基于凸輪軸全工況載荷譜的疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、凸輪軸是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，內(nèi)燃機(jī)工作過程中，凸輪表面和挺柱之間有很高的周期性接觸應(yīng)力和較快的相對滑動(dòng)速度，凸輪軸承受較大彎曲和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷，凸輪軸的軸頸圓角處很容易出現(xiàn)應(yīng)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(jù)多質(zhì)量動(dòng)力學(xué)原理，應(yīng)用AVL軟件建立了配氣機(jī)構(gòu)一維動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(shí)體模型，在此基礎(chǔ)上考慮凸輪軸與軸承座的裝配關(guān)系，建立了

2、凸輪軸組合結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析模型，進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，研究了凸輪軸在四種考核工況下應(yīng)力分布狀態(tài)、應(yīng)力時(shí)變特性；基于應(yīng)力時(shí)變特性結(jié)合四種考核工況所占時(shí)間比例，研究了應(yīng)用雨流計(jì)數(shù)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(yīng)力－壽命疲勞曲線、線性累積法則、平均應(yīng)力修正等疲勞分析理論預(yù)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(dòng)力學(xué)仿真、三維瞬態(tài)有限元分析、疲勞載荷譜的建立、應(yīng)力疲勞

3、分析等關(guān)鍵技術(shù)的凸輪軸疲勞壽命預(yù)測方法。
　　應(yīng)用AVLTYCON軟件建立進(jìn)氣閥系、排氣閥系、軸承、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等配氣機(jī)構(gòu)組成部件，建立配氣機(jī)構(gòu)一維仿真分析模型。并由配氣機(jī)構(gòu)的四種考核工況：標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況、90％標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況、80%標(biāo)定工況、最大扭矩工況，得到各凸輪與從動(dòng)件接觸點(diǎn)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(shí)體模型，在前處理軟件ANSA軟件中，進(jìn)行了凸

4、輪軸與軸承座的裝配，建立了非線性的接觸關(guān)系及約束，并進(jìn)行了網(wǎng)格化分，由于瞬態(tài)有限元分析計(jì)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(jié)構(gòu)較為薄弱的軸頸過度圓角處采用了較為精細(xì)的網(wǎng)格。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對四種工況下的凸輪軸進(jìn)行瞬態(tài)有限元分析，得到了凸輪軸在四種考核工況下應(yīng)力分布狀態(tài)、應(yīng)力時(shí)變特性，應(yīng)力分布狀態(tài)表明凸輪軸應(yīng)力集中部位主要在凸輪與凸輪軸頸的過渡圓角處，應(yīng)力時(shí)變特性為載荷譜的編制提供了信號(hào)數(shù)據(jù)。
　　

5、在研究現(xiàn)有各疲勞分析方法的基礎(chǔ)上，考慮到凸輪軸在全工況下應(yīng)力水平均處于彈性范圍內(nèi)，選取名義應(yīng)力法（S－N曲線法）作為凸輪軸的疲勞壽命預(yù)測方法；對比單參數(shù)和雙參數(shù)循環(huán)計(jì)數(shù)法，考慮到雙參數(shù)循環(huán)計(jì)數(shù)法能夠較為真實(shí)的再現(xiàn)變幅加載過程，采用雙參數(shù)循環(huán)計(jì)數(shù)法中的四點(diǎn)雨流計(jì)數(shù)法編制了凸輪軸載荷譜；將有限元瞬態(tài)分析結(jié)果加載到疲勞分析軟件NcodeDesignlife中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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