減輕結(jié)構(gòu)重量有二種方法：

一是采用輕合金和非金屬材料，如鋁合金、鎂合金、鈦合金、工程塑料和復(fù)合材料等；

二是采用空心變截面結(jié)構(gòu)，既可減輕重量節(jié)約材料又可以充分利用材料的強(qiáng)度和剛度。

制動凸輪軸作為鼓式制動器中扭矩傳遞的重要零部件一般需具有較高的強(qiáng)度及抗扭能力，目前主要采用40Cr鍛造加工的方式制造，重量及成本均較高。故采用空心鑄造方案進(jìn)行設(shè)計，極大的降低了重量及成本。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

制動凸輪軸作為鼓式制動器中扭矩傳遞的重要零部件，目前市場多為實心鍛造結(jié)構(gòu)并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理工藝，圖1為目前輕型車前軸采用的制動凸輪軸，為實心鍛造10齒直花鍵結(jié)構(gòu)。

圖1 現(xiàn)采用實心鍛造凸輪軸

市場也少量存在焊接結(jié)構(gòu)或者鍛壓空心結(jié)構(gòu)。圖2是部分廠家將凸輪與花鍵部分單獨制造的凸輪軸，其中間軸段采用鋼管，三者焊接成型。部分廠家直接采用鋼管材料鍛壓成凸輪形狀，軸桿段仍保留鋼管。上述焊接結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，焊接過程同軸度不易保證，鍛壓過程容易產(chǎn)生氣孔。針對行業(yè)現(xiàn)狀，設(shè)計開發(fā)了空心鑄造結(jié)構(gòu)制動凸輪軸。

圖2 市場鍛壓空心凸輪軸及剖面圖

2 輕量化方案

2.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有實心模型，對凸輪軸進(jìn)行輕量化設(shè)計，主要思路為通體軸桿設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)，凸輪設(shè)計為隨外形的空心盲孔結(jié)構(gòu)。由于凸輪側(cè)及花鍵側(cè)與制動蹄片及調(diào)整臂連接傳遞扭矩，故兩位置設(shè)計空心內(nèi)徑減小。花鍵位置將實心結(jié)構(gòu)中的10齒直花鍵更改為24齒漸開線花鍵結(jié)構(gòu)，增加局部強(qiáng)度，見圖3。最終為達(dá)到相應(yīng)的輕量化目的同時考慮目前行業(yè)鑄造水平，空心設(shè)計后壁厚最小值為4.5 mm。

圖3 凸輪軸輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.2 材料選取

對比幾種常見的鑄造材料的力學(xué)性能以便選擇適合我們需要的材料，軸桿部位空心設(shè)計后為保證強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)選用強(qiáng)度較高的鑄造材料。

表1 幾種常用材料的力學(xué)性能

通過對表1中各種材料的比較我們發(fā)現(xiàn)，等溫淬火球墨鑄鐵材料（ADI）的強(qiáng)度高、塑性好，在同等延長率的情況下，ADI的抗拉強(qiáng)度是普通球鐵的2倍；在同等抗拉強(qiáng)度情況下，延長率是普通球鐵的2倍以上。選用材料一般以屈服強(qiáng)度為基數(shù)，ADI屈強(qiáng)比鋼高，故ADI強(qiáng)度利用率高，就強(qiáng)度而言ADI優(yōu)于調(diào)質(zhì)處理的碳鋼，與低合金鋼相當(dāng)并具有很高的彎曲疲勞和接觸疲勞強(qiáng)度等動載性能。ADI因為含有石墨，同樣尺寸的零件一般較鋼件輕10%，這對于需要減輕質(zhì)量的汽車是很有意義的。因為ADI強(qiáng)度高且質(zhì)量輕，所以具有高的單位質(zhì)量屈服強(qiáng)度。此外，由于ADI具有較好的鑄造性和生產(chǎn)的靈活性使其更易設(shè)計最優(yōu)的零件，較之鍛件更易于生產(chǎn)近無余量零件。相對于其它材料，ADI的性價比最好。

綜上所述，通過材料的對比選擇ADI作為鑄造凸輪軸的材料。原方案材料40 Cr（抗拉強(qiáng)度為980 MPa）安全系數(shù)最小值為2.63，相對較高。輕量化設(shè)計后軸桿部材料去除較多，同時考慮花鍵位置及凸輪位置與制動器部件存在接觸應(yīng)力，故需要較高的表面強(qiáng)度，原40 Cr樣件對上述部位進(jìn)行熱處理，表面硬度達(dá)到56 HRC。凸輪軸工作狀態(tài)為扭轉(zhuǎn)工況，故需要一定的韌性即材料延長率。綜合考慮空心鑄造凸輪軸選用材料牌號初選為QTD1200-3，硬度水平能達(dá)到（340～420）HBW范圍內(nèi)，同時具備一定的延長率。

