CN113700824A - 一种凸轮轴、发动机以及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮轴、发动机以及车辆，该凸轮轴的尾端沿径向开设有键槽，沿所述键槽的长度方向，所述键槽的两端均设置有扩口段，且沿圆周至圆心方向，所述扩口段的宽度逐渐减小，键槽和连接键在自身配合间隙的作用下，键槽需要转动一定角度后才能与连接键接触，现有技术中的直槽与连接键的接触位必然位于最薄弱的外侧边缘，本发明通过扩口段的键槽，连接键在与键槽边缘接触之前便与键槽的内壁接触，使键槽与连接键的接触位位于键槽内远离圆周的位置，接触位处的壁厚较厚，使连接键与凸轮轴键槽的碰撞点避开壁厚最薄的键槽边缘，这样可以更稳定地传递扭矩，避免键槽边缘出现崩口，避免了传统技术方案中凸轮轴扭断的技术问题。

Description

一种凸轮轴、发动机以及车辆

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种凸轮轴、发动机以及车辆。

背景技术

凸轮轴是活塞发动机的一个部件，现有的车用汽油机中凸轮轴根据工艺不同可分为两类：铸造式凸轮轴与组合式凸轮轴。在增压汽油机中，需要真空泵为整车制动提供空气助力，该部件一般装于缸盖上，由凸轮轴带动真空泵转子产生真空。

现有技术中存在凸轮轴用于驱动连接真空泵的部分发生扭断而导致的凸轮轴结构失效的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种凸轮轴，通过特殊的结构及参数设计可以实现稳定可靠的传递扭矩，避免了传统技术方案中凸轮轴失效的技术问题。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种凸轮轴，所述凸轮轴的尾端沿径向开设有键槽，沿所述键槽的长度方向，所述键槽的两端均设置有扩口段，且沿圆周至圆心方向，所述扩口段的宽度逐渐减小，以使所述键槽与连接键的接触位位于所述键槽内。

进一步地，所述扩口段的扩口角为α，且α的范围为0°～30°。

进一步地，所述键槽还包括直线段，所述直线段位于两段所述扩口段之间，且所述直线段分别与两段所述扩口段连通。

进一步地，所述扩口段沿所述键槽长度方向的尺寸b满足R/4≤b≤R/2，其中，R为所述尾端的半径。

进一步地，所述键槽为通槽。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种发动机，包括上述的凸轮轴。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种车辆，包括真空泵以及上述的发动机，所述真空泵上设置有用于与所述发动机的凸轮轴的键槽连接的连接键。

进一步地，所述连接键与所述扩口段之间的碰撞角β为0°＜β＜α，其中，α为所述扩口段的扩口角。

进一步地，所述碰撞角β＝α-θ，其中，θ为在所述凸轮轴驱动所述真空泵的工况下，所述连接键与所述键槽的长度方向之间的间隙角，所述间隙角θ的范围为1°～2°，所述扩口角α的范围为2°～30°。

进一步地，所述连接键的长度不大于所述键槽的长度。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种凸轮轴，凸轮轴的尾端沿径向开设有键槽，沿键槽的长度方向，键槽的两端均设置有扩口段，且沿圆周至圆心方向，扩口段的宽度逐渐减小，键槽和连接键在自身配合间隙的作用下，键槽需要转动一定角度后才能与连接键接触，现有技术中的直槽与连接键的接触位必然位于最薄弱的外侧边缘，本发明通过扩口段的键槽，连接键在与键槽边缘接触之前便与键槽的内壁接触，使键槽与连接键的接触位位于键槽内远离圆周的位置，接触位处的壁厚较厚，使连接键与凸轮轴键槽的碰撞点避开壁厚最薄的键槽边缘，这样可以更稳定地传递扭矩，避免键槽边缘出现崩口，从而保证凸轮轴稳定可靠的驱动机械真空泵工作。

