配氣機構的高負荷凸輪－滾子接觸摩擦研究

【德】 S．HERWEG S．WIESKER B．SAUER F．HUBER

1 起因

隨著2016年 Mercedes－Benz新發(fā)動機系列的推出，德國Daimler公司的汽油機和柴油機效率得到大幅提升。Daimler公司致力于所有機械部件的摩擦優(yōu)化，從而最大程度地減少曲柄連桿機構區(qū)域的摩擦。這些措施的有效性在采用FEV公差帶的比較中得到明顯體現(xiàn)，其中新4缸和6缸發(fā)動機已達到新的最佳性能高度［1－3］。為了保持這種競爭優(yōu)勢，Daimler公司通過更多地采用數(shù)字化開發(fā)方法，不斷優(yōu)化整個系統(tǒng)?；诨瑒幽Σ练治觯錃鈾C構和正時驅(qū)動已成為整個系統(tǒng)中越來越重要的組成部分［4］。通過與Kaiserslautern工業(yè)大學機械元件與傳動技術研究所（MEGT）合作，Daimler公司采用詳細的多體系統(tǒng)（MBS）仿真［5－6］和試驗對配氣機構摩擦進行了研究。本文比較了凸輪－滾子接觸的摩擦測量結果和仿真結果。

2 凸輪－滾子接觸試驗裝置

在MEGT新開發(fā)的模型試驗臺上進行凸輪－滾子接觸摩擦測量，并用于驗證Daimler公司開發(fā)的MBS仿真方法。該方法可以對凸輪－滾子接觸過程進行詳細的三維仿真，同時將諸如部件輪廓、潤滑劑和表面光潔度等關鍵影響因素考慮在內(nèi)。試驗臺采用模塊化設計，因而可以有針對性地進行凸輪－滾子接觸和單獨的配氣機構研究。采用雙盤試驗臺進行高負荷的凸輪－滾子接觸試驗，該裝置的盤形彈簧組件將零升程凸輪壓在滾針軸承支撐的滾子上，可以在50～1 500N的配氣機構典型力范圍內(nèi)調(diào)節(jié)接觸力，研究轉(zhuǎn)速在250～1 500r／min的凸輪軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化。

除了力和轉(zhuǎn)速施加的接觸負荷之外，試驗臺還可用于限定2個接觸配件之間的角度偏差。這些角度偏差被稱為“俯仰角”和“傾斜角”。通過改變滾子支承的位置實現(xiàn)這些角度偏差。通過圍繞接觸法線方向旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)俯仰角，通過圍繞法向力方向的切線旋轉(zhuǎn)來改變傾斜角。力傳感器安裝在滾子支承與角度變化裝置之間，用于記錄切向和軸向的摩擦力。圖1示出雙盤試驗臺的詳細結構以及俯仰角和傾斜角的定義。表1總結了試驗研究的設定參數(shù)和邊界條件。

圖1 針對凸輪－滾子接觸的雙盤試驗臺詳細結構

表1 試驗研究的設定參數(shù)和邊界條件

試驗臺可以具體研究摩擦邊界條件（尤其是部件表面和潤滑劑）對凸輪－滾子摩擦的影響。試驗研究結果用于驗證MBS的建模方法。MBS采用Dassault Systèmes公司的Simpack軟件，通過自行開發(fā)的計算程序進一步擴展該軟件［7］。以表1定義的基礎參數(shù)和邊界條件為出發(fā)點，將試驗研究結果與仿真結果進行比較，并示出不同參數(shù)的影響。

