基于凸輪軸全工況載荷譜的疲勞壽命預測方法研究.pdf

1、凸輪軸是內燃機的關鍵零部件之一，內燃機工作過程中，凸輪表面和挺柱之間有很高的周期性接觸應力和較快的相對滑動速度，凸輪軸承受較大彎曲和扭轉負荷，凸輪軸的軸頸圓角處很容易出現(xiàn)應力集中，容易出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象。本文以凸輪軸作為研究對象，根據多質量動力學原理，應用AVL軟件建立了配氣機構一維動力學仿真分析模型，進行動力學分析，研究了凸輪軸在四種考核工況下的載荷特征；建立了凸輪軸、軸承座的三維實體模型，在此基礎上考慮凸輪軸與軸承座的裝配關系，建立了

2、凸輪軸組合結構的非線性有限元分析模型，進行了瞬態(tài)動力學仿真分析，研究了凸輪軸在四種考核工況下應力分布狀態(tài)、應力時變特性；基于應力時變特性結合四種考核工況所占時間比例，研究了應用雨流計數法建立凸輪軸全工況載荷譜的方法；考慮凸輪軸的載荷特征及材料特性，研究了使用應力－壽命疲勞曲線、線性累積法則、平均應力修正等疲勞分析理論預測凸輪軸壽命的方法。通過本文的研究得到了適用于凸輪軸的包含一維動力學仿真、三維瞬態(tài)有限元分析、疲勞載荷譜的建立、應力疲勞

3、分析等關鍵技術的凸輪軸疲勞壽命預測方法。
　　應用AVLTYCON軟件建立進氣閥系、排氣閥系、軸承、驅動機構等配氣機構組成部件，建立配氣機構一維仿真分析模型。并由配氣機構的四種考核工況：標定轉速工況、90％標定轉速工況、80%標定工況、最大扭矩工況，得到各凸輪與從動件接觸點處所受載荷及凸輪軸整體在工作過程中受到的扭矩。
　　使用Pro/E軟件分別建立了凸輪軸以及凸輪軸軸承座的三維實體模型，在前處理軟件ANSA軟件中，進行了凸

4、輪軸與軸承座的裝配，建立了非線性的接觸關系及約束，并進行了網格化分，由于瞬態(tài)有限元分析計算量較大，在保證求解精度的前提下盡量減小模型求解規(guī)模，在結構較為薄弱的軸頸過度圓角處采用了較為精細的網格。應用有限元分析軟件ANSYS對四種工況下的凸輪軸進行瞬態(tài)有限元分析，得到了凸輪軸在四種考核工況下應力分布狀態(tài)、應力時變特性，應力分布狀態(tài)表明凸輪軸應力集中部位主要在凸輪與凸輪軸頸的過渡圓角處，應力時變特性為載荷譜的編制提供了信號數據。
　　

5、在研究現(xiàn)有各疲勞分析方法的基礎上，考慮到凸輪軸在全工況下應力水平均處于彈性范圍內，選取名義應力法（S－N曲線法）作為凸輪軸的疲勞壽命預測方法；對比單參數和雙參數循環(huán)計數法，考慮到雙參數循環(huán)計數法能夠較為真實的再現(xiàn)變幅加載過程，采用雙參數循環(huán)計數法中的四點雨流計數法編制了凸輪軸載荷譜；將有限元瞬態(tài)分析結果加載到疲勞分析軟件NcodeDesignlife中，根據經驗公式及材料的疲勞特性，建立了凸輪軸材料的S－N曲線，建立S－N曲線疲勞分析模