本发明提供的发动机以及车辆，凸轮轴均采用上述的凸轮轴，使得凸轮轴的键槽与连接键的碰撞点内移，新的碰撞点集中在键槽靠近中心的位置，由于新的碰撞点处的壁厚较厚、巧妙避开了键槽边缘，有效避免键槽边缘因长期承载扭矩驱动力而出现疲劳破坏崩口的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的凸轮轴示意图；

图2为图1提供的凸轮轴的尾端俯视图；

图3本发明实施例1提供的凸轮轴的键槽的又一实施方式示意图；

图4为本发明实施例3提供的车辆的凸轮轴与真空泵的装配示意图；

图5为图4提供的凸轮轴的键槽与真空泵的连接键的配合示意图；

图6为图4提供的凸轮轴的键槽与真空泵的连接键的又一种实施方式示意图；

图7为现有技术中凸轮轴的键槽与连接键的配合示意图。

附图说明：1-凸轮轴，11-键槽，12-直线段，13-扩口段，14-根部圆角，15-尾端；2-真空泵，21-连接键；3-工艺孔。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

凸轮轴在使用过程中键槽处会发生断裂，相关技术中，一般会认定为凸轮轴的键槽承载扭矩过大导致的扭断，即静扭扭断。所以现有的凸轮轴设计的常规思路为加强强度，即设计的凸轮轴静强度只要大于凸轮轴尾端键槽的最大负载扭矩即可。基于这个静扭失效的设计思路，一般会对凸轮轴的键槽所在轴段进行加粗处理，然后对凸轮轴的键槽实行静扭破坏试验，只要凸轮轴静扭试验的最大破坏扭矩大于凸轮轴驱动真空泵正常工作时的最大负载扭矩，即可认为凸轮不会出现失效。

但是在经过大量研究分析后发现，即使凸轮轴持续在输出扭矩较小的工况下使用，仍然可能出现键槽断裂。通过对一个最大承载静扭矩为95Nm的凸轮轴的键槽结构进行凸轮轴的键槽耐久试验时，凸轮轴的键槽连接的机械真空泵给凸轮轴的键槽的载荷最大只有1～2Nm，远低于静扭破坏能承受的扭矩95Nm，所以基于这种业内的传统的静强度设计的凸轮轴结构仍然存在很大失效风险，而且从试验结果可以看出不是简单的通过加粗轴径增加静强度就可以避免这种失效问题的。因此通过对凸轮轴失效的断口特征和载荷特点分析引起键槽断裂的原因不是静扭强度，而是抗疲劳强度。

进一步力学分析发现：凸轮轴一般由汽油机曲轴通过正时链驱动，由于汽油机各缸依次间隔点火的工作特点，曲轴的转速存在波动，这个转速波动会通过正时链系统放大，导致凸轮轴的转速也会随之波动，由于凸轮轴尾端键槽和真空泵连接键存在配合间隙，所以真空泵连接键会在凸轮轴尾端键槽来回高频撞击键槽的边缘(如图5所示)，因为凸轮轴的键槽边缘的壁厚很薄，真空泵连接键与键槽碰撞时是点接触或者线接触，导致键槽边缘的碰撞位置很容易出现崩口，由于碰撞频率很高，键槽边缘又存在崩口，键槽根部很容易萌发疲劳裂纹，疲劳裂纹在连接键的碰撞下会迅速扩展，最终出现疲劳断裂。

这种破坏机制的根本原因在于真空泵连接键与凸轮轴的键槽是点接触或者线接触，导致在很小的外部动载荷下，也会产生疲劳裂纹，最终出现疲劳失效。目前相关技术的一字形槽、十字槽、米字槽等能增加与连接键的接触面积，可以一定程度上提高凸轮轴的使用寿命，但上述现有技术仅考虑了凸轮轴的静强度设计而没有考虑疲劳强度，导致在实际工作过程中键槽位置还是会出现疲劳，仍没法规避键槽边缘的接触承载带来的应力集中导致疲劳破坏的问题，所以无法消除凸轮轴的转速波动，仍然会存在疲劳失效的风险。

