CN106930794A - 发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构 - Google Patents

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马建平
张明河
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Abstract

本发明公开了一种发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，包括芯轴和凸轮，凸轮内孔为等距型面或对数螺旋线，通过向芯轴注入高压液体使芯轴外表面发生胀形，芯轴外表面与凸轮内孔表面相互挤压而紧密连接。采用本发明提出的技术方案在装配式凸轮轴内高压成形连接过程中，材料变形和结构应力分布均匀，当装配式凸轮轴处于工作状态时，能够传递较大工作载荷，有效提高装配式凸轮轴的连接强度，从而改善发动机整机性能。

Description

发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构
技术领域
本发明涉及发动机凸轮轴技术领域，尤其涉及一种发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，包括芯轴和凸轮。
背景技术
凸轮轴是发动机中调控进气和排气的关键部件，主要由芯轴、凸轮和轴颈零件组成。传统的凸轮轴采取整体铸造或锻造方法制造，为一体式结构，存在耗能高、材料利用率低和生产效率低等问题。装配式凸轮轴技术将凸轮轴的零部件分开加工制造，充分利用了各部件材料性能优势，具有结构分布合理、轻量化和加工成本低等优点。内高压成形连接技术作为一种先进的、特殊的、精密的装配式凸轮轴连接制造技术，具有成本低、工序少、质量轻、刚度高等特点，广泛地应用在发动机装配式凸轮轴制造技术上，常见的发动机装配式凸轮轴结构有圆形结构、齿槽结构和桃形结构三种，它们的特点如下：
1、圆形结构：凸轮内孔和芯轴外壁均为圆形，结构简单且连接方便，但凸轮与芯轴连接后传递载荷的能力较差。
2、齿槽结构：芯轴外壁滚挤出条沟状花纹，凸轮内孔是否加工成沟槽状依凸轮与芯轴材料的硬度关系而定。该结构具有一定的装配精度和连接强度。但其不适宜内高压成形连接工艺，且在齿形区域应力集中现象明显。
3、桃形结构：芯轴外壁为圆形，凸轮内孔加工成与芯轴形状适配的圆弧段和凸起段，连接后形成类似于键的凸起块。该结构适用于内高压成形连接，但在装配式凸轮轴成形连接过程中，芯轴材料变形不均匀，在凸起处芯轴材料承受的工作载荷明显大于其余部分的材料，导致凸轮在工作过程中内孔受力不均匀，易产生冲击。
上述三种凸轮与芯轴连接结构存在应力集中、材料变形与受力不均匀或不适用内高压成形工艺等问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以解决装配式凸轮轴内高压成形连接过程中，材料变形和结构应力分布不均匀，并且当装配式凸轮轴处于工作状态时，能够传递较大工作载荷，有效提高装配式凸轮轴的连接强度，从而改善发动机整机性能的连接结构。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，包括芯轴和凸轮，所述凸轮内孔为等距型面或对数螺旋线，通过向芯轴注入高压液体使芯轴外表面发生胀形，芯轴外表面与凸轮内孔表面相互挤压而紧密连接。
所述凸轮内孔为等距型面，由单一的函数曲线构成，周期为120度，在坐标系内形成三叶突出部分，其函数关系式为：
x(α)＝(Di/2+e)cosα-ecos3αcosα-3esin3αsinα,
y(α)＝(Di/2+e)sinα-ecos3αsinα+3esin3αcosα.
上式中，α为函数曲线上某一点在坐标系中所成角度，Di为内包络圆直径，e为偏距，e满足最小曲率半径ρmin＝(De/2)–8e≥0，De为凸轮内孔外包络圆直径。
优选地，上述函数关系式中，偏距e值在0至0.8mm之间。
所述凸轮内孔为对数螺旋线，由三条曲线段AB、CD和EF，以及三条直线段BC、DE和FA复合而成，曲线段CD和EF分别为曲线段AB绕中心点O逆时针旋转120度和240度形成，在这三条曲线段之间用直线连接构成三条直线段BC、DE和FA，周期为120度，在坐标系内形成三叶突出部分，其中曲线段AB的函数关系式为：
x(α)＝(Di/2)emαcosα,
y(α)＝(Di/2)emαsinα,m＝cotβ,α∈[0,α1].
上式中，β为螺旋角，e为自然指数，其值为2.71828，α1为曲线段AB在坐标系中所成角度。
优选地，上述函数关系式中，螺旋角β值在86度至90度之间，α1值在90度到110度之间。
本发明提供的装配式凸轮轴内高压连接结构通过如下方法实现连接：
第一步，加工凸轮和轴颈，凸轮外形为型线，内孔为等距型面或对数螺旋线，轴颈类似圆柱套筒；
第二步，将凸轮、轴颈和定位圈放入模具型腔中，然后插入芯轴轴管，芯轴轴管外壁与其他零件内孔存在初始间隙，以便于后面的胀形连接；
第三步，通过合模，固定好各零件的位置；
第四步，对芯轴管端进行密封，然后向管内通入持续高压液体，在其作用下，芯轴发生胀形，芯轴与其他零件初始间隙变小直至消失，然后实现连接；
