減輕結(jié)構(gòu)重量有二種方法：
一是采用輕合金和非金屬材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料和復(fù)合材料等；
二是采用空心變截面結(jié)構(gòu)，既可減輕重量節(jié)約材料又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。
制動(dòng)凸輪軸作為鼓式制動(dòng)器中扭矩傳遞的重要零部件一般需具有較高的強(qiáng)度及抗扭能力，目前主要采用40Cr鍛造加工的方式制造，重量及成本均較高。故采用空心鑄造方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，極大的降低了重量及成本。
1 行業(yè)現(xiàn)狀
制動(dòng)凸輪軸作為鼓式制動(dòng)器中扭矩傳遞的重要零部件，目前市場(chǎng)多為實(shí)心鍛造結(jié)構(gòu)并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝，圖1為目前輕型車(chē)前軸采用的制動(dòng)凸輪軸，為實(shí)心鍛造10齒直花鍵結(jié)構(gòu)。
圖1 現(xiàn)采用實(shí)心鍛造凸輪軸
市場(chǎng)也少量存在焊接結(jié)構(gòu)或者鍛壓空心結(jié)構(gòu)。圖2是部分廠家將凸輪與花鍵部分單獨(dú)制造的凸輪軸，其中間軸段采用鋼管，三者焊接成型。部分廠家直接采用鋼管材料鍛壓成凸輪形狀，軸桿段仍保留鋼管。上述焊接結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，焊接過(guò)程同軸度不易保證，鍛壓過(guò)程容易產(chǎn)生氣孔。針對(duì)行業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了空心鑄造結(jié)構(gòu)制動(dòng)凸輪軸。
圖2 市場(chǎng)鍛壓空心凸輪軸及剖面圖
2 輕量化方案
2.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)現(xiàn)有實(shí)心模型，對(duì)凸輪軸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，主要思路為通體軸桿設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，凸輪設(shè)計(jì)為隨外形的空心盲孔結(jié)構(gòu)。由于凸輪側(cè)及花鍵側(cè)與制動(dòng)蹄片及調(diào)整臂連接傳遞扭矩，故兩位置設(shè)計(jì)空心內(nèi)徑減小。花鍵位置將實(shí)心結(jié)構(gòu)中的10齒直花鍵更改為24齒漸開(kāi)線(xiàn)花鍵結(jié)構(gòu)，增加局部強(qiáng)度，見(jiàn)圖3。最終為達(dá)到相應(yīng)的輕量化目的同時(shí)考慮目前行業(yè)鑄造水平，空心設(shè)計(jì)后壁厚最小值為4.5 mm。
圖3 凸輪軸輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
2.2 材料選取
對(duì)比幾種常見(jiàn)的鑄造材料的力學(xué)性能以便選擇適合我們需要的材料，軸桿部位空心設(shè)計(jì)后為保證強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)選用強(qiáng)度較高的鑄造材料。
表1 幾種常用材料的力學(xué)性能
通過(guò)對(duì)表1中各種材料的比較我們發(fā)現(xiàn)，等溫淬火球墨鑄鐵材料（ADI）的強(qiáng)度高、塑性好，在同等延長(zhǎng)率的情況下，ADI的抗拉強(qiáng)度是普通球鐵的2倍；在同等抗拉強(qiáng)度情況下，延長(zhǎng)率是普通球鐵的2倍以上。選用材料一般以屈服強(qiáng)度為基數(shù)，ADI屈強(qiáng)比鋼高，故ADI強(qiáng)度利用率高，就強(qiáng)度而言ADI優(yōu)于調(diào)質(zhì)處理的碳鋼，與低合金鋼相當(dāng)并具有很高的彎曲疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度等動(dòng)載性能。ADI因?yàn)楹惺瑯映叽绲牧慵话爿^鋼件輕10%，這對(duì)于需要減輕質(zhì)量的汽車(chē)是很有意義的。因?yàn)锳DI強(qiáng)度高且質(zhì)量輕，所以具有高的單位質(zhì)量屈服強(qiáng)度。此外，由于ADI具有較好的鑄造性和生產(chǎn)的靈活性使其更易設(shè)計(jì)最優(yōu)的零件，較之鍛件更易于生產(chǎn)近無(wú)余量零件。相對(duì)于其它材料，ADI的性?xún)r(jià)比最好。
綜上所述，通過(guò)材料的對(duì)比選擇ADI作為鑄造凸輪軸的材料。原方案材料40 Cr（抗拉強(qiáng)度為980 MPa）安全系數(shù)最小值為2.63，相對(duì)較高。輕量化設(shè)計(jì)后軸桿部材料去除較多，同時(shí)考慮花鍵位置及凸輪位置與制動(dòng)器部件存在接觸應(yīng)力，故需要較高的表面強(qiáng)度，原40 Cr樣件對(duì)上述部位進(jìn)行熱處理，表面硬度達(dá)到56 HRC。凸輪軸工作狀態(tài)為扭轉(zhuǎn)工況，故需要一定的韌性即材料延長(zhǎng)率。綜合考慮空心鑄造凸輪軸選用材料牌號(hào)初選為QTD1200-3，硬度水平能達(dá)到（340～420）HBW范圍內(nèi)，同時(shí)具備一定的延長(zhǎng)率。
2.3 有限元計(jì)算