3 凸輪－滾子接觸負荷的影響

圖2示出試驗得出的取決于負荷（法向力與轉(zhuǎn)速的組合）的凸輪－滾子接觸摩擦特性（包括誤差條在內(nèi)的點），并將其與仿真結果（實線）進行比較。所采用的參考值為試驗中測量的最大力。可以看出，采用新開發(fā)的詳細MBS方法得到的仿真結果良好地反映了軸向和切向反作用力。試驗與仿真之間的偏差有一部分是由于仿真模型的細微簡化以及測量精度所致?？梢钥闯觯鲗Х醋饔昧ψ饔迷谳S向且與負荷無關。軸向力與切向力之間的系數(shù)最多可增加到40N。2種反作用力隨著接觸力的增加而增大。對于轉(zhuǎn)速而言，可觀察到力方向的相反趨勢。轉(zhuǎn)速的上升導致軸向力減小，這是因為當速度上升時混合摩擦降低。另一方面，切向力隨著轉(zhuǎn)速的增加略有增大，這是因為試驗觸頭和滾針軸承中的滾動摩擦均小幅增加。由于軸向力是凸輪－滾子接觸的主要摩擦力，因此下文僅參照該反作用力闡述接觸件之間角度偏差的影響。

圖2 轉(zhuǎn)速和接觸力對凸輪－滾子接觸摩擦的影響

4 凸輪－滾子接觸角度偏差的影響

圖3示出俯仰角角度變化對凸輪－滾子接觸軸向力的影響。通過繞著凸輪－滾子接觸的法線方向旋轉(zhuǎn)滾子支承來設定角度。對于給定的軸旋轉(zhuǎn)方向可以看出，俯仰角決定了軸向反作用力的方向。正角產(chǎn)生正力，反之亦然。無論凸輪－滾子接觸的轉(zhuǎn)速或法向力如何，軸向力的走向與俯仰角的角度值相似，其類似于反正切曲線。俯仰角小于1°時，軸向力呈現(xiàn)出非線性特性；俯仰角大于1°時，力水平基本保持恒定。仿真結果與試驗結果之間再次保持高度一致。仿真結果表明，凸輪與滾子之間的相對速度隨著俯仰角的增大而增加，相對速度的增加會導致主體之間的滑動摩擦增大至附著極限。

圖3 俯仰角對凸輪－滾子接觸軸向摩擦力的影響

滾子向凸輪傾斜是接觸件之間的第二種角度偏差，結果如圖4所示。通過使?jié)L子支承圍繞接觸法線方向的切線傾斜來設定角度。同俯仰角的情況一樣，傾斜角的走向與負荷（轉(zhuǎn)速與法向力的組合）無關。可以看出，俯仰和傾斜標記的組合決定了軸向反作用力是增大還是減小。當傾斜和俯仰標記相同時，軸向反作用力增大；當傾斜和俯仰標記不同時，軸向反作用力減小。仿真也很好地反映了這種特性。

圖4 傾斜角對凸輪－滾子接觸軸向摩擦力的影響

5 結論與展望

本文重點介紹了乘用車配氣機構的凸輪－滾子接觸摩擦。德國Daimler公司和Kaiserslautern工業(yè)大學的MEGT研究所進行合作，在雙盤模型試驗臺上進行了詳細的試驗研究，并開發(fā)了詳細的MBS仿真方法。試驗研究結果表明：凸輪－滾子接觸的軸向摩擦力占主導地位，而切向摩擦力僅起次要作用；除了法向力和轉(zhuǎn)速引起的接觸負荷之外，接觸件之間的角度偏差也會影響軸向力。試驗結果與仿真結果呈現(xiàn)出非常良好的一致性，如圖5所示。將超過600次的仿真結果與試驗結果進行比較，平均偏差約為2%。

圖5 測量結果與計算結果比較

接下來研究凸輪接觸半徑、部件表面和潤滑劑發(fā)生變化時的凸輪－滾子接觸摩擦特性。充分對比凸輪－滾子接觸仿真方法，然后將得到的結果運用在詳細的配氣機構仿真中。為了驗證，在上文所述的模型試驗臺上進行試驗研究。為此，對試驗臺進行改進，以便用單個氣門機構替代雙盤試驗臺。驗證后的仿真結果有利于在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期階段評估配氣機構的摩擦和磨損。