凸轮轴作为汽车发动机的五大关键部件之一,直接控制气缸的进排气,影响着发动机的燃油效率和动力性。装配式中空凸轮轴作为一种先进的凸轮轴制造技术,具有质量轻、结构设计灵活和材料利用合理等优点,满足当前节能减排的发展需求,已广泛应用于国内外高性能汽车发动机。在装配式中空凸轮轴制备过程中,由于凸轮与钢管进行机械过盈配合,凸轮要承受过盈产生径向压力,而且凸轮轴工作时,凸轮的桃形曲面要承受周期性的接触载荷和快速滑动,要保证尺寸精度和使用寿命,要求凸轮表面具有较好的耐磨性、较高的硬度。为了使凸轮表面保持烧结硬化材料的高硬度、高耐磨性和较低的张应力,有研粉末(北京)新材料有限公司的研发人员提出采用层状复合材料的原理,将凸轮芯部采用高韧性的粉末冶金材料和凸轮表层采用高硬度、高密度的烧结硬化材料组合烧结,通过高温液相而形成冶金结合,从而可制成具有层状结构的粉末冶金复合凸轮,可实现表面硬度和内部韧性的同时提高。粉末冶金层状复合凸轮在与芯管滚花装配,芯部高塑、韧性较好的粉末冶金材料将对装配内应力进行有效吸收,缓解外层凸轮材料所受内应力。但是,目前对于凸轮材料和结构对研究尚少,特别是针对粉末冶金复合凸轮的材料性能和层状结构对装配内应力影响尚无报道。因此,本文通过分析装配式中空凸轮轴中的凸轮过盈装配过程,研究其装配过程中凸轮的受力情况,进行了合理简化,利用三维有限元软件ABAQUS,建立了复合凸轮与芯管的过盈装配模型,利用该模型模拟分析装配过程中复合凸轮的等效应力分布规律以及内层材料特性、内层厚度以及层状结构结合形式等对复合凸轮装配内应力的影响规律,并实验验证了模型的适用性。利用得到的相关参数规律,结合粉末冶金复合凸轮的制备工艺,对粉末冶金复合凸轮制备进行了工艺参数优化。得到以下结论:(1)利用有限元分析ABAQUS软件建立了粉末冶金层状复合凸轮过盈装配模型,模拟分析了过盈装配过程中粉末冶金复合凸轮的装配压力和凸轮外表面环向应力,并通过相关的粉末冶金复合凸轮与芯管的过盈装配实验进行验证,数据差值均在5%范围内,实验结果与模拟结果基本一致,建立的粉末冶金复合凸轮过盈装配模型模型是适用于粉末冶金复合凸轮过盈装配,可以用于分析相关参数的影响规律;(2)分别采用粉末冶金材料(Fe-Cu-C)和45#钢作为粉末冶金复合凸轮内层材料,进行了过盈装配模拟分析,可以得出:在相同过盈量为0.08mm下,当粉末冶金复合凸轮的内层材料为粉末冶金材料(Fe-Cu-C)时,凸轮装配内应力从与芯管的接触应力372MPa缓解到表面应力114MPa,当内层材料为45#钢时,凸轮的装配内应力从与芯管的接触应力380MPa缓解到表面应力297MPa,最终凸轮的表面应力前者仅为后者的38%。粉末冶金材料(Fe-Cu-C)更适合作为粉末冶金复合凸轮的内层材料,可将产生的接触应力逐步缓解,应力经过层层递减,更好地缓解应力;(3)根据粉末冶金复合凸轮粉末冶金(Fe-Cu-C)内层制备方法,研究了相关的工艺参数,模拟分析了内层材料特性、内层厚度以及内外层层间结合方式与装配内应力的关系,并进行了相关工艺参数下过盈装配实验,可以得出:内层材料在屈服强度在405MPa以上时,复合凸轮内层不会发生断裂失效;弹性模量较小时,缓减应力效果较好;粉末冶金复合凸轮内层厚度在1.75~2.25mm范围内时,凸轮不会发生断裂失效,且内层厚度为2.05mm时,内层缓解应力效果最佳;与机械过盈结合方式相比,粉末冶金复合凸轮通过高温液相冶金结合具有更好的缓减应力效果。