采用輕量化方案的空心凸輪軸按照目前搭建的凸輪軸扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)三維模型，以制動(dòng)器總成在卸荷壓力0.85 MPa下能提供的最大扭矩（1 250 N·m）作為輸入，約束試驗(yàn)夾具的全部自由度，約束凸輪軸花鍵端及與之配合的調(diào)整臂蝸輪的除旋轉(zhuǎn)方向的其他所有自由度進(jìn)行有限元計(jì)算。
在輸入條件下計(jì)算得出安全系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，故按此方案進(jìn)行后續(xù)試制工作，見(jiàn)圖4及圖5。
圖4 原方案有限元計(jì)算結(jié)果
圖5 空心凸輪軸安全系數(shù)及Mises應(yīng)力
3 試制試驗(yàn)
3.1 方案試制
3.1.1 試制工藝流程
鑄造凸輪軸方案采用鐵系覆膜砂(殼型鑄造)工藝鑄造，鑄造完成后對(duì)樣件進(jìn)行加工，加工后放入井式熱處理爐進(jìn)行等溫淬火（共3爐，第一爐升溫至900℃使材料奧氏體化，第二爐采用亞硝酸鹽降溫，第三爐400℃等溫退火使材料貝氏體化），等溫淬火過(guò)程如圖6所示。由于等溫淬火過(guò)程會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生不規(guī)則變形，故熱處理后需要增加一道精磨工序，保證產(chǎn)品尺寸符合圖紙要求。
圖6 等溫淬火過(guò)程示意圖
3.1.2 試制樣件檢驗(yàn)
對(duì)圖7的試制樣件進(jìn)行了金相組織與力學(xué)性能的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2、表3及圖8。
圖7 試制樣品
3.2 臺(tái)架試驗(yàn)
制動(dòng)凸輪軸作為制動(dòng)器傳遞扭矩的主要部件，設(shè)計(jì)安全壽命應(yīng)大于目前行業(yè)要求的制動(dòng)器總成的20萬(wàn)次壽命。由于目前行業(yè)沒(méi)有單獨(dú)針對(duì)制動(dòng)凸輪軸的臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際使用工況，對(duì)輕量化凸輪軸設(shè)置初始扭轉(zhuǎn)疲勞壽命指標(biāo)為100萬(wàn)次[1]。
表2 金相組織
表3 布氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果
圖8 石墨形貌100倍及基體組織500倍
試驗(yàn)方案為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖9。制動(dòng)器總成在卸荷壓力0.85 MPa下能提供的最大扭矩為M，疲勞試驗(yàn)按照最小試驗(yàn)扭矩0.1 M，最大試驗(yàn)扭矩1.0 M，試驗(yàn)頻率：(1～3)Hz直至樣品失效。上述三件試制樣品均通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。
圖9 凸輪軸試驗(yàn)臺(tái)
按照上述試驗(yàn)大綱進(jìn)行了多輪試驗(yàn)，均發(fā)生不同形式的失效，試驗(yàn)壽命最大值達(dá)到88萬(wàn)次，失效位置位于花鍵位置，失效形式為螺旋狀裂紋，見(jiàn)圖10。
圖10 凸輪軸失效形式
針對(duì)多次失效情況，確認(rèn)失效原因?yàn)椴牧线x取問(wèn)題，材料QTD 1200-3斷后延長(zhǎng)率過(guò)低以及材料韌性過(guò)低。故新試制樣品材料選取QT 800-5，經(jīng)過(guò)試制檢查、材料檢驗(yàn)合格后再次進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，三件樣品順利通過(guò)了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，壽命達(dá)到了100萬(wàn)次。
4 方案推廣
根據(jù)凸輪軸輕量化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，復(fù)制到制動(dòng)滾輪與蹄片軸兩種制動(dòng)器零件，目前加工工藝均為鋼棒機(jī)加后熱處理，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)輕量化工作，同樣采用QTD 1200-3材料鑄造成型，見(jiàn)圖11。目前已通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證并已批量裝車(chē)。
圖11 滾輪與蹄片軸輕量化方案
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，上述三種零件空心鑄造凸輪軸、滾輪、蹄片軸均取得近50%的降重效果，整車(chē)降重4.74 kg(見(jiàn)表4)，成品供貨價(jià)格降低72.42元。
表4 三種零件降重統(tǒng)計(jì)
5 總結(jié)
本文介紹了對(duì)于制動(dòng)凸輪軸由鍛造更改為鑄造工藝、材料由40 Cr更換為QTD 1200-3，最終選取QT 800-5，從實(shí)心結(jié)構(gòu)優(yōu)化為空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程。對(duì)于輕量化方案進(jìn)行CAE分析，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，以及后續(xù)整個(gè)試制試驗(yàn)過(guò)程。制動(dòng)凸輪軸通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料工藝改進(jìn)等輕量化過(guò)程，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，取得了較大幅度的降重和降成本效果。
