汽车平底直动从动件凸轮机构磨损失效分析及磨损量计算分解.docx

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汽车平底直动从动件凸轮机构磨损失效分析及磨损量计算分解

材料失效分析课程设计

院部：

机械工程学院

课程题目：

汽车平底直动从动件凸轮机构磨损失效分析

专业班级：

金属材料工程1103班

学生姓名：

卜云飞、刘泽宇、陈冶金、

吕锦程、黄伟

指导老师：

刘先兰

完成时间：

2014/5/8

汽车平底直动从动件凸轮机构磨损失效分析

摘要

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。

凸轮轴和挺杆体是发动机的重要零件，它们的工作状况直接影响着发动机能否正常工作，文章研究了平底直动从动件凸轮机构运动模型和受力情况，并对其磨损失效成因、磨损形式、磨损规律进行了分析，剖析了相对滑动、润滑条件和接触应力对其工作环境的影响机理，建立了磨损计算模型，并提出从凸轮挺杆材料选配、润滑油、运动参数方面降低凸轮机构磨损的相应措施，提高了凸轮机构的工作可靠性，延长了工作寿命。

关键词:

发动机;凸轮轴;挺杆;磨损失效;磨损量

Abstract

Theworkingstateofthecamshaftandthetappetthatareimportantpartsofanenginedirectlyinfluencewhethertheenginecanworknormallyornot.Inthisthesis,theauthorstudiesthemotionmodelandthestateofreceivingforceoftheflat-bottomeddriventranslationcammechanism,analysesitsreasonsforwearandtearineffectiveness,itsformsandlawsofwearandtear,andtheprinciplesoftheinfluenceofrelativeslide,lubricationconditions,andcontactstressonitsworkingsituation,buildsacalculationmodelofwearandtear,andputsforwardappropriatemeasurestoreducethewearandtearofthecammechanismfromsuchthreeaspectsastheselectionofthematerialsofthecamandthetappet,lubricantandparameterofmotion,whichcanincreasetheworkingreliabilityofthecammechanismandlengthenitslifespan.

KeyWords:

engine,camshaft,tappet,wearandtearineffectiveness,amountofwearandtear

1、绪论……………………………………………………………4

1.1凸轮机构的原理…………………………………………4

1.2分析意义……………………………………………6

2、汽车平底从动件的分析……………………………………7

2.1平底直动从动件凸轮机构运动模型和受力分析……………8

2.2平底直动从动件凸轮机构磨损形式………………………9

2.3平底直动从动件凸轮机构的三个阶段………………………10

3、汽车平底从动件的曲线规律及磨损量……………………………11

3.1平底直动从动件凸轮机构磨损规律曲线…………………12

3.2磨损计算模型和凸轮磨损量的计算………………………13

4、降低凸轮机构磨损的相应措施……………………………14

5、总结………………………………………………………………15

参考文献……………………………………………………………16

致谢…………………………………………………………………16

绪论

1.1凸轮机构的原理

凸轮机构是由凸轮，从动件和机架三个基本构件组成的高副机构。

凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般为主动件，作等速回转运动或往复直线运动。

凸轮机构

凸轮机构在应用中的基本特点在于能使从动件获得较复杂的运动规律。

因为从动件的运动规律取决于凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸轮的轮廓曲线就可以了。

凸轮机构广泛应用于各种自动机械、仪器和操纵控制装置。

凸轮机构之所以得到如此广泛的应用，主要是由于凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，而且结构简单、紧凑。

由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。

凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有

凸轮机构

盘形凸轮、圆柱凸轮和移动凸轮等，其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲线，因而属于空间凸轮。

从动件与凸轮作点接触或线接触，有滚子从动件、平底从动件和尖端从动件等。

尖端从动件能与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任意运动，但尖端容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。

