發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸與搖臂滾子接觸應(yīng)力試驗(yàn)研究

丁志強(qiáng), 王奔， 劉世鋒， 張學(xué)龍

（重型專用車發(fā)動(dòng)機(jī)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243000）

0 引 言

配氣機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)中2個(gè)主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之一[1]，配氣機(jī)構(gòu)失效會(huì)造成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)失效。在整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)中，搖臂滾子與凸輪軸接觸失效是經(jīng)常發(fā)生的失效形式，其原因是搖臂滾子與凸輪軸之間傳遞較大的氣門開啟力，而且滾子通常會(huì)設(shè)計(jì)為鼓形，局部接觸應(yīng)力非常大，在兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)表面剝落和點(diǎn)蝕等故障，最終會(huì)造成配氣機(jī)構(gòu)失效。文獻(xiàn)[2]對(duì)凸輪軸及滾子失效進(jìn)行了分析，結(jié)果表明接觸應(yīng)力過(guò)大是造成凸輪軸及滾子失效的原因。文獻(xiàn)[3]從設(shè)計(jì)和試驗(yàn)等方面對(duì)搖臂滾子的斷裂原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)論顯示配氣結(jié)構(gòu)布置不合理是造成搖臂滾子失效的原因。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)說(shuō)明了配氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真方法。本文借助現(xiàn)代先進(jìn)的模擬仿真技術(shù)與先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)搖臂滾子與凸輪軸之間的接觸應(yīng)力進(jìn)行研究分析。

1 測(cè)試方法與原理

配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，其中搖臂、滾子和凸輪都處在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，凸輪與滾子之間需要傳遞較大的氣門開啟力[6]。針對(duì)配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試可以獲得比較準(zhǔn)確的力學(xué)特性參數(shù)，是一種可靠性和準(zhǔn)確性都比較高的研究方法。在配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)研究過(guò)程中，氣門的升程、氣門的落座速度和氣門的運(yùn)動(dòng)加速度是主要研究參數(shù)，這3個(gè)參數(shù)能準(zhǔn)確描述整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也可以作為配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)[7]。但是氣門在正常工作過(guò)程中處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直接測(cè)量其運(yùn)動(dòng)參數(shù)非常困難，一般采用無(wú)接觸渦流傳感器來(lái)測(cè)量，即便如此測(cè)量，還是難以保證得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本文把測(cè)量氣門的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為參考值，主要通過(guò)研究滾子與凸輪軸的接觸應(yīng)力來(lái)研究配氣機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)特性。正常工作過(guò)程中，搖臂滾子與凸輪軸都處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，直接測(cè)量?jī)烧咧g的接觸壓力是不現(xiàn)實(shí)的。本文采用一種間接測(cè)量[8]的方法來(lái)測(cè)量搖臂滾子與凸輪軸之間的接觸壓力。

間接測(cè)量的具體方法是把搖臂滾子與凸輪軸之間的接觸壓力與搖臂結(jié)構(gòu)上的局部應(yīng)力建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，如此便可以通過(guò)測(cè)量搖臂上的局部應(yīng)力來(lái)間接測(cè)量?jī)烧咧g的接觸壓力。首先通過(guò)模擬計(jì)算確定氣門開啟力Fv與搖臂滾子接觸壓力[4-6]之間的關(guān)系系數(shù)Sc。關(guān)系系數(shù)Sc可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定，也可以利用目前比較先進(jìn)的模擬計(jì)算技術(shù)通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。因?yàn)榇_定Sc值需要一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多Sc越準(zhǔn)確，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法成本比較大，本文選擇通過(guò)模擬計(jì)算的方法來(lái)確定Sc。

通過(guò)模擬計(jì)算來(lái)確定搖臂局部應(yīng)力與滾子接觸力之間的關(guān)系系數(shù)Sc的具體方法如下：

式中：σcal表示模擬計(jì)算應(yīng)力值；Fcal表示模擬計(jì)算輸入氣門力。

當(dāng)Sc確定后，就可以通過(guò)測(cè)量氣門開啟力Fmeas來(lái)計(jì)算搖臂滾子的實(shí)際接觸應(yīng)力：

式中：σmeas為搖臂滾子的實(shí)際接觸應(yīng)力；Fmeas為測(cè)量氣門開啟力。

在式（2）中，氣門開啟力Fmeas的值可以通過(guò)測(cè)量搖臂上的應(yīng)力計(jì)算推導(dǎo)，如此便可以通過(guò)測(cè)量搖臂上的局部應(yīng)力來(lái)間接測(cè)量計(jì)算搖臂滾子接觸應(yīng)力。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 硬件準(zhǔn)備