为了解决现有技术中凸轮轴结构键槽处扭断的技术问题，本发明提供了一种凸轮轴，通过特殊的结构及参数设计可以实现稳定可靠的传递扭矩，避免了传统技术方案中凸轮轴失效的技术问题。下面通过3个实施例对本发明的内容进行详细介绍：

实施例1

如图1-图3所示，本发明提供的一种凸轮轴1，凸轮轴1的尾端15沿径向开设有键槽11，沿键槽11的长度方向，键槽11的两端均设置有扩口段13，且沿圆周至圆心方向，扩口段13的宽度逐渐减小，以使键槽11与连接键的接触位位于键槽11内，接触位处的壁厚较厚，使连接键21与凸轮轴1的键槽11的碰撞点避开壁厚最薄的键槽11边缘，这样可以更稳定地传递扭矩，避免键槽11边缘出现崩口。该键槽11可有效避免凸轮轴1转速波动引起的疲劳失效问题，从而保证凸轮轴1稳定可靠的驱动工作。本发明对扩口段13的形状以及结构不做具体限定，只要保证连接键21与键槽11共同转动时，两者的碰撞点位于键槽11的非边缘处即可。

为了减少材料浪费以及保证凸轮轴1尾端15的整体结构强度，本实施例中，扩口段13的扩口角为α，即扩口段13的侧壁与键槽11长度方向上之间的夹角，且α的范围为0°～30°(不包含0°)，比如5°、7°、10°、15°、20°、25°、28°、30°等，既能保证键槽11与连接键21在配合公差下的接触位始终位于键槽11内远离凸轮轴1圆周的位置，且整个键槽11的覆盖面积也比较小，降低对凸轮轴1强度的影响，α优选为5°～25°，比如12°、15°、17°、23°等。

出于加工工艺性的考虑，为了便于加工键槽11，同时实现减重，本实施例中优选地，沿凸轮轴1的径向，键槽11为通槽。当然在其他实施方式中，键槽11可以为凸轮轴1上的沉槽。本发明对键槽11的其他结构不做限定，键槽11可以仅为两段扩口段13，但此时由于键槽11与连接键21的接触位位于两段扩口段13的衔接转折处，结构较弱。如图3所示为了保证驱动稳定并提高凸轮轴1的结构强度，本实施例中，键槽11还包括直线段12，直线段12位于两段扩口段13之间，且直线段12分别连通两段扩口段13。例如，通过在直通槽的两端进行扩口，即可得到本实施例的键槽结构，如图1和图2所示。

由于键槽11为通槽，扩口段13的一端必然位于圆周上，此时扩口段13的深度对凸轮轴1的结构强度以及使用寿命有很大的影响，若扩口段13深度过小，键槽11与连接键21的接触位依然位于靠近圆周、壁厚较薄的薄弱部位；若扩口段13深度过大，在扩口角α超过一定范围后，扩口段13在凸轮轴1的尾端15的覆盖面积过大，会降低凸轮轴1的整体强度，且由于接触位过于靠近圆心，不利于扭矩的传递。为了保证凸轮轴1尾端15的连接强度、延长键槽11的寿命，本实施例中，扩口段13沿键槽11长度方向的尺寸b满足R/4≤b≤R/2，其中，R为凸轮轴1的尾端15的半径。

由于键槽11在圆心处传递的力矩较小，对驱动的影响小，为了省材减重，本实施例中在凸轮轴1的圆心处加工有工艺孔3，工艺孔3的直径可根据实际情况进行设计，本实施例中，工艺孔3的直径大于键槽11直线段12的宽度。

为了便于计算角度和设计，本实施例提供的凸轮轴1，扩口段13呈扇形；键槽11的根部通过根部圆角14与凸轮轴1连接过渡。

本实施例中，键槽11的数量为1个以上，对键槽11的数量不做限定，各个键槽11均沿凸轮轴1的径向设置，比如在凸轮轴1的尾端15形成一字形键槽11或十字形键槽11或米字形键槽11。