为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹

凸轮机构

簧或施加重力。

具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。

一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。

多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。

凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。

它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。

但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。

1.2分析意义

凸轮机构广泛应用于机械、纺织、汽车、军工等各种行业，之所以用途如此广泛，不仅因为它具有传动、控制、导向等功能，而且因为它结构简单、紧凑。

但由于凸轮机构工作特点，容易产生磨损失效，从而降低工作可靠性。

现代汽车用其控制发动机的进排气，实现执行机构的工作循环。

发动机凸轮轴凸峰及挺杆轻度磨损可导致进排气门晚开早关（严重时甚至不开），气缸工作不正常、发动机抖动等，严重时甚至可导致平面挺杆体工作面的端面大块脱落，给发动机内部机件造成致命的损伤甚至使发动机失效。

[1]所以，有必要对凸轮机构的磨损失效成因进行分析，控制其磨损量，找出切实可行的预防措施。

2、汽车平底从动件的分析

2.1平底直动从动件凸轮机构运动模型和受力分析

凸轮表面轮廓曲线和平底从动件的接触点的直角坐标为x，y，O点到接触点用矢量R（r,θ）表示，r表示矢量R的模，θ表示矢量R与X轴的夹角。

为讨论方便，以对心平底直动从动件凸轮机构为例，根据其几何关系，有：

上式中

为凸轮曲线表面和平底从动件接触点在Y方向的加速度，即平底从动件（挺杆）垂直上下运动的加速度。

挺杆垂直上下运动的速度和加速度的大小对移动副磨损会产生很大影响，以挺杆为研究对象，有：

式中F为凸轮和从动件之间的接触压力，

为弹簧抗力，

为挺杆和移动副之间的磨擦力，

为工作压力，m为挺杆质量，

为挺杆垂直加速度，亦即

。

由图2有：

为弹簧原长，

为O点到移动副底边的距离，K为弹簧刚度系数。

式中H为移动副厚度。

值的大小影响挺杆和移动副之间的磨损，即接触点位置离中心线越远，

值越大，而

为定值，所以磨损越大；F值的大小变化影响凸轮表面和平底从动件之间的磨损，并使凸轮转动副受到垂直方向的附加压力而产生额外径向磨损；

、

、

、

的值越大，凸轮机构的接触力Ｆ越大，凸轮—挺杆副磨损越严重。

2.2平底直动从动件凸轮机构磨损形式

凸轮—挺杆副之间的接触形式虽然很复杂，但其性质仍属于高副接触。

在接触点上既有滚动又有滑动，存在着重载点接触或线接触。

从磨损的角度来看，凸轮—挺杆副是发动机中比较敏感的一部分，其接触应力是发动机摩擦副中最大的。

近年来发动机不断向高速、大功率方向发展，不可避免地要增大配气机构的惯性力、接触面的滑动速度和弹簧的预紧力，使凸轮和挺杆间的接触应力增大，润滑条件更为苛刻。

由于凸轮—挺杆副的运动则呈交替、振动和脉冲式，表现为非匀速性的速率分布，配气机构零件常处于边界润滑状态。

在凸轮与挺杆的接触点处，由于凸轮的高速转动，基本上属于弹性流体动压润滑，这种趋于平行的两表面弹性变形产生一层很薄的楔形油膜。

但有时会出现金属间的直接接触。

高速滑动接触表面上一般是粘着磨损或擦伤，而滚动接触的表面上是疲劳磨损。

［2］低速传动时，难易形成动压油膜，一般采用脂润滑。

下面以发动机为例，来具体分析凸轮机构的磨损问题。

凸轮以不同速度旋转时，其接触应力是变化的。

低速时，由于气门弹簧压缩量最大，凸轮桃尖的载荷最大；高速时，在负加速度区，即在凸轮桃尖附近，由于往复运动的惯性力抵消了一部分气门弹簧力，凸轮桃尖的载荷降低了，因此发动机速度较高时点蚀磨损减少。

