Automobile Technology & Material
鼓式制动器制动凸轮轴轻量化方法
摘要：针对目前行业中鼓式制动器总成普遍采用的锻造凸轮轴进行轻量化工作，锻造凸轮轴普遍存在锻造毛坯重量大、生产节拍慢、热处理成本高等问题。为解决上述问题，同时保证新设计零件的扭转刚度及疲劳寿命不小于现采用产品，从结构优化、材料替代和改进工艺三方面开发了空心铸造凸轮轴，取得了较为显著的降重、降成本效果。
ADI
关键词：制动凸轮轴 空心铸造结构 材料
中图分类号：U466 文献标识码：B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20190004
1 前言
近年来，为了节约燃料和适应环保法规对废气排放的严格限制，汽车结构的轻量化显得日益重要。通过采用替代材料、改进设计或者采用先进的制造工艺等各种途径制造轻量化汽车。减轻结构重量有二种方法：一是采用轻合金和非金属材料，如铝合金、镁合金、钛合金、工程塑料和复合材料等；二是采用空心变截面结构，既可减轻重量节约材料又可以充分利用材料的强度和刚度。制动凸轮轴作为鼓式制动器中扭矩传递的重要零部件一般需具有较高
40 Cr的强度及抗扭能力，目前主要采用 锻造加工的方式制造，重量及成本均较高。故采用空心铸造方案进行设计，极大的降低了重量及成本。
2 行业现状
制动凸轮轴作为鼓式制动器中扭矩传递的重要零部件，目前市场多为实心锻造结构并进行相
1
应的热处理工艺，图 为目前轻型车前轴采用的制
10
动凸轮轴，为实心锻造 齿直花键结构。市场也少量存在焊接结构或者锻压空心结
2
构。图 是部分厂家将凸轮与花键部分单独制造的凸轮轴，其中间轴段采用钢管，三者焊接成型。部分厂家直接采用钢管材料锻压成凸轮形状，轴杆段仍保留钢管。上述焊接结构工艺复杂，焊接过程同轴度不易保证，锻压过程容易产生气孔。针对行业现状，设计开发了空心铸造结构制动凸轮轴。
3 轻量化方案3.1 轻量化结构设计
根据现有实心模型，对凸轮轴进行轻量化设计，主要思路为通体轴杆设计为空心结构，凸轮设计为随外形的空心盲孔结构。由于凸轮侧及花键侧与制动蹄片及调整臂连接传递扭矩，故两位置
10
设计空心内径减小。花键位置将实心结构中的
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齿直花键更改为 齿渐开线花键结构，增加局部
3。最终为达到相应的轻量化目的同时
强度，见图考虑目前行业铸造水平，空心设计后壁厚最小值
4.5 mm。
为
3.2 材料选取
对比几种常见的铸造材料的力学性能以便选择适合我们需要的材料，轴杆部位空心设计后为保证强度，应适当选用强度较高的铸造材料。1
通过对表 中各种材料的比较我们发现，等温
淬火球墨铸铁材料（ADI）的强度高、塑性好，在同等延长率的情况下，ADI
的抗拉强度是普通球铁的
2
倍；在同等抗拉强度情况下，延长率是普通球铁
2
的 倍以上。选用材料一般以屈服强度为基数，
ADI ADI
屈强比钢高，故 强度利用率高，就强度而ADI
言 优于调质处理的碳钢，与低合金钢相当并具有很高的弯曲疲劳和接触疲劳强度等动载性
能。ADI
因为含有石墨，同样尺寸的零件一般较钢
10%，这对于需要减轻质量的汽车是很有意义
件轻
ADI
的。因为 强度高且质量轻，所以具有高的单
ADI
位质量屈服强度。此外，由于 具有较好的铸造性和生产的灵活性使其更易设计最优的零件，较之锻件更易于生产近无余量零件。相对于其它
材料，ADI
的性价比最好。
ADI
综上所述，通过材料的对比选择 作为铸造
40 Cr
凸轮轴的材料。原方案材料 （抗拉强度为
