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某发动机凸轮轴断裂原因分析及改进

李相旺，张志明，黄凤琴，李欣，黄河清，王雄

(东风汽车公司技术中心，湖北省武汉市，430058)

摘要：某汽油机台架耐久试验中，出现进气凸轮轴末端断裂导致信号盘掉落现象。通过仿真

手段分析凸轮轴与钢球过盈量、钢球压入深度及凸轮轴退刀槽尺寸等因素对凸轮轴退刀槽局

部应力的影响找出失效的可能原因并提出优化方案。优化方案经试验验证未再出现类似问

题，证明优化方案有效。

关键词：进气凸轮轴；退刀槽；断裂；过盈量；压入深度；

1引言

某发动机配气机构采用四气门双顶置凸轮轴直接驱动，在发动机台架耐久试验过程中，

连续四台份出现进气凸轮轴前端断裂，信号盘脱落现象，断裂位置为凸轮轴退刀槽处，如图

1所示。

图1进气凸轮轴断裂失效

2原因初步分析

经初步分析，排除了零件本身质量及尺寸超差、信号盘压装不对中、台架及试验环境不

正常等影响因素，于是借助仿真手段研究凸轮轴与钢球过盈量、钢球压入深度及凸轮轴退刀

槽尺寸等因素对凸轮轴局部应力及强度的影响，进而找出失效原因并给出优化建议。

3仿真分析

进气凸轮轴末端结构示意图如图2所示，包括凸轮轴、钢球以及信号盘，进气凸轮轴材

料为HT250，钢球材料为45号钢，信号盘材料为粉末冶金，材料参数如表1。其中凸轮轴

外表面和信号盘、凸轮轴内表面和钢球都为过盈配合。

图2进气凸轮轴末端结构示意图

表1材料参数

零部件牌号弹性模量(MPa)泊松比密度(t/mm3)

凸轮轴HT2501.25×1060.267.2×10-9

钢球45#2.1×1060.37.85×10-9

信号盘

粉末冶金

F0003J

9.8×1050.37.2×10-9

选取进气凸轮轴前端一部分、钢球以及信号盘进行有限元建模如图3所示，其中凸轮轴

分三段建模，第一段是最前端和信号盘接触部分，采用全六面体网格；第二部分主要包含凸

轮轴退刀槽及附近区域，也是全六面体网格，这部分网格进行细化；其它区域为第三部分。

钢球建模时和退刀槽接触部分及邻近区域都采用六面体网格，为了使钢球外表面圆弧度更

好，钢球和凸轮轴内表面接触更接近真实状态，钢球六面体网格尺寸为0.5mm。整个模型

网格数约460000，节点数约240000。

图3进气凸轮轴强度分析有限元模型

3.1过盈量影响分析

钢球和凸轮轴内孔为过盈配合，过盈量为[0.1,0.135]mm，通过对八款竞品的过盈量分

析发现所有机型钢球和凸轮轴内控过盈量都小于这个数值，因此怀疑过盈量过大是造成断裂

的原因之一。为了研究不同过盈量对退刀槽处应力影响，分别对最大最小以及假设过盈量进

行建模计算。图4为不同过盈量对退刀槽圆角处局部应力影响，因为材料假设为线弹性，所

以实际应力水平远小于这里仿真结果，但通过仿真结果可以研究各因素对退刀槽圆角处应力

影响。可以看到，随着过盈量减小，退刀槽及附近区域应力急剧减小，且最大应力和过盈量

基本呈线性正相关关系，退刀槽圆角处应力对过盈量非常敏感。

图4不同过盈量对退刀槽应力影响

3.2钢球压入深度影响分析

从图4可看出，钢球及凸轮轴内孔接触位置和退刀槽圆角处基本处于同一水平线，应力

集中区域也基本在这一水平线上，故推测钢球在凸轮轴孔内的压入深度也会对退刀槽处应力

产生影响。为了研究钢球不同压入深度对退刀槽应力影响，分别建模进行不同钢球压入深度

计算。如图5所示，随着压入深度加深，

1)钢球对凸轮轴应力影响范围下移；

2)退刀槽应力减小，并且此处应力变化随深度变化敏感度降低。

图5不同钢球压入深度对退刀槽应力影响

3.3退刀槽尺寸影响分析

为了研究退刀槽尺寸包括圆角半径和深度对退刀槽应力影响，将退刀槽圆角半径从0.5

mm增大到0.8mm，将深度从0.5mm减小到0.3mm，分别建模进行计算。如图6所示，在

退刀槽处选择三个节点，进行应力对比。圆角半径增大并且深度减小后，退刀槽处应力约减

小为原来的0.68倍。

图6不同退刀槽尺寸对退刀槽应力影响

3.4信号盘离心力影响计算

由于凸轮轴信号盘最高转速可达到3000rpm，且信号盘的质心和凸轮轴横截面圆心不

在同一条直线上，所以单独就信号盘离心力对退刀槽应力的影响进行了手动计算，如表2。

表2信号盘离心力对退刀槽应力影响计算

信号盘质心距几何中应力总影响

信号盘质量(kg)离心力(N)退刀槽剪应力（MPa）退刀槽正应力(MPa)

心距离（mm）(MPa)

9.6×10-21.8117.11.10.92.4

可以看出，信号盘离心力对退刀槽处应力影响很小，可忽略不计。

3.5原方案及优化方案对比

从以上分析可看出，钢球过盈量、压入深