發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，搖臂主要受到氣門彈簧力、氣門力（氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力）及搖臂與搖臂軸之間的摩擦力的作用，搖臂所受的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，存在較大的彎矩，而且由于搖臂的設(shè)計(jì)并不是完全對(duì)稱的，所以搖臂同時(shí)還受到部分轉(zhuǎn)矩作用。本文在測(cè)試過(guò)程中，主要測(cè)量搖臂的應(yīng)變，應(yīng)變片參數(shù)如表1所示，測(cè)量電橋原理如圖1和圖2所示，搖臂應(yīng)變橋路在搖臂上的安裝如圖3所示。因?yàn)閾u臂安裝在罩殼內(nèi)，受一定的溫度作用，為了補(bǔ)償溫度對(duì)應(yīng)變片的影響，應(yīng)變測(cè)試選用全橋電路測(cè)試。

表1 應(yīng)變片參數(shù)

圖1 測(cè)量彎矩應(yīng)變片布置示意圖

圖2 測(cè)量應(yīng)變電橋接線示意圖

圖3 搖臂應(yīng)變電橋及配氣機(jī)構(gòu)安裝

2.2 剛度測(cè)量和橋路標(biāo)定

對(duì)于頂置配氣機(jī)構(gòu)來(lái)講，整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)中主要零部件包括氣門、氣門彈簧、搖臂、搖臂軸、滾子和凸輪軸，可見配氣機(jī)構(gòu)的組成非常復(fù)雜，并不可以把其看作一個(gè)非剛性系統(tǒng)。所以在對(duì)配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，要把其看作一個(gè)彈性系統(tǒng)。

配氣機(jī)構(gòu)中的各運(yùn)動(dòng)部件會(huì)發(fā)生彈性變形或者彈跳，這會(huì)造成凸輪型線的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生畸變，最終造成實(shí)際測(cè)試得到氣門行程曲線與理論設(shè)計(jì)值存在一定的偏移量。在模擬計(jì)算中需要輸入的一個(gè)重要的參數(shù)是配氣機(jī)構(gòu)的整體剛度，這個(gè)剛度值可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到。本文采用機(jī)械測(cè)量法來(lái)得到該剛度值，具體方法是將應(yīng)變片貼到試驗(yàn)搖臂相應(yīng)的位置，利用上文中提到的全橋來(lái)測(cè)試搖臂應(yīng)變。本文的加載方法采用電葫蘆，并利用拉力計(jì)來(lái)測(cè)量加載力。

具體的剛度測(cè)量過(guò)程為首先利用粘貼在搖臂受力端的應(yīng)變片來(lái)測(cè)量該點(diǎn)應(yīng)變，并利用千分表來(lái)測(cè)量該點(diǎn)對(duì)應(yīng)拉力下的位移量。測(cè)試前需要先進(jìn)行預(yù)加載來(lái)消除配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈之間的間隙，并記錄預(yù)加載拉力。然后，可以對(duì)配氣機(jī)構(gòu)逐步加載，本文選用的加載步為50 N，即每一步加載間隔50 N，總的加載步40次，完整記錄每一加載步的拉力、位移量和應(yīng)變量。

通過(guò)以上測(cè)量可以同時(shí)計(jì)算確定整個(gè)配氣機(jī)構(gòu)的剛度值并對(duì)測(cè)定橋路進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 標(biāo)定曲線擬合

經(jīng)過(guò)2.2節(jié)中的測(cè)試，會(huì)得到一組40個(gè)數(shù)據(jù)，需要對(duì)該組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以方便后續(xù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理的方法很多，本文采用最小二乘法來(lái)對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，最后得到搖臂剛度和搖臂氣門推力及搖臂應(yīng)變之間的關(guān)系，給定數(shù)據(jù)點(diǎn)｛（Xi，Yi），i=0,1，2，…n｝，可取函數(shù)Φ，求擬合函數(shù)p(x)∪Φ，使得誤差平方和E2最小，即