本实施例提供的一种抗疲劳失效的凸轮轴1，通过特殊的结构及参数设计使连接键21与凸轮轴1的键槽11的碰撞点位于键槽11壁厚较厚的位置，以避开键槽11边缘、避免键槽11边缘出现崩口，可以实现稳定可靠的传递扭矩，进而避免了传统技术方案疲劳失效的情况、保证凸轮轴1稳定可靠的驱动工作。

实施例2

基于同样的发明构思，本实施例提供一种发动机，包括实施例1提供的凸轮轴1，即该发动机中的凸轮轴的尾端15键槽采用实施例1提供的键槽结构，其他未做改动。

本发明对发动机的种类及类型不做具体限定，可以为现有技术中任一种发动机，该发动机的其他未详述结构均可参照现有技术的相关公开，此处不做展开说明。

实施例3

基于同样的发明构思，本实施例提供一种车辆，包括真空泵2以及实施例2提供的发动机，即该车辆的发动机的凸轮轴1采用实施例1中的凸轮轴1的结构，真空泵2上设置有用于与发动机的凸轮轴1的键槽11连接的连接键21。由于采用实施例1中的凸轮轴1，该车辆自然具有相应的所有技术效果。本发明对车辆的种类及类型不做具体限定，可以为现有技术中任一种车辆，比如普通乘用车、客运汽车、货车等，该车辆的其他未详述结构均可参照现有技术的相关公开，此处不做展开说明。

为了便于装配以及防止卡死的情况发生，键槽11的宽度通常大于连接键21沿径向的宽度，以预留尺寸公差和装配公差。研究发现引发目前凸轮轴尾端扭断技术问题的原因为：键槽11边缘的接触承载带来的应力集中导致的疲劳破坏，因此，解决上述技术问题的关键在于使连接键21与键槽11的碰撞位远离凸轮轴1的圆周边缘。

作为一种可选的实施方式，连接键21可采用短键，即连接键21的长度小于凸轮轴1的键槽的长度，使得连接键21与键槽11的接触位位于键槽内，如图6所示，通过增大尾端15的外径或者减小连接键21的外径，使凸轮轴1的尾端1515的半径R大于连接键21的外径，使连接键21与凸轮轴1键槽11的碰撞点避开键槽边缘，这样可以避免键槽边缘出现崩口，进而产生疲劳裂纹出现疲劳断裂失效。

作为另一种实施方式，本实施例中，连接键21采用长键，即连接键21的外径大于等于凸轮轴1的尾端15的半径R，沿凸轮轴1的径向，键槽11为通槽且包括直线段12以及位于直线段12两端的扩口段13，扩口段13沿键槽11长度方向的尺寸b满足R/4≤b≤R/2，如图5所示。

由于连接键21的外径大于凸轮轴1的尾端15的半径R，所以连接键21与键槽11的接触位位于凸轮轴1的圆周或扩口段13与直线段12的衔接处，为了避开键槽11的圆周边缘、保证键槽11与连接键21的接触位始终位于键槽11内壁厚较厚的位置，本实施例中，在凸轮轴1驱动真空泵2的工况下，连接键21与扩口段13之间的碰撞角β为0°＜β＜α，其中，α为扩口段13的扩口角，这样可确保连接键21与键槽11的碰撞位置在扩口段13靠近直线段12的内侧。

由于键槽11与连接键21之间存在配合公差，凸轮轴1驱动真空泵2的工况下，键槽11侧壁与连接键21侧面形成一个间隙角θ，本实施例中，碰撞角β＝α-θ，其中，θ为在凸轮轴1驱动真空泵2的工况下，连接键21与键槽11的长度方向之间的间隙角，保证α＞θ即可以确保β＞0°，则连接键21碰撞凸轮轴1的键槽11时碰撞点避开了键槽11边缘，而是集中在键槽11靠近中心的位置，由于新的碰撞点壁厚很厚，不会出现崩口，也就不会出现疲劳破坏。

