焊接式空心凸轮轴的开发
2014-02-21张仲江杨勇新张辉
张仲江，杨勇新，张辉
（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）
焊接式空心凸轮轴的开发
张仲江，杨勇新，张辉
（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）
通过对现有凸轮轴和焊接式空心凸轮轴从制造难易程度、强度、试验验证等方面进行分析，得出成本低、周期短、强度可靠的新式凸轮轴。
空心凸轮轴；摩擦焊
CLC NO.:U463.3Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)12-59-02
前言
在汽车的制动系统中，制动凸轮轴是其主要部件之一，要承受一定的扭矩驱动制动蹄制动，要求制动凸轮轴具备良好的力学性能；但因各种车桥的轮距和风泵支架布置方式不同，导致现有凸轮轴种类繁多，因现有制动凸轮轴主要采用为锻造工艺制造，不同规格的制动凸轮轴需要不同的锻造模具，导致凸轮轴的开发成本和开发周期较长，不能满足现有汽车行业新产品开发的需求；为此我们研究和开发了一种焊接式制动凸轮轴。
1、工艺特点
该凸轮轴由凸轮1和凸轮轴管2两部分构成，见附图1。凸轮轴管2为冷拔钢管。凸轮1包括端面3和基座4，见附图2。凸轮1通过其基座4与凸轮轴管2通过摩擦焊接连接在一起。基座3及凸轮轴管2内孔可为焊接时产生的焊渣预留空间，保证凸轮轴焊接后的可靠性。
与传统的锻造式、装配式凸轮轴相比，摩擦焊接式凸轮轴具有如下优点：
（1）实现柔性制造：可通过调整空心凸轮轴管的长度来调整凸轮轴的总长度，有利于新产品的设计和制造，缩短开发新产品开发周期。
（2）可以降低重量：采用空心凸轮轴管可降低重量20%。
（3）可降低制造成本：采用焊接式空心凸轮轴只需锻造凸轮部分，锻造成本低，效率高；因重量降低，整体调质费用降低20%。
（4）材料分体优化与凸轮轴结构形式选择：可根据制动器的制动力矩，在同一凸轮轴上合理选择不同的凸轮、空心轴材料。如凸轮采用铸钢，空心轴采用冷拔钢管。这不仅有利于优化产品性能，也有利于改善凸轮轴加工性能和优化成本，保证其抗扭强度、刚度、弯曲性能及耐磨性等要求。
（5）焊缝强度高：与常规的焊接形式相比较，摩擦焊具有焊接材料范围广，焊接强度高、可靠性好等特点。
2、凸轮轴抗静扭试验对比
2.1 凸轮轴扭矩计算
扭矩M=F/L
气室推力F=PS
式中：
D：气室内腔直径（大底直径）；
d：气室内腔托盘直径（小底直径）；
η：效率系数（通常取值0.83～1，一般情况0.85、0.86、0.87较为优秀）；
P：气室工作气压；
根据设计要求，30寸气室制动腔，D为175mm，d为138mm，按照效率系数0.85计算，工作压力为1MPa，制动调整臂长度为145mm，则得出：制动气室推力：
2.2 凸轮轴抗扭试验对比
为了检验空心焊接式凸轮轴能否满足使用性能要求，我们分两种情况进行试验对比，一种为现有常规使用的整体式锻造实心凸轮轴，另一种为新型焊接式空心凸轮轴。
从上述实验结论可以分析得出：焊接式空心凸轮轴的安全系数为2.37，强度满足设计要求，与现有整体锻造式制动凸轮轴静扭强度持平。
3、结论
通过本次焊接式空心凸轮轴的设计和开发试验验证，不仅为我公司降低了成本，缩短了开发周期，提高了工作效率，也为我公司后续研究其他空心零部件提供了参考。开发的焊接式空心凸轮轴，具有重量轻，成本低、柔性好、强度可靠的特点，有效的解决了现有汽车行业要求的新产品发周期短，需求多样化的特点，是凸轮轴技术的发展和升级。
[1] 菅沼彻哉等，烧结法连接的空心凸轮轴的开发[J].《トョタ技术》1983年，12月号第151页-159页。
[2] 杨慎华，装配式凸轮轴的先进制造技术[J].现代零部件，201103006。
[3] 刘维信主编，《汽车设计》，清华大学出版社，2001年7月第1版.
[4] 《汽车工程手册》设计篇，人民交通出版社，2001年5月第1版.
Development of welded Hollow Camshaft
Zhang Zhongjiang, Yang Yongxin, Zhang Hui
（Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201）
The new camshaft with low cost, short cycle and reliable strength is reached based on the analysis of existing camshaft and welded hollow camshaft from manufacturing difficulty, strength, test, etc.
Hollow camshaft；friction welding
U463.3
A
1671-7988(2014)12-59-02
张仲江，就职于陕西汉德车桥有限公司。