E2=min(∑[p(xi)-yi]2])。

則擬合曲線：

y=p(x)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選取發(fā)動(dòng)機(jī)怠速600 r/min、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)1400 r/min和額定轉(zhuǎn)速1900 r/min三個(gè)典型工況進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，這三種工況都是車輛常用工況，具有典型的代表意義。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，需要保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)油溫度、機(jī)油壓力、測(cè)功機(jī)狀態(tài)和冷卻液進(jìn)出口溫度等參數(shù)設(shè)置正確。

1）怠速工況。轉(zhuǎn)速600 r/min，機(jī)油溫度86 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，進(jìn)、排氣搖臂手動(dòng)調(diào)整到基圓處，進(jìn)、排氣搖臂受力變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在怠速狀態(tài)600 r/min時(shí)，滾子與凸輪軸、搖臂與氣門之間沒有出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，氣門或搖臂出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，在凸輪型線工作段轉(zhuǎn)角內(nèi)，測(cè)試到的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變值會(huì)趨近于零值或負(fù)值。怠速工況下測(cè)試到的最大力在1900 N左右。

圖4 怠速點(diǎn)進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線

圖5 最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線

2）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1400 r/min，油溫114 ℃，把進(jìn)排氣搖臂手動(dòng)調(diào)整到基圓處，測(cè)試得到的進(jìn)、排氣搖臂受力變化曲線如圖5所示。

圖6 額定點(diǎn)時(shí)進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線

3）額定轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1900 r/min，油溫為118℃，測(cè)試得到的進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線如圖6所示。

從圖5和圖6可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高速工況時(shí)，測(cè)試到的搖臂最小受力均大于等于0 N，說(shuō)明滾子與凸輪、搖臂與氣門沒有出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，因?yàn)槌霈F(xiàn)氣門飛脫現(xiàn)象時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變值會(huì)趨近于零值或負(fù)值，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)是可靠的。氣門開啟、關(guān)閉時(shí)都存在著一定的沖擊。搖臂具有高頻振動(dòng)，振動(dòng)頻率為1000 Hz。搖臂測(cè)試應(yīng)力與搖臂接觸應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所示。最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)測(cè)試到的搖臂最大受力為3500 N左右，額定點(diǎn)測(cè)試到的搖臂最大受力為4250 N左右。

從圖4、圖5和圖6中可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)量有略微漂移，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，排出高溫氣體，排氣搖臂受熱應(yīng)力影響，原在基圓調(diào)整的測(cè)量零點(diǎn)發(fā)生漂移，漂移量為55.84 N，而進(jìn)氣搖臂的測(cè)量應(yīng)變片不受影響。發(fā)生漂移的主要原因是選用的HBM應(yīng)變片不是高溫應(yīng)變片，難以承受發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口的高溫影響，發(fā)生零點(diǎn)漂移，這是采用應(yīng)變片測(cè)量過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的情況，只不過(guò)在處理數(shù)據(jù)時(shí)要考慮到漂移量。

圖7 搖臂測(cè)試應(yīng)力與搖臂接觸應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

經(jīng)過(guò)軟件處理計(jì)算所得的搖臂滾子接觸應(yīng)力最大值為1200 MPa，小于材料的許用材料極限1450 MPa，選用的材料滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，搖臂滾子沒有出現(xiàn)剝落等故障。

4 結(jié) 論

本文采用模擬計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)搖臂滾子接觸應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試和計(jì)算，研究結(jié)果表明：1）把模擬計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)合使用來(lái)預(yù)測(cè)搖臂滾子的方法簡(jiǎn)單有效;2）間接測(cè)試得到的搖臂滾子接觸應(yīng)力1200 MPa，在材料的許用限值1450 MPa范圍內(nèi)，耐久試驗(yàn)證明搖臂滾子無(wú)故障，說(shuō)明測(cè)試和計(jì)算的結(jié)果是正確的；3）對(duì)搖臂的標(biāo)定過(guò)程符合規(guī)范，標(biāo)定曲線精度高；4）從測(cè)量搖臂應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果上看，整個(gè)測(cè)試過(guò)程搖臂應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)是可靠的。