高速汽油機(jī)凸輪搖臂接觸載荷實(shí)驗(yàn)研究

梁　奇

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

高速汽油機(jī)凸輪搖臂接觸載荷實(shí)驗(yàn)研究

梁奇

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

小型汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低轉(zhuǎn)速下，載荷峰值出現(xiàn)在凸輪最大升程點(diǎn)上；在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，峰值出現(xiàn)在升程與回程的起始點(diǎn)上。在Archard模型的基礎(chǔ)上，建立了凸輪磨損模型，分析了不同轉(zhuǎn)速下凸輪的磨損壽命，并計算出凸輪磨損最嚴(yán)重的幾個位置的磨損速率。

內(nèi)燃機(jī);搖臂載荷;正向載荷峰值

0　引 言

在摩托車發(fā)動機(jī)的凸輪磨損最嚴(yán)重的位置在升程與回程的起始點(diǎn)附近，而在船機(jī)的凸輪上磨損最嚴(yán)重的位置在最大升程點(diǎn)附近。由此得出一個推想，內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速會對凸輪的載荷峰值位置產(chǎn)生影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高的時候?qū)τ谕馆喌妮d荷峰值出現(xiàn)在升程與回程起始點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低的時候凸輪載荷峰值出現(xiàn)在最大升程點(diǎn)。

1　不同轉(zhuǎn)速下?lián)u臂載荷實(shí)驗(yàn)

在配氣機(jī)構(gòu)中，搖臂載荷的大小可以反映凸輪受力的大小。通過搖臂載荷就可以求解凸輪接觸載荷，而且凸輪上的載荷在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中很難測的，所以在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中將應(yīng)變片貼于搖臂上測得搖臂載荷同樣可以反映出凸輪載荷的峰值情況。電阻應(yīng)變片貼在搖臂氣門端，應(yīng)變片通過橋盒連接至動態(tài)應(yīng)變儀。使用數(shù)據(jù)采集器采集并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。從凸輪軸轉(zhuǎn)速400r/min到3250r/min取15個數(shù)據(jù)。整理排氣搖臂載荷大小隨凸輪軸轉(zhuǎn)角信號如圖5所示：

圖1　搖臂載荷圖譜

2　分析與結(jié)論

分析Archard磨損公式和實(shí)際工況，可以知道在整個凸輪面上，粘著磨損系數(shù)K和材料的屈服極限相同。在使用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)油潤滑的情況下，磨損系數(shù)K為10-10。由文獻(xiàn)[2]得知鍛鋼凸輪的屈服極限為470MPa。在轉(zhuǎn)動過程中，摩擦距離與相對滑移速度成正比。故，磨損量的影響因素就可以簡化為法向載荷W和凸輪相對滑移速度v。這樣凸輪磨損量問題，就可以用這兩個量的積來反映。在此，用F來表示。

圖2　載荷與滑移速度乘積與轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

由此可以整理的F與轉(zhuǎn)速n、凸輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系。

根據(jù)內(nèi)燃機(jī)磨合規(guī)范，即可以得知各個轉(zhuǎn)速對凸輪磨損貢獻(xiàn)量的分配，得到加權(quán)公式：

其中Q為凸輪各個角度的磨損量，Qi為各個轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)的磨損量，N0為總轉(zhuǎn)數(shù)，Pi為各個轉(zhuǎn)速所占時間的百分比，ni為轉(zhuǎn)速。由公式（2），可以得到加權(quán)計算后，3000000轉(zhuǎn)下的凸輪各個角度的磨損量圖譜。

圖3　3,000,000轉(zhuǎn)凸輪磨損量圖譜

由圖3可以得知，載荷峰值出現(xiàn)位置在134°和242°這兩個位置上，與凸輪的推程回程起始點(diǎn)位置重合。并且，從圖中可以看見在174°和196°的位置上磨損量也是較大的，所以在凸輪的最大升程點(diǎn)（即180°)兩側(cè)同樣是磨損較嚴(yán)重的區(qū)域。由此可以算出磨損最嚴(yán)重的幾個位置的磨損壽命如表1。

表1　各角度磨損壽命

3　結(jié)束語

當(dāng)內(nèi)燃機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，凸輪升程與回程的起始點(diǎn)上磨損載荷最大；當(dāng)內(nèi)燃機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，凸輪最大升程點(diǎn)上磨損載荷最大。對各個轉(zhuǎn)速進(jìn)行加權(quán)模擬實(shí)際工況后，可以發(fā)現(xiàn)高速汽油機(jī)凸輪的242°磨損壽命最短，在加工制造過程中可以相應(yīng)地進(jìn)行硬度上的加強(qiáng)。

[1]Micrea Teodorescu,Dinu Taraza,Naeim A H.Experimental Analysis of Dynamics and Friction in Valve Train Systems [J]. SAE 2002 World Congress & Exhibition,2002:1027-1038.

[2]JB/T6728.1-2008,內(nèi)燃機(jī).凸輪軸.第1部分:技術(shù)條件[S].

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.067