等距型面结构装配式凸轮轴液压胀接性能的研究

【摘要】：随着社会的高速发展,人们对发动机性能的要求不断提高,特别是在凸轮轴结构轻量化、运转平稳性、连接强度、使用寿命和整体性能等方面提出了更高要求。传统的整体式凸轮轴因存在重量大、制造精度低、加工工序多、材料与能源消耗大和自动化水平低等缺点。因此,对凸轮轴的制造技术进行改进、优化和变革,以获取轻量化、低成本和高性能的凸轮轴,迫在眉睫。装配式凸轮轴采用新型组合式设计与制造模式,其构思新颖,在减轻重量、优化材料和降低成本等方面优势显著,已成为凸轮轴制造技术的发展方向。装配式凸轮轴主要由凸轮、芯轴和轴颈等零部件连接而成,根据零部件性能的不同分别加工制造。液压胀接技术作为装配式凸轮轴连接技术的一种,通过高压液体使芯轴发生弹塑性变形产生与凸轮内孔过盈配合继而实现有效连接。本文拟采用具有三叶等距型面结构的凸轮与空心芯轴进行液压胀接,开展装配式凸轮轴液压胀接过程的力学分析、揭示胀接配合面间的摩擦特性、研究连接强度及服役时失效形式,这将为实际生产液压胀接装配式凸轮轴提供一定的理论依据和指导意义。本课题采用理论分析、试验研究和数值仿真等相结合的方法,对液压胀接装配式凸轮轴的连接强度及胀接性能进行研究。本文的主要工作和创新成果如下:(1)对装配式凸轮轴的液压胀接过程进行了力学分析。根据芯轴的胀接特点及液压力的变化规律,将液压胀接过程分为芯轴的自由胀接阶段、芯轴的约束胀接阶段和芯轴的卸载回弹阶段,分析了各个胀接阶段芯轴与凸轮的应力变化,推导了极限胀接液压力的表达式,为后续开展液压胀接试验等奠定了基础;分析了凸轮与芯轴屈服强度及弹性模量的力学匹配,并建立了异种材料实现液压胀接的力学条件,即只有芯轴与凸轮弹性模量的比值大于芯轴应变硬化后的流动应力与凸轮屈服应力的比值,才能实现液压胀接;通过有限元仿真,讨论了不同配合面结构凸轮轴中的芯轴和凸轮的应力应变场及位移场的变化规律,获取了应力集中最强点及连接最薄弱点等相关信息,间接反映了装配式凸轮轴的连接强度及其液压胀接性能。(2)对装配式凸轮轴胀接配合面间的摩擦特性进行了分析。通过构建芯轴不同位置的表面形貌观测模型,对比了扭转承载前后芯轴表面形貌的变化情况;分析了芯轴表面粗糙度在扭转承载前后的分布及变化规律;揭示了芯轴表面粗糙度对摩擦力、接触压力和接触面积等接触形态的影响规律;建立了表面粗糙度与等距型面结构装配式凸轮轴连接强度的关系。研究表明,扭转承载后芯轴的表面粗糙度呈现降低的趋势。随着芯轴表面粗糙度增大,芯轴与凸轮间的摩擦力和接触压力增大,而接触面积在扭转的最后阶段减小,装配式凸轮轴的连接强度呈现增大趋势。(3)对液压胀接装配式凸轮轴的连接强度进行了分析及预测。分析了凸轮与芯轴间的接触状态(芯轴填充性、接触间隙、弹性回复量和残余接触压力),以间接反映装配式凸轮轴的连接强度;对比了三种芯轴(304不锈钢芯轴、TP2紫铜芯轴和6063铝制芯轴)和不同配合面结构(等距型面结构、圆形结构和对数螺旋线结构)装配式凸轮轴的连接强度,揭示了胀接工艺(液压力、加载路径和退火温度)对装配式凸轮轴连接强度的影响规律;针对现有技术的不足,提出了一种基于能量平衡的液压胀接装配式凸轮轴连接强度的预测方法。研究表明,三种芯轴材料凸轮轴的连接强度随着最大液压力的增大而增大,但连接强度的变化率呈现先增大后减小的变化趋势。等距型面结构凸轮轴连接强度和液压胀接性能最好。非脉动液压下凸轮轴的连接强度略低于脉动液压加载下凸轮轴的连接强度。随着芯轴的退火温度增大,凸轮轴的连接强度呈现下降趋势,但其连接强度的下降率逐渐减小。该预测方法可以高效、准确地预测不同配合面结构的液压胀接装配式凸轮轴的连接强度。(4)对液压胀接装配式凸轮轴服役时的失效形式进行了分析。提出了一种预测液压胀接装配式凸轮轴主要失效因素的BP神经网络方法,利用回归分析法分析了神经网络模型的训练结果与目标值的相关程度,研究表明,构建的BP神经网络模型的精度较好,所有结果的预测精度均达到91%以上,其中最高预测精度可达99.78%。根据显微观测试验及主要失效因素等,确定了液压胀接装配式凸轮轴失效的表现形式,主要包括磨损、划痕、损伤、孔洞、凹坑和扭曲变形等,对比了三种材料的凸轮轴中芯轴服役后的失效表现,利用失效树理论定性分析了装配式凸轮轴失效产生的原因,从宏观角度提出了减少和预防凸轮轴失效产生的措施。上述这些研究结果将为装配式凸轮轴液压胀接技术合理设计产品、制定装配工艺、胀接性能评估、连接强度分析及预测和失效形式探究与预防等奠定理论基础和提供一定的科学依据,具有重要意义及实际应用价值。