而在最大正加速度区，接触应力分布幅度小，不易产生点蚀磨损，偶尔会出现金属间的直接接触，因此会出现擦伤现象。

实际上，由于气门传动机构零件不是刚性的并可产生振动，从而改变了凸轮桃尖附近的接触压力，高速时这些振动力就会使凸轮—挺杆副产生点蚀。

由于凸轮和挺杆都是硬而脆的材料，若都是经淬火处理的白口铸铁，其疲劳损坏出现在拉应力最大的区域，即出现在表面上。

这些疲劳损坏向内扩展，形成松散的鳞屑并产生凹坑（点蚀）。

一般金属裂纹的扩展方向与凸轮转动方向相反，即与滑动方向相反。

[2]

综上所述，凸轮机构的磨损形式有：

点蚀、粘着磨损、疲劳磨损等。

2.3平底直动从动件凸轮机构的三个阶段

磨损分三个阶段[3]：

跑合期、稳定磨损期、剧烈磨损期。

磨损量U（磨损尺寸、体积或重量）与时间的关系曲线如图3。

磨损速度也即磨损率，它的定义为在单位时间内材料的磨损量，记为q。

针对磨损的三个阶段,分别对磨损量和磨损速度作近似数学描述。

跑合阶段：

稳定阶段：

加速磨损阶段：

式中：

q1，q2，q3是t时刻磨损速度：

q0是磨损初始速度，qc是平稳阶段磨损速度：

γ是磨损速度变化率，这里假设γ是大于零的随机常数。

3、汽车平底从动件的曲线规律及磨损量

3.1平底直动从动件凸轮机构磨损规律曲线

平底直动从动件凸轮机构的挺杆底面各点的磨损速率Q是不均匀的，在挺杆底面中点处，当挺杆和凸轮基圆相接触时，相对滑移速度和弹簧压力都最小，所以磨损速度亦最小；而当挺杆和凸轮桃尖相接触时，相对滑移速度和弹簧压力都达到最大，结合升回程的磨损规律，平底直动从动件凸轮机构的挺杆底面各点对应凸轮回转的磨损速率Q呈心型变化规律。

下面再分析凸轮曲面各点的磨损情况。

在基圆处，

，此点V值最小，弹簧的压力也最小，

。

凸轮在静态时，接触压力等于

，动态时大于

；在桃尖处，速度达到最大，

，静态时接触压力等于

。

所以，在桃尖处，磨损情况最恶劣。

3.2磨损计算模型和凸轮磨损量的计算

据参考文献[4]滑动轴承的径向磨损量ξ（t）是压强p、滑动速度v、时间t的函数。

即

ξ（t）=kpvt=qt

式中,k为比例常数；q为磨损速度（q=kpv）。

此模型同样适用于凸轮机构的凸轮转动副，考虑到表面形貌的影响，将以上磨损计算模型修正为[5]：

式中：

h为磨损深度；h0为最大的表面粗糙高度；k为线磨损系数；p是接触压力，且p=FN/A，FN为法向载荷；A为接触面积。

凸轮—挺杆副之间的相对滑动速度是一个变值，相对滑动速度

是时间t的函数。

凸轮的转动角度变化及挺杆弹簧压力的变化，也使凸轮—挺杆副间的接触应力不断变化，因此，磨损计算模型应为[6]：

式中

：

相对滑动速度；k：

取决于磨擦副材料、接触的几何性质及润滑状态的摩擦系数；m、n：

磨损指数；E1、E2：

材料弹性模量；σ：

接触应力；

1、

2：

接触点的曲率半径；μ1、μ2：

泊松比。

相对滑动速度

的大小可用固结于平底挺杆从动件上的相对坐标系X′O′Y′来分析。

在绝对坐标系中，凸轮和挺杆之间的接触点的速度方向可分解为相互垂直的Vx、Vy，对固结于平底挺杆从动件上的相对坐标系X′O′Y′而言，接触点的Vy′等于零，Vx′＝Vx为该点的瞬时相对速度。

