发动机凸轮轴与摇臂滚子接触应力试验研究

丁志强, 王奔， 刘世锋， 张学龙

（重型专用车发动机安徽省重点实验室，安徽 马鞍山243000）

0 引 言

配气机构是内燃机中2个主要运动机构之一[1]，配气机构失效会造成整个发动机失效。在整个配气机构中，摇臂滚子与凸轮轴接触失效是经常发生的失效形式，其原因是摇臂滚子与凸轮轴之间传递较大的气门开启力，而且滚子通常会设计为鼓形，局部接触应力非常大，在两者相对运动过程中，常常会出现表面剥落和点蚀等故障，最终会造成配气机构失效。文献[2]对凸轮轴及滚子失效进行了分析，结果表明接触应力过大是造成凸轮轴及滚子失效的原因。文献[3]从设计和试验等方面对摇臂滚子的断裂原因进行了详细分析，结论显示配气结构布置不合理是造成摇臂滚子失效的原因。文献[4]详细说明了配气机构的设计与仿真方法。本文借助现代先进的模拟仿真技术与先进的试验技术，对摇臂滚子与凸轮轴之间的接触应力进行研究分析。

1 测试方法与原理

配气机构的运动非常复杂，其中摇臂、滚子和凸轮都处在高速旋转运动状态，凸轮与滚子之间需要传递较大的气门开启力[6]。针对配气机构的动力学研究，现场试验测试可以获得比较准确的力学特性参数，是一种可靠性和准确性都比较高的研究方法。在配气机构的动力学研究过程中，气门的升程、气门的落座速度和气门的运动加速度是主要研究参数，这3个参数能准确描述整个配气机构的运动规律，也可以作为配气机构设计的主要设计参数和指标[7]。但是气门在正常工作过程中处于高速运动状态，直接测量其运动参数非常困难，一般采用无接触涡流传感器来测量，即便如此测量，还是难以保证得到的数据的准确性。

本文把测量气门的运动数据作为参考值，主要通过研究滚子与凸轮轴的接触应力来研究配气机构系统的力学特性。正常工作过程中，摇臂滚子与凸轮轴都处于高速旋转状态，直接测量两者之间的接触压力是不现实的。本文采用一种间接测量[8]的方法来测量摇臂滚子与凸轮轴之间的接触压力。

间接测量的具体方法是把摇臂滚子与凸轮轴之间的接触压力与摇臂结构上的局部应力建立对应关系，如此便可以通过测量摇臂上的局部应力来间接测量两者之间的接触压力。首先通过模拟计算确定气门开启力Fv与摇臂滚子接触压力[4-6]之间的关系系数Sc。关系系数Sc可以通过试验测试来确定，也可以利用目前比较先进的模拟计算技术通过计算来确定。因为确定Sc值需要一组数据，数据越多Sc越准确，通过试验测试的方法成本比较大，本文选择通过模拟计算的方法来确定Sc。

通过模拟计算来确定摇臂局部应力与滚子接触力之间的关系系数Sc的具体方法如下：

式中：σcal表示模拟计算应力值；Fcal表示模拟计算输入气门力。

当Sc确定后，就可以通过测量气门开启力Fmeas来计算摇臂滚子的实际接触应力：

式中：σmeas为摇臂滚子的实际接触应力；Fmeas为测量气门开启力。

在式（2）中，气门开启力Fmeas的值可以通过测量摇臂上的应力计算推导，如此便可以通过测量摇臂上的局部应力来间接测量计算摇臂滚子接触应力。

2 试验准备

2.1 硬件准备

发动机正常工作时，摇臂主要受到气门弹簧力、气门力（气缸内的爆发压力）及摇臂与摇臂轴之间的摩擦力的作用，摇臂所受的应力状态比较复杂，存在较大的弯矩，而且由于摇臂的设计并不是完全对称的，所以摇臂同时还受到部分转矩作用。本文在测试过程中，主要测量摇臂的应变，应变片参数如表1所示，测量电桥原理如图1和图2所示，摇臂应变桥路在摇臂上的安装如图3所示。因为摇臂安装在罩壳内，受一定的温度作用，为了补偿温度对应变片的影响，应变测试选用全桥电路测试。

表1 应变片参数

图1 测量弯矩应变片布置示意图

图2 测量应变电桥接线示意图

图3 摇臂应变电桥及配气机构安装

2.2 刚度测量和桥路标定

对于顶置配气机构来讲，整个配气机构中主要零部件包括气门、气门弹簧、摇臂、摇臂轴、滚子和凸轮轴，可见配气机构的组成非常复杂，并不可以把其看作一个非刚性系统。所以在对配气机构进行动力学研究时，要把其看作一个弹性系统。