2.3 有限元計算

采用輕量化方案的空心凸輪軸按照目前搭建的凸輪軸扭轉(zhuǎn)試驗臺三維模型，以制動器總成在卸荷壓力0.85 MPa下能提供的最大扭矩（1 250 N·m）作為輸入，約束試驗夾具的全部自由度，約束凸輪軸花鍵端及與之配合的調(diào)整臂蝸輪的除旋轉(zhuǎn)方向的其他所有自由度進(jìn)行有限元計算。

在輸入條件下計算得出安全系數(shù)滿足設(shè)計需求，故按此方案進(jìn)行后續(xù)試制工作，見圖4及圖5。

圖4 原方案有限元計算結(jié)果

圖5 空心凸輪軸安全系數(shù)及Mises應(yīng)力

3 試制試驗

3.1 方案試制

3.1.1 試制工藝流程

鑄造凸輪軸方案采用鐵系覆膜砂(殼型鑄造)工藝鑄造，鑄造完成后對樣件進(jìn)行加工，加工后放入井式熱處理爐進(jìn)行等溫淬火（共3爐，第一爐升溫至900℃使材料奧氏體化，第二爐采用亞硝酸鹽降溫，第三爐400℃等溫退火使材料貝氏體化），等溫淬火過程如圖6所示。由于等溫淬火過程會導(dǎo)致零件產(chǎn)生不規(guī)則變形，故熱處理后需要增加一道精磨工序，保證產(chǎn)品尺寸符合圖紙要求。

圖6 等溫淬火過程示意圖

3.1.2 試制樣件檢驗

對圖7的試制樣件進(jìn)行了金相組織與力學(xué)性能的檢測，檢測結(jié)果見表2、表3及圖8。

圖7 試制樣品

3.2 臺架試驗

制動凸輪軸作為制動器傳遞扭矩的主要部件，設(shè)計安全壽命應(yīng)大于目前行業(yè)要求的制動器總成的20萬次壽命。由于目前行業(yè)沒有單獨針對制動凸輪軸的臺架試驗標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際使用工況，對輕量化凸輪軸設(shè)置初始扭轉(zhuǎn)疲勞壽命指標(biāo)為100萬次[1]。

表2 金相組織

表3 布氏硬度檢驗結(jié)果

圖8 石墨形貌100倍及基體組織500倍

試驗方案為扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，試驗臺見圖9。制動器總成在卸荷壓力0.85 MPa下能提供的最大扭矩為M，疲勞試驗按照最小試驗扭矩0.1 M，最大試驗扭矩1.0 M，試驗頻率：(1～3)Hz直至樣品失效。上述三件試制樣品均通過臺架試驗驗證。

圖9 凸輪軸試驗臺

按照上述試驗大綱進(jìn)行了多輪試驗，均發(fā)生不同形式的失效，試驗壽命最大值達(dá)到88萬次，失效位置位于花鍵位置，失效形式為螺旋狀裂紋，見圖10。

圖10 凸輪軸失效形式

針對多次失效情況，確認(rèn)失效原因為材料選取問題，材料QTD 1200-3斷后延長率過低以及材料韌性過低。故新試制樣品材料選取QT 800-5，經(jīng)過試制檢查、材料檢驗合格后再次進(jìn)行臺架試驗，三件樣品順利通過了扭轉(zhuǎn)試驗驗證，壽命達(dá)到了100萬次。

4 方案推廣

根據(jù)凸輪軸輕量化設(shè)計經(jīng)驗，復(fù)制到制動滾輪與蹄片軸兩種制動器零件，目前加工工藝均為鋼棒機(jī)加后熱處理，對其進(jìn)行相應(yīng)輕量化工作，同樣采用QTD 1200-3材料鑄造成型，見圖11。目前已通過試驗驗證并已批量裝車。

圖11 滾輪與蹄片軸輕量化方案

經(jīng)統(tǒng)計，上述三種零件空心鑄造凸輪軸、滾輪、蹄片軸均取得近50%的降重效果，整車降重4.74 kg(見表4)，成品供貨價格降低72.42元。

表4 三種零件降重統(tǒng)計

5 總結(jié)

本文介紹了對于制動凸輪軸由鍛造更改為鑄造工藝、材料由40 Cr更換為QTD 1200-3，最終選取QT 800-5，從實心結(jié)構(gòu)優(yōu)化為空心結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程。對于輕量化方案進(jìn)行CAE分析，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，以及后續(xù)整個試制試驗過程。制動凸輪軸通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料工藝改進(jìn)等輕量化過程，經(jīng)試驗驗證滿足設(shè)計要求，取得了較大幅度的降重和降成本效果。