第五步，卸载液压力，开模取件。
采用本发明的技术方案的有益效果是：
(1)在装配式凸轮轴内高压成形连接过程中，凸轮内孔的轮廓曲线较为平滑，使得芯轴材料变形均匀，提高芯轴的成形性能，内高压成形连接后，连接结构的应力分布均匀，应力集中现象得到有效改善；
(2)当装配式凸轮轴处于工作状态时，连接结构有三叶突出部分，能够传递较大工作载荷，从而有效提高装配式凸轮轴的连接强度。
附图说明
图1本发明的内高压成形连接结构零件图；
图2为本发明的内高压成形连接原理图；
图3为本发明的等距型面凸轮示意图；
图4为本发明的对数螺旋线凸轮示意图；
图5为本发明的芯轴结构示意图；
图6为本发明的成形连接过程中芯轴与等距型面凸轮示意图；
图7为本发明的成形连接过程中芯轴与对数螺旋线凸轮示意图；
图8为本发明的成形连接后芯轴与等距型面凸轮示意图；
图9为本发明的成形连接后芯轴与对数螺旋线凸轮示意图。
附图中：1.凸轮 2.定位圈 3.轴颈 4.芯轴 P.液压力。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。对于实施例的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
如图1、图2所示为本发明的内高压成形连接结构零件和工作原理。
如图6、图7所示，本发明涉及凸轮1和芯轴4，凸轮内孔有等距型面和对数螺旋线两种结构选择，如图3和图4所示。
实施例：
本实施例通过内高压成形方法实现装配式凸轮轴芯轴与凸轮的连接。胀形前，将凸轮1固定好位置，将芯轴4插入其中。在向芯轴4内通入高压液体之前，先对芯轴4的管端进行密封。然后芯轴4在高压液体作用下发生胀形，直到芯轴4与凸轮2实现初始接触，如图6和图7所示。此时，凸轮1与芯轴4的接触面积很小，大部分区域仍然存在间隙，且在三叶突出部分间隙最大。继续加压，芯轴4与凸轮1的接触面积增大。随着液压力P进一步加大直至达到胀形设备设定的最大压力值，凸轮1的内孔在这一过程中会出现弹性变形。随着液压力P卸载，其内孔发生弹性回复，芯轴4的外壁发生塑性回弹。由于凸轮1材料的弹性模量小于芯轴4材料，所以在卸载过程中，其更容易发生回弹。最终，凸轮1的内孔相对初始时，发生了一定量的弹性变形，其与芯轴4的外壁实现紧密贴合，保证可靠的连接质量，如图8和图9所示。
以上结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但本发明并不局限于所描述的实施方式，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，包括芯轴和凸轮，其特征在于：所述凸轮内孔为等距型面或对数螺旋线，通过向芯轴注入高压液体使芯轴外表面发生胀形，芯轴外表面与凸轮内孔表面相互挤压而紧密连接。
2.根据权利要求1所述的发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，其特征在于：所述凸轮内孔为等距型面，由单一的函数曲线构成，周期为120度，在坐标系内形成三叶突出部分，其函数关系式为：
x(α)＝(Di/2+e)cosα-ecos3αcosα-3esin3αsinα,
y(α)＝(Di/2+e)sinα-ecos3αsinα+3esin3αcosα.
上式中，α为函数曲线上某一点在坐标系中所成角度，Di为内包络圆直径，e为偏距，e满足最小曲率半径ρmin＝(De/2)–8e≥0，De为凸轮内孔外包络圆直径。
3.根据权利要求2所述的发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，其特征在于：所述函数关系式：
x(α)＝(Di/2+e)cosα-ecos3αcosα-3esin3αsinα,
y(α)＝(Di/2+e)sinα-ecos3αsinα+3esin3αcosα.
上式中，偏距e值在0至0.8mm之间。
4.根据权利要求1所述的发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，其特征在于：所述凸轮内孔为对数螺旋线，由三条曲线段AB、CD和EF，以及三条直线段BC、DE和FA复合而成，曲线段CD和EF分别为曲线段AB绕中心点O逆时针旋转120度和240度形成，在这三条曲线段之间用直线连接构成三条直线段BC、DE和FA，周期为120度，在坐标系内形成三叶突出部分，其中曲线段AB的函数关系式为：
x(α)＝(Di/2)emαcosα,
y(α)＝(Di/2)emαsinα,m＝cotβ,α∈[0,α1].
上式中，β为螺旋角，e为自然指数，其值为2.71828，α1为曲线段AB在坐标系中所成角度。
5.根据权利要求4所述的发动机装配式凸轮轴内高压成形连接结构，其特征在于：所述函数关系式：
x(α)＝(Di/2)emαcosα,
y(α)＝(Di/2)emαsinα,m＝cotβ,α∈[0,α1].
上式中，螺旋角β值在86度至90度之间，α1值在90度到110度之间。
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