配气机构中的各运动部件会发生弹性变形或者弹跳，这会造成凸轮型线的运动轨迹发生畸变，最终造成实际测试得到气门行程曲线与理论设计值存在一定的偏移量。在模拟计算中需要输入的一个重要的参数是配气机构的整体刚度，这个刚度值可以通过实际测量得到。本文采用机械测量法来得到该刚度值，具体方法是将应变片贴到试验摇臂相应的位置，利用上文中提到的全桥来测试摇臂应变。本文的加载方法采用电葫芦，并利用拉力计来测量加载力。

具体的刚度测量过程为首先利用粘贴在摇臂受力端的应变片来测量该点应变，并利用千分表来测量该点对应拉力下的位移量。测试前需要先进行预加载来消除配气机构传动链之间的间隙，并记录预加载拉力。然后，可以对配气机构逐步加载，本文选用的加载步为50 N，即每一步加载间隔50 N，总的加载步40次，完整记录每一加载步的拉力、位移量和应变量。

通过以上测量可以同时计算确定整个配气机构的刚度值并对测定桥路进行标定。

2.3 标定曲线拟合

经过2.2节中的测试，会得到一组40个数据，需要对该组数据进行处理以方便后续应用。数据处理的方法很多，本文采用最小二乘法来对以上数据进行拟合处理，最后得到摇臂刚度和摇臂气门推力及摇臂应变之间的关系，给定数据点｛（Xi，Yi），i=0,1，2，…n｝，可取函数Φ，求拟合函数p(x)∪Φ，使得误差平方和E2最小，即

E2=min(∑[p(xi)-yi]2])。

则拟合曲线：

y=p(x)。

3 试验结果分析

本文选取发动机怠速600 r/min、最大转矩点1400 r/min和额定转速1900 r/min三个典型工况进行试验结果分析，这三种工况都是车辆常用工况，具有典型的代表意义。在试验测试过程中，需要保证发动机工作在稳定状态，机油温度、机油压力、测功机状态和冷却液进出口温度等参数设置正确。

1）怠速工况。转速600 r/min，机油温度86 ℃，发动机点火，进、排气摇臂手动调整到基圆处，进、排气摇臂受力变化曲线如图4所示。

从图4中可以看到，发动机工作在怠速状态600 r/min时，滚子与凸轮轴、摇臂与气门之间没有出现飞脱现象，气门或摇臂出现飞脱现象，在凸轮型线工作段转角内，测试到的动态应力应变值会趋近于零值或负值。怠速工况下测试到的最大力在1900 N左右。

图4 怠速点进排气摇臂受力变化曲线

图5 最大转矩点进排气摇臂受力变化曲线

2）最大转矩点工况。发动机转速1400 r/min，油温114 ℃，把进排气摇臂手动调整到基圆处，测试得到的进、排气摇臂受力变化曲线如图5所示。

图6 额定点时进排气摇臂受力变化曲线

3）额定转速工况点。发动机转速为1900 r/min，油温为118℃，测试得到的进排气摇臂受力变化曲线如图6所示。

从图5和图6可以看到，发动机工作在高速工况时，测试到的摇臂最小受力均大于等于0 N，说明滚子与凸轮、摇臂与气门没有出现飞脱现象，因为出现气门飞脱现象时动态应力应变值会趋近于零值或负值，说明发动机在高速运转是可靠的。气门开启、关闭时都存在着一定的冲击。摇臂具有高频振动，振动频率为1000 Hz。摇臂测试应力与摇臂接触应力对应关系如图8所示。最大转矩点测试到的摇臂最大受力为3500 N左右，额定点测试到的摇臂最大受力为4250 N左右。

从图4、图5和图6中可以发现，测量有略微漂移，发动机点火时，排出高温气体，排气摇臂受热应力影响，原在基圆调整的测量零点发生漂移，漂移量为55.84 N，而进气摇臂的测量应变片不受影响。发生漂移的主要原因是选用的HBM应变片不是高温应变片，难以承受发动机排气口的高温影响，发生零点漂移，这是采用应变片测量过程中经常出现的情况，只不过在处理数据时要考虑到漂移量。

图7 摇臂测试应力与摇臂接触应力对应关系图

经过软件处理计算所得的摇臂滚子接触应力最大值为1200 MPa，小于材料的许用材料极限1450 MPa，选用的材料满足设计要求，经过耐久试验验证，摇臂滚子没有出现剥落等故障。

4 结 论

本文采用模拟计算和试验测试相结合的方法，对摇臂滚子接触应力进行了测试和计算，研究结果表明：1）把模拟计算和试验测试结合使用来预测摇臂滚子的方法简单有效;2）间接测试得到的摇臂滚子接触应力1200 MPa，在材料的许用限值1450 MPa范围内，耐久试验证明摇臂滚子无故障，说明测试和计算的结果是正确的；3）对摇臂的标定过程符合规范，标定曲线精度高；4）从测量摇臂应力应变的结果上看，整个测试过程摇臂应力测试数据是可靠的。