某杯式挺柱配氣機(jī)構(gòu)凸輪磨損問題分析

安卓，于德政，李一，梁鋒

（華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧 沈陽 110141）

前言

在發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)中，凸輪軸的凸輪與杯式挺柱是一對重要的摩擦副。發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，隨著凸輪軸的轉(zhuǎn)動，凸輪與杯式挺柱接觸表面承受周期性的沖擊載荷和滑動摩擦，如果在此過程中，該摩擦副磨損嚴(yán)重，會影響發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

某1.5升增壓直噴汽油機(jī)試驗過程中，進(jìn)、排氣凸輪軸的凸輪與挺柱接觸表面發(fā)生異常磨損，其中凸輪磨損位置主要發(fā)生在凸輪桃尖兩側(cè) 30°～40°范圍內(nèi)。經(jīng)過材料匹配分析、配氣機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)仿真計算、并結(jié)合潤滑系統(tǒng)試驗、耐久試驗，通過更改凸輪材料、優(yōu)化凸輪型線、優(yōu)化發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)等措施，最終解決了該問題。

1 問題分析

1.1 材料匹配分析

該發(fā)動機(jī)為組合式凸輪軸，凸輪材料為GCr15，表面硬度不低于56HRC，挺柱材料為20CrMo，表面硬度為770HV3（相當(dāng)于 63HRC），前者為高碳鉻軸承鋼，后者為合金結(jié)構(gòu)鋼，兩者均屬于鋼質(zhì)類材料，對于滑動摩擦，同一摩擦副中的兩者采用相同或相似材料，且硬度相差不太大的情況下易產(chǎn)生粘著。由此推斷，此種材料匹配方案可能為導(dǎo)致該異常磨損的因素之一。

1.2 配氣機(jī)構(gòu)型線分析

凸輪磨損區(qū)域位于凸輪桃尖兩側(cè)30°～ 40°范圍內(nèi)，通過配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真計算，凸輪與挺柱表面接觸應(yīng)力的峰值發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)（如圖1、圖2所示）。

其中，接觸應(yīng)力：

式中：

FQ為作用在凸輪外形法線方向的載荷（包括彈簧力、集中質(zhì)量慣性力）；

ρ為凸輪曲率半徑

rm為挺柱頂面圓弧半徑（對于平頂挺柱，rm取∞）；

b為接觸線長度（對于平頂挺柱，可取凸輪寬度）；

Ec、Et分別為凸輪、挺柱材料的彈性模量。

由該公式可知，接觸應(yīng)力與氣門彈簧力、材料彈性模量成正相關(guān)，與凸輪曲率半徑成負(fù)相關(guān)。

而對于該發(fā)動機(jī)，凸輪型線中的最小曲率半徑剛好出現(xiàn)在該磨損區(qū)域（如圖3、圖4所示），由此推斷，過大的氣門彈簧力及材料彈性模量、過小的凸輪曲率半徑可能為導(dǎo)致該異常磨損的因素之一。

圖1 進(jìn)氣凸輪與挺柱接觸應(yīng)力

圖2 排氣凸輪與挺柱接觸應(yīng)力

圖3 進(jìn)氣凸輪曲率半徑

圖4 排氣凸輪曲率半徑

1.3 潤滑系統(tǒng)分析

通過潤滑系統(tǒng)功能試驗及發(fā)動機(jī)耐久試驗結(jié)果分析，該發(fā)動機(jī)存在機(jī)油稀釋問題，稀釋后的機(jī)油會導(dǎo)致凸輪與挺柱接觸面的油膜劣化甚至無法形成油膜。由此推斷，發(fā)動機(jī)機(jī)油稀釋可能為導(dǎo)致該異常磨損的因素之一。

2 改善措施及結(jié)果

2.1 材料匹配優(yōu)化

凸輪材料由GCr15更改為粉末冶金，挺柱仍采用20CrMo材料不變，更改后，避免了同摩擦副的兩者采用同類材質(zhì)所導(dǎo)致的粘著磨損，同時，相比于GCr15，粉末冶金自潤滑性能更加。

2.2 凸輪型線優(yōu)化

經(jīng)配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)仿真計算，氣門彈簧力設(shè)計合理，如果減小，則可能導(dǎo)致氣門飛脫，故無法減小氣門彈簧力。而材料彈性模量則為材料的固有屬性，與材料匹配相關(guān)，故無法獨立更改。因此，若想減小凸輪與挺柱的接觸應(yīng)力，需對凸輪型線進(jìn)行優(yōu)化，在滿足發(fā)動機(jī)動力性要求的前提下，微調(diào)凸輪型線，加大凸輪磨損區(qū)域的最小曲率半徑。

圖5 進(jìn)氣凸輪曲率半徑對比

圖6 排氣凸輪曲率半徑對比

圖7 進(jìn)氣凸輪與挺柱接觸應(yīng)力對比

圖8 排氣凸輪與挺柱接觸應(yīng)力對比

通過優(yōu)化凸輪型線，進(jìn)氣凸輪桃尖兩側(cè)的最小曲率半徑分別由 5.403mm、5.390mm提高至6.528mm、6.570mm，排氣凸輪桃尖兩側(cè)的最小曲率半徑分別由3.796mm、3.802mm提高至4.633mm、4.632mm（如圖5、圖6所示），最終降低了凸輪與挺柱最大接觸應(yīng)力（如圖7、圖8所示）。

2.3 潤滑系統(tǒng)優(yōu)化

通過以下三個措施改善了發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的機(jī)油稀釋現(xiàn)象：

a）優(yōu)化燃油噴射策略，由單次噴射改為二次噴射，改善濕壁現(xiàn)象；

b）優(yōu)化曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)；

c）提高發(fā)動機(jī)水溫，加快機(jī)油蒸發(fā)，同時提高燃油霧化程度。

2.4 改善結(jié)果

通過以上三方面的優(yōu)化，經(jīng)過發(fā)動機(jī)耐久試驗驗證，凸輪與挺柱異常磨損問題得以解決。

3 結(jié)論

該發(fā)動機(jī)凸輪與挺柱異常磨損主要由以下三方面因素導(dǎo)致：

a）凸輪與挺柱采用同類材質(zhì)，用于同一滑動摩擦副中，易產(chǎn)生粘著磨損；

b）凸輪型線最下曲率半徑過小導(dǎo)致最大接觸應(yīng)力過大；

c）發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)存在機(jī)油稀釋，造成凸輪與挺柱接觸表面油膜劣化甚至破壞。

針對以上三方面因素，分別采用了以下三點改善措施：

a）更改凸輪材料，由GCr15更改為粉末冶金；

b）優(yōu)化凸輪型線，加大最小曲率半徑，減小凸輪表面接觸應(yīng)力；

c）改善發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)機(jī)油稀釋現(xiàn)象，進(jìn)而改善凸輪與挺柱表面潤滑效果。

通過以上改善措施，該發(fā)動機(jī)凸輪軸的凸輪異常磨損問題得以解決。