980 MPA）安全系数最小值为2.63，相对较高。轻量
化设计后轴杆部材料去除较多，同时考虑花键位置及凸轮位置与制动器部件存在接触应力，故需
40 Cr
要较高的表面强度，原 样件对上述部位进行
56 HRC。凸轮轴工作状态
热处理，表面硬度达到为扭转工况，故需要一定的韧性即材料延长率。综合考虑空心铸造凸轮轴选用材料牌号初选为
QTD1200-3，硬度水平能达到（340~420）HBW
范围内，同时具备一定的延长率。
3.3 有限元计算
采用轻量化方案的空心凸轮轴按照目前搭建的凸轮轴扭转试验台三维模型，以制动器总成在卸
0.85 MPA下能提供的最大扭矩（1 250 N·m）
荷压力作为输入，约束试验夹具的全部自由度，约束凸轮轴花键端及与之配合的调整臂蜗轮的除旋转方向的其他所有自由度进行有限元计算。在输入条件下计算得出安全系数满足设计
4
需求，故按此方案进行后续试制工作，见图 及
5。
图
4 试制试验4.1 方案试制
4.1.1
试制工艺流程铸造凸轮轴方案采用铁系覆膜砂(壳型铸造)工艺铸造，铸造完成后对样件进行加工，加工后放
3
入井式热处理炉进行等温淬火（共 炉，第一炉升
900 ℃使材料奥氏体化，第二炉采用亚硝酸盐
温至
400 ℃等温退火使材料贝氏体化），等
降温，第三炉
6
温淬火过程如图 所示。由于等温淬火过程会导致零件产生不规则变形，故热处理后需要增加一道精磨工序，保证产品尺寸符合图纸要求。4.1.2
试制样件检验
7
对图 的试制样件进行了金相组织与力学性
2、表3 8。
能的检测，检测结果见表 及图
4.2 台架试验
制动凸轮轴作为制动器传递扭矩的主要部件，设计安全寿命应大于目前行业要求的制动器
20
总成的 万次寿命。由于目前行业没有单独针对制动凸轮轴的台架试验标准，根据实际使用工况，对轻量化凸轮轴设置初始扭转疲劳寿命指标为
100
万次[1]
。9。制
试验方案为扭转疲劳试验，试验台见图
0.85 MPA
动器总成在卸荷压力 下能提供的最大扭
M，疲劳试验按照最小试验扭矩0.1 M，最大试
矩为
1.0 M (1～3) Hz
验扭矩 ，试验频率： 直至样品失效。上述三件试制样品均通过台架试验验证。
按照上述试验大纲进行了多轮试验，均发生
88
不同形式的失效，试验寿命最大值达到 万次，失效位置位于花键位置，失效形式为螺旋状裂纹，见
10。
图针对多次失效情况，确认失效原因为材料选
QTD 1200-3
取问题，材料 断后延长率过低以及材
QT 800-5，
料韧性过低。故新试制样品材料选取经过试制检查、材料检验合格后再次进行台架试验，三件样品顺利通过了扭转试验验证，寿命达到
100
了 万次。
5 方案推广
根据凸轮轴轻量化设计经验，复制到制动滚轮与蹄片轴两种制动器零件，目前加工工艺均为钢棒机加后热处理，对其进行相应轻量化工作，同
QTD 1200-3 11。目前样采用 材料铸造成型，见图已通过试验验证并已批量装车。经统计，上述三种零件空心铸造凸轮轴、滚
50%
轮、蹄片轴均取得近 的降重效果，整车降重
4.74 kg(见表4)，成品供货价格降低72.42
元。
6 总结
本文介绍了对于制动凸轮轴由锻造更改为铸
40 Cr QTD 1200-3，最终选
造工艺、材料由 更换为
QT 800-5，从实心结构优化为空心结构的设计
取
CAE
过程。对于轻量化方案进行 分析，结构进一步优化，以及后续整个试制试验过程。制动凸轮轴通过结构设计、材料工艺改进等轻量化过程，经试验验证满足设计要求，取得了较大幅度的降重和降成本效果。
参考文献：
[1] 张仲江, 杨勇新, 张辉, 等. 焊接式空心凸轮轴的开发[J]. 汽车实用技术, 2014,（12）：59-60.