, 在伴有部分塑性挤压变 形的同时, 大部分轴的滚花齿尖被凸轮内孔壁磨平。

分析压装结果: 对于不同材料的凸轮, 当过盈量

、凸轮宽度 B 相同, 硬度较软的 A3 钢凸轮, 其压 装力与较硬的 45^# 钢凸轮的压装力相差不大。对于

同种材料, 当 相同, B 不同时, B 较大时则凸轮压 装力也增加。如果材料、B 相同, 过盈量 不同, 当 增加时, 装配力增加。对于相同 、B, 当凸轮内孔 直径不同时, 直径大的装配力大^{[ 9 ]}。

分析认为: 当轴较硬, 凸轮较软时, 轴的滚花齿 与凸轮内孔进行装配时, 滚花齿嵌入凸轮内孔, 呈现 的是以挤压变形为主的塑性变形。当轴与凸轮硬度 相当或较凸轮较软时, 滚花齿与凸轮内孔接触装配 过程表现为凸轮内孔将滚花齿削平, 以切削变形为 主。而上述 2 种变形过程中, 3 向压应力状态下的 挤压塑性变形 所需的变形力与切削变 形力相差不 大。当凸轮材料相同, 宽度 B 不同时, 不论是塑性 挤压式变形还是切削式变形, 宽度 B 大时, 变形区 域也大, 变形力增加。当过盈量 增大时, 如果滚花 齿与凸轮内孔发生塑性挤压变形, 滚花齿嵌入凸轮 的深度增加, 挤压力增加, 如果是切削变形、 大, 切 削滚花齿时需切去更多的齿尖部分, 切削力增加, 所 以 增大, 压装力增加。当轴与凸轮内孔直径增加, 装配时变形接触区域增加, 所以直径大的压装力大 于直径小的压装力。试验表明, 过盈量是影响压装 力的最主要因素。

2. 3 数值模拟结果及试验验证

凸轮为 Q235- A 钢、芯轴为 45^# 钢时压装过程 数值模拟结果与实验结果的比较如图 9 所示。由图 9 可以看出, 在 Q 235- A 凸轮和 45^# 芯轴压装过程 中, 最大压装力出现的位置基本一致, 2 条曲线的相 对误差为 6. 24% 。

图 9 数值模拟和试验压装力曲线比较

图 10 是凸轮和轴的材料均为 45^# 钢时压装过 程数值模拟和试验压装力曲线对比图。可以看出, 压装过程中, 压装力和模拟曲线与图 9 基本相近, 两 条曲线的相对误差为 13% , 2 个试验最大压装力和 模拟结果的吻合都较好。

压装力是凸轮装配时很重要的参数, 它受到材 料、过盈量、凸轮尺寸等多方面因素的影响。可以用 实验研究的方法找出影响规律, 定量的确定在已知 新技术新工艺! 热加工工艺技术与材料研究 2010 年 第 5 期

图 10 数值模拟和试验压装力曲 线比较

因素下压装力的大小。但是, 对于未能做试验的压 装过程只能大概的估计压装力。应用数值模拟的方 法就能够通过建立压装过程的模型, 在计算机上模 拟出压装过程, 再模拟出压装力的大小。

3 滚花连接强度影响因素及静扭强度数值 分析

3. 1 装配式凸轮轴连接强度试验

连接强度包括最大静连接强度和疲劳 连接强 度。装配式凸轮轴连接处仅具备足够的静连接扭矩 还不够, 因为凸轮不断地开启发动机气缸气门, 使凸 轮连接处受到周期性的冲击扭矩, 这就要求凸轮轴 还要具备耐疲劳的能力。为此, 要选择合适的材料 及滚花状态, 进行扭转静扭及疲劳试验, 为设备的研 制及装配式凸轮轴的工艺制定提供试验依据。

3. 1. 1 静扭试验

选择芯轴直径为 33 mm 和 24 mm 的 2 种凸 轮轴为研究对象, 制作 2 种类型的凸轮轴扭转试样。

凸轮安装前在轴的两端用齿间夹角为 90∀的滚花刀 进行滚花, 滚花在普通车床上进行, 滚花刀宽为 10 mm。加工成形的滚齿由于加工硬化的原因比芯轴 硬度高。内径 33 mm 的凸轮厚度为 23 mm, 内径 24 mm 的凸轮厚度 分为 23 mm 和 17 mm 2 种。

芯轴用 45^# 钢, 凸轮用 45^# 钢、Q 235- A 钢及 Fe 系 粉末冶金材料制作。

图 11 扭转试验样件 芯轴和 凸轮 分别 加工 成

形后通过 力学压力 机装配 成 试件( 如图 12 所示) 。选择 14 种规格材料不同的试样, 自制 装卡卡具, 在吉林大学汽车实 验室进行 静扭 强度 试验。 静 扭实验设备 为 QD- B1 静 扭 实验台。通 过试 验数 据作 出