凸轮和挺杆相对速度

等于Vx，用极坐标表示，即

的函数。

这时不考虑挺杆中线在Z轴方向上对凸轮厚度中心面的偏离而引起的挺杆旋转。

可见，磨损量U是凸轮转角

的函数，可通过逐点计算来求出磨损量大小大小，找出最大磨损量。

4、降低凸轮机构磨损的相应措施

凸轮机构的磨损主要有凸轮—挺杆副的磨损、凸轮转动副的磨损、挺杆移动副的磨损。

其中凸轮—挺杆副的磨损最为明显。

为了减少凸轮—挺杆副的磨损。

可以从以下几个方面采取相应的措施：

（1）材料选取方面，要注意凸轮挺杆材料选配，选材时应考虑到摩擦副表面硬度的适当匹配，凸轮硬度应略低于挺杆硬度，硬度过大或硬度相同都会使擦伤倾向增加。

为了提高表面耐磨性必须对表面进行硬化处理。

有两种方法：

一是提高表面硬度，二是提高润滑性或在表面上形成一层阻止薄膜。

[7]

选择凸轮挺杆材料的原则是摩擦表面耐热性好，摩擦发热时不软化；摩擦因数小，并有利于润滑油膜形成、保持和恢复；导热性能好，使摩擦过程中温度上升少，从而不恶化润滑油品质。

（2）润滑油方面，从润滑油对挺杆擦伤的影响试验得知，擦伤与油基的粘度无关，而与添加剂有密切关系特别是二硫化磷酸锌之类的优良的抗磨损添加剂能够消除擦伤，而无抗磨损性能的氧化剂却会加重擦伤。

[2]

（3）运动参数方面，凸轮机构压力角是反映凸轮与从动件之间速度与力传递关系的重要参数。

在不考虑磨擦力时，压力角是某瞬时接触点处的公法线方向与从动件的运动方向之间的夹角。

直动从动件凸轮最大压力角不宜大于30º。

[7]减小压力角，可降低接触应力，降低磨损。

5、总结

由于磨损现象的多样性和复杂性，针对磨损的研究方法大多集中于试验测试，对复杂的动态磨损问题,至今还难以清楚地了解其从始至终的全过程。

摩擦副磨损寿命预测、状态监测及参数优化设计等三大难题仍有待于解决[8]。

凸轮机构的磨损也不例外，本文仅对常见的对心平底直动从动件凸轮机构的的磨损失效进行了探讨分析，有些方面还需要进一步研究。

在研究复杂非线性的材料磨损规律并同时考虑偶配件形状变化的影响时，经典微积分计算方法已不适用，这就要求人们寻找新的方法和手段。

[9]

参考文献：

[1]聂挺,冯世榕,刘冠章,热力发动机凸轮轴凸峰及液压平面挺杆体磨损故障分析[J],中国民航飞行学院学报,2002,9:

6-8

[2]吉建平,于天明,陆明,发动机凸轮挺杆摩擦副磨损原因分析[J].润滑与密封,2005,6:

120-121.

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机械工业出版社,1991.65~85

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[7]刘昌祺,牧野洋（日）,曹西京,凸轮机构设计[M].北京:

机械工业出版社,2005

[8]江亲瑜,葛宰林,李曼林.数值仿真及其在磨损研究中的应用[J].大连铁道学院学报,1997,18

（2）:

18-22.

[9]江亲瑜.零件磨损过程及寿命预测的数值仿真[J].润滑与密封,1997,6:

29-30.

致谢

在本课题组设计过程中，刘先兰老师给了我们很大的启发，提供了许多技术指导与设计建议，并且在设计过程中出现的问题也耐心的给与了解答，并且在百忙之中，对于本课题设计仔细审核，给出修改意见。

对于刘老师的平易近人，教学严谨，尽职尽责表以我崇高的敬意，并且，表示感谢。

最后，也要感谢组员们的积极配合，任劳任怨，通力合作；在我给与分配任务时能够用心完成，感谢大家。