本实施例中对扩口角α的大小不做具体限定，只需满足扩口角α大于间隙角θ，以使碰撞角β大于0°即可。由于间隙角随扩口段13深度b以及键槽11与连接键21的配合间隙变化而变化，连接键21与键槽11的尺寸关系影响车辆的工作参数，为了兼顾传动驱动的稳定性，本实施例中，优选地，间隙角θ的范围为1°～2°，扩口角α的范围为2°～30°，可根据间隙角的大小反向确定深度b和配合间隙值，以实现凸轮轴1的设计。

为了增大接触面积，避免凸轮轴1和连接键21因应力集中导致的疲劳，本实施例中，两个扩口段13的结构相同，且优选为中心对称结构，以保证朝一个方向转动时，键槽11的两个扩口段13均与连接键21接触，同时保证键槽11与连接键21的接触位位于键槽11内。

本发明实施例2和实施例3提供的发动机以及车辆，凸轮轴1均采用上述的凸轮轴1，使得凸轮轴1的键槽11与连接键21的碰撞点内移，新的碰撞点集中在键槽11靠近中心的位置，由于新的碰撞点处的壁厚较厚、巧妙避开了键槽11边缘，有效避免键槽11边缘因长期承载扭矩驱动力而出现崩口的技术问题。

通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

1)申请人在经过大量研究分析后发现，凸轮轴一直在输出扭矩较小的工况下使用，仍然可能出现键槽断裂的情况，因此通过对凸轮轴失效的断口特征和载荷特点分析引起键槽断裂的原因不是静扭强度，而是抗疲劳强度，具体的：凸轮轴键槽边缘的壁厚很薄，真空泵连接键与键槽碰撞时是点接触或者线接触，导致键槽边缘的碰撞位置很容易出现崩口，由于碰撞频率很高，键槽边缘又存在崩口，键槽根部很容易萌发疲劳裂纹，疲劳裂纹在连接键的碰撞下会迅速扩展，最终出现疲劳断裂。

2)本发明提供的凸轮轴，将直槽变为具有扩口段的键槽，使得凸轮轴的键槽与连接键的碰撞点内移，新的碰撞点集中在键槽靠近中心的位置，由于新的碰撞点处的壁厚较厚、巧妙避开了键槽边缘，有效避免键槽边缘因长期承载扭矩驱动力而出现崩口的技术问题、可以更稳定地传递扭矩，避免键槽边缘出现崩口，从而保证凸轮轴稳定可靠的驱动机械真空泵工作。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种凸轮轴，所述凸轮轴的尾端沿径向开设有键槽，其特征在于，沿所述键槽的长度方向，所述键槽的两端均设置有扩口段，且沿圆周至圆心方向，所述扩口段的宽度逐渐减小，以使所述键槽与连接键的接触位位于所述键槽内。

2.如权利要求1所述的凸轮轴，其特征在于，所述扩口段的扩口角为α，且α的范围为0°～30°。

3.如权利要求1所述的凸轮轴，其特征在于，所述键槽还包括直线段，所述直线段位于两段所述扩口段之间，且所述直线段分别与两段所述扩口段连通。

4.如权利要求3所述的凸轮轴，其特征在于，所述扩口段沿所述键槽长度方向的尺寸b满足R/4≤b≤R/2，其中，R为所述尾端的半径。

5.如权利要求1-4中任一项所述的凸轮轴，其特征在于，所述键槽为通槽。

6.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的凸轮轴。

7.一种车辆，其特征在于，包括真空泵以及权利要求6所述的发动机，所述真空泵上设置有用于与所述发动机的凸轮轴的键槽连接的连接键。

8.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，所述连接键与所述扩口段之间的碰撞角β为0°＜β＜α，其中，α为所述扩口段的扩口角。

9.如权利要求8所述的车辆，其特征在于，所述碰撞角β＝α-θ，其中，θ为在所述凸轮轴驱动所述真空泵的工况下，所述连接键与所述键槽的长度方向之间的间隙角，所述间隙角θ的范围为1°～2°，所述扩口角α的范围为2°～30°。

10.如权利要求7-9中任一项所述的车辆，其特征在于，所述连接键的长度不大于所述键槽的长度。

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