扭矩和齿间距的关系曲线如图 12 所示。对于同种 凸轮材料, 滚花刀齿间 距越大, 连 接时过盈量 越

大, 三角形齿咬入凸轮内壁的量也越大, 连接强度就 越大。对于不同种凸轮材料, 材质越软, 芯轴的三角 形齿越容易咬入凸轮内壁, 连接强度越好。而芯轴 直径越大, 齿与凸轮内壁连接咬合的面积越大, 越有 利于连接强度提高。同样道理, 同一种凸轮材料, 滚 花连接越宽, 齿与凸轮内壁咬合面积越大, 连接强度

也越高^{[ 10 11]}。

图 12 各种材料连接强度比较

3. 1. 2 疲劳强度试验

将试件放置于静扭实验台上扭转, 当凸轮与芯 轴间出现角位移时记录其最大扭矩。在疲劳实验台 上对试件施加峰值为 300 Nm, 频率为 2. 0 H z 的载 荷进行交变载荷疲劳试验。当使用交替扭转载荷对 芯轴直径为 33 mm 和 24 mm 的 2 种试件 进行了 33. 8 # 10⁴ 疲劳试验后, 连接处未出现任何失效情 况, 说明此种连接方式相当可靠。

3. 2 数值模拟及试验验证

静扭强度试验是在压装工序完成后进行的, 所 以在进行数值分析时, 采用的是多载荷步骤来完成 以上 2 工序的数值分析, 即仍采用前面压装时使用 的几何模型, 在完成压装力求解后, 其他条件均不改 变, 仅对几何模型进行约束边界条件的修改, 再继续 施加新的载荷求解完成静扭强度的数值分析。更改 示意图如图 13 所示, 仅保留芯轴 2 个侧截面上的对 称约束, 使芯轴不能绕 Z 轴发生旋转; 取消凸轮两 个侧截面上的对称约束, 同时在凸轮的外表面上施 加切线方向位移, 使凸轮能够产生绕 Z 轴旋转的趋 势; 由于单齿的圆周角度为 2. 5∀, 假设凸轮旋转角 度为 2∀; 仍保留芯轴底面 A 在 Z 方向位移 Uz = 0, 使芯轴不能在 Z 方向发生位移。由于 在压装过程 中, 凸轮与芯轴之间产生了相对作用力, 修改边界约 束条件后可使凸轮与芯轴产生方向相反的扭矩。这 样施加的约束与实际工作状态相似, 与静扭试验不 一致, 考虑到施加扭矩的性质并没有发生改变, 这样 修改约束可以真实地反映静扭试验, 得到静扭强度 新技术新工艺! 热加工工艺技术与材料研究 2010 年 第 5 期

数值。

对 Q235- A 凸轮和 45^# 芯轴滚花连接进行静 扭强度的求解与分析。应用 Ansys 有限元分 析软 件进行求解, 求解后得出一个完整齿形的扭转力矩, 进而可以得到 360∀模型 的扭转力 矩。扭矩 M z 为 1 403. 8 N m。根据静扭强度试验所得出的数据, 滚花连接静扭强度试验值为 1 307 N m, 两者的相 对误差为 7. 4% , 结果吻合较好。

图 13 静扭边界约束示意图

4 结语

装配式凸轮轴是发动机制造产业中的革新技术 之一, 是对传统凸轮轴制造加工技术的重大变革, 目 前还处于发展阶段。轴向滚花连接作为滚花连接的 一种重要方式需要 全面加以研究。通过对连 接原 理、凸轮压装扭转的试验与数值模拟分析, 得到如下 结论。

1) 滚花连接实际上是利用塑性流动变形或切 削变形原理的一种加工方法。滚花装配式凸轮轴轴 向滚花连接, 主要是依赖于芯轴与凸轮咬合连接时 由芯轴齿滚挤入凸轮内壁所承受的剪切力而带来的 扭转强度。

2) 过盈量是影响压装力最为显著的因素, 所以 在设计滚花装配式凸轮轴装配机时一定要适当地控 制滚花量, 保证在牢固连接强度的基础上尽可能的 减小过盈量。

3) 芯轴和凸轮的材料、芯轴直径、凸轮宽度、过 盈量等都是影响连接强度的因素。对于钢制凸轮而 言, 材料相对软些的容易进行较好的滚花连接, 连接 的咬合状况也较好, 连接扭转强度较大。而较硬的 凸轮连接强度就差些, 当凸轮达到一定的硬度时, 芯 轴滚齿不能咬入凸轮内壁, 无法进行正常的滚花连 接。

4) 建立了凸轮轴压装过程滚花齿挤入芯轴的 几何模型, 采用 A nsys 软件对凸轮压装扭转过程进 行了数值模拟分析, 数值模拟结果与试验结果有较 好的吻合, 为滚花机构及装配机的设计与制造以及 滚花装配式凸轮轴制造工艺的制订提供了很好的理 论指导。

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作者简介: 张驰( 1958 ) , 男, 教授 , 主要 从事精密制 造技术 及 自动化方面的研究。

收稿日期: 2010 年 2 月 5 日

责任编辑 吕德龙

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