喷油泵凸轮轴有限元分析与可靠性提升方法

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喷油泵凸轮轴是发动机燃油供给系统的关键零件，喷油泵凸轮轴-旦出现失效将严重影响发动机的工作性能，甚至停机。

喷油泵凸轮轴的主要失效形式有磨损 、烧蚀和断裂等 ，其中断裂对发动机的影响最大，也是最常见的失效形式I 。引起凸轮轴失效的原因很多，有设计不当和制造T艺不良的原因，也有管理和使用不当的原因 。目前对喷油泵凸轮轴的研究主要集中在单个凸轮轴的力学分析及相应的优化设计和改进凸轮轴的加工 艺上。由于影响喷油泵凸轮轴断裂的原因很多，通过对凸轮轴的静 、动力学分析、疲劳和接触分析 味综合分析喷油泵凸轮轴失效的原因，并从设计、制造和使用方面提出了提升喷油泵凸轮轴可靠性的方法.从而为提高发动机整机可靠性提供了参考。

2喷油泵凸轮轴受力分析2.1喷油泵凸轮轴受力分析喷油泵凸轮轴的受力分析，如图1所示。由于滚轮和凸轮之间的作用力是相互的，故这里主要分析的是滚轮的受力情况。图中：疗-滚轮是受到的柱塞泵的油压的作用力； 滚轮受到凸轮的作用力； 衮轮受到侧壁的作用力，受力分析的重点是根据油压的大小来计算 的大校假设凸轮轴的转角为 0，滚轮与凸轮接触点 P与凸轮中心O 的连线 与接触点 P与滚轮中心连线之间的夹角为 ，接触点 P与滚轮中心 连线与 Y轴的夹角为 O/。当凸轮转过 0角时，由几何关系可得： - - (2)sina sin(fl- )flarcsin((dh/dO)/p) (3)式中：参数如图 1所示。其中， -凸轮升程； -油压对柱塞的作用面积。

由式(1)、(2)、(3)可以求出在任意凸轮转角下凸轮受到滚轮的力。

2.2喷油泵压力试验由于柱塞泵的油压在工作中是时刻变化的，且无明显规律，无法精确计算，在此通过试验的方法来确定柱塞泵油压的变来稿日期：2012-09-1l基金项目：国家科技重大专项(2Ol3ZX04013047)作者简介：刘勇军 ，(1978-)，男，河南正阳人，在读博士，讲师，主要研究方向：数控精密加T与可靠性范晋伟，(1965-)，男，河南西平人，博士生导师，教授，主要研究方向：精密与超精密加工32 刘勇军等：喷油泵凸轮轴有限元分析与可靠性提升方法 第7期化规律。

实验条件为：凸轮升程 10mm，最高喷射压力 IOOMPa，柱塞直径 10mm，额定转速 1600r/m，利用喷油泵试验台测得的柱塞泵内的压力变化曲线，如图 2所示。

喷油泵凸轮轴r轮/u图 1喷油泵凸轮轴受力分析Fig.1 Force Analysis of Fuel Pump Camshaf由图 2可见，喷油泵压力在凸轮转角大于52。时开始快速增加，在凸轮转角为 63。时达到最大值，最大值约为 95MPa，此时开始喷油，之后喷油泵压力迅速下降。凸轮转角 在(58-65)。时喷油泵的压力在 50MPa以上，而此转角范嗣内， 角的变化不大，所以凸轮受到喷油泵滚轮的最大作用力为喷油泵的最大压力所对应的转角处，即0为63。时，凸轮轴所受的力最大。

J，- --、～ ENDD0K，10，0，-ll，20 1定义点LARC，9，l，10，RO!做圆弧NUMCMP，ALL!压缩编号AL，l，2，3，4，5 1由线生成面3.3绘制中间圆柱截面CSYS，0 1笛卡尔坐标系K，20，0，0，0 1定义关键点CIRCLE，20，8.5 1由点做园NUMCMP，ALL!压缩编号AL，6，7，8，9 1由圆的4段线生成面!做圆柱截面AOFFST，2，36 1使用偏移做圆用同样的方法建立凸轮轴上各个中间圆柱截面。

3.4生成凸轮体并复制VOFFST，l，16 1拉生成凸轮体CSYS，l!选择柱坐标VGEN，4，1，0，0，，90，0 1旋转复制凸轮体CSYS，O!进入笛卡尔坐标系VGEN，2，2，0，0，0，0，30，0 1平移复制凸轮体VGEN，2，3，0，0，0，0，90，0VGEN，2，4，0，0，0，0，60，0VDELE，2，4，1，l!删除源凸轮NUMCMP，ALL!压缩编号3.5生成凸轮轴VOFFST，2，20 1拉伸圆柱WPOFFS，0，0，142 1平移工作平面CON4，0，0，8.5，6，18 1拉伸圆台NUMCMP，ALL!压缩体编号VADD，ALL!合并为-个体建立的喷油泵凸轮轴的三维模型，如图3所示。

图3凸轮轴三维模型Fig.3 3D Model of Camshaft4有限元分析4.1边界条件与载荷根据图 1的受力分析和图 3所建立的有限元实体模型，凸轮轴在进行有限元分析时两端轴承座处为固定约束。根据图 2及喷油泵的尺寸参数可计算出单个凸轮受到的最大载荷为 2685N，作用在凸轮转角 63。处，凸轮轴的材料为 45#钢。

4.2静力学分析静力学分析主要分析凸轮轴在受到喷油泵滚轮最大作用力下的应力和应变情况。由第 1节可知，凸轮在 为63。时受到的力最大 ，四缸发动机的点火顺序通常是 1-342，当其中-个缸为的凸轮转角为63。时，其前-个凸轮转角为 153。，后两个凸轮转∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 加 m-Bd 舞馨No.7July.2013 机 械设 计 与 制造 37表4在 A级路面，风速为2O.00(m/s)时，不同工况下的计算结果Tab.4 The Calculation Results Under Diferent Conditionsin the A-Class Road.Wind Speed was 20(m/s)其它 素I.睨 纵向滑移临 发生侧滑临 发生侧翻If每界界车速(km/h)界车速(km/1) 车速(kin&)5结束语(1)对改装车计算模型进行参数化设计，可以建立公共开发平台，可缩短设计开发周期，降低设计开发成本。

(2)进-步还可以用动力学分析软件(如 adams)进行改装车运动学和动力性分析，并进行联合仿真和优化。