高速汽油机凸轮摇臂接触载荷实验研究

摘 要：小型汽油机实验结果表明低转速下，载荷峰值出现在凸轮最大升程点上；在高速运转时，峰值出现在升程与回程的起始点上。在Archard模型的基础上，建立了凸轮磨损模型，分析了不同转速下凸轮的磨损寿命，并计算出凸轮磨损最严重的几个位置的磨损速率。

关键词：内燃机；摇臂载荷；正向载荷峰值

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

0 引 言

在摩托车发动机的凸轮磨损最严重的位置在升程与回程的起始点附近，而在船机的凸轮上磨损最严重的位置在最大升程点附近。由此得出一个推想，内燃机的转速会对凸轮的载荷峰值位置产生影响，当转速较高的时候对于凸轮的载荷峰值出现在升程与回程起始点，当转速较低的时候凸轮载荷峰值出现在最大升程点。

1 不同转速下摇臂载荷实验

在配气机构中，摇臂载荷的大小可以反映凸轮受力的大小。通过摇臂载荷就可以求解凸轮接触载荷，而且凸轮上的载荷在实验当中很难测的，所以在实验当中将应变片贴于摇臂上测得摇臂载荷同样可以反映出凸轮载荷的峰值情况。电阻应变片贴在摇臂气门端，应变片通过桥盒连接至动态应变仪。使用数据采集器采集并传输到上位机。从凸轮轴转速400 r/min到3250 r/min取15个数据。整理排气摇臂载荷大小随凸轮轴转角信号如图5所示：

2 分析与结论

分析Archard磨损公式和实际工况，可以知道在整个凸轮面上，粘着磨损系数K和材料的屈服极限相同。在使用标准发动机油润滑的情况下，磨损系数K为10-10。由文献[2]得知锻钢凸轮的屈服极限为470 MPa。在转动过程中，摩擦距离与相对滑移速度成正比。故，磨损量的影响因素就可以简化为法向载荷W和凸轮相对滑移速度v。这样凸轮磨损量问题，就可以用这两个量的积来反映。在此，用F来表示。

其中Q为凸轮各个角度的磨损量，Qi为各个转速一转的磨损量，N0为总转数，Pi为各个转速所占时间的百分比，ni为转速。由公式（2），可以得到加权计算后，3 000 000转下的凸轮各个角度的磨损量图谱。 由图3可以得知，载荷峰值出现位置在134°和242°这两个位置上，与凸轮的推程回程起始点位置重合。并且，从图中可以看见在174°和196°的位置上磨损量也是较大的，所以在凸轮的最大升程点（即180°）两侧同样是磨损较严重的区域。由此可以算出磨损最严重的几个位置的磨损寿命如表1。

3 结束语

当内燃机高速运转时，凸轮升程与回程的起始点上磨损载荷最大；当内燃机低速运转时，凸轮最大升程点上磨损载荷最大。对各个转速进行加权模拟实际工况后，可以发现高速汽油机凸轮的242°磨损寿命最短，在加工制造过程中可以相应地进行硬度上的加强。

参考文献：

[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，内燃机.凸轮轴.第1部分：技术条件[S].

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