配气机构的高负荷凸轮-滚子接触摩擦研究

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摘要：数字化方法越来越广泛地用于发动机开发。德国Daimler公司和Kaiserslautern工业大学通过详细的多体系统仿真和试验，对配气机构摩擦进行研究。比较了凸轮－滚子接触的摩擦测量结果和仿真结果。

关键词：摩擦；凸轮；滚子；配气机构

起因

随着2016年Mercedes-Benz新发动机系列的推出，德国Daimler公司的汽油机和柴油机效率得到大幅提升。Daimler公司致力于所有机械部件的摩擦优化，从而最大程度地减少曲柄连杆机构区域的摩擦。这些措施的有效性在采用ＦＥＶ公差带的比较中得到明显体现，其中新４缸和６缸发动机已达到新的最佳性能高度。为了保持这种竞争优势，Daimler公司通过更多地采用数字化开发方法，不断优化整个系统。基于滑动摩擦分析，配气机构和正时驱动已成为整个系统中越来越重要的组成部分。通过与Kaiserslautern工业大学机械元件与传动技术研究所（MEGT）合作，Daimler公司采用Simpack建立详细的多体系统（MBS）仿真和试验对配气机构摩擦进行了研究。本文比较了凸轮-滚子接触的摩擦测量结果和仿真结果。

凸轮-滚子接触试验装置

在MEGT新开发的模型试验台上进行凸轮-滚子接触摩擦测量，并用于验证Daimler公司开发的MBS仿真方法。该方法可以对凸轮－滚子接触过程进行详细的三维仿真，同时将诸如部件轮廓、润滑剂和表面光洁度等关键影响因素考虑在内。试验台采用模块化设计，因而可以有针对性地进行凸轮-滚子接触和单独的配气机构研究。采用双盘试验台进行高负荷的凸轮-滚子接触试验，该装置的盘形弹簧组件将零升程凸轮压在滚针轴承支撑的滚子上，可以在50~1500N的配气机构典型力范围内调节接触力，研究转速在250~1500r/min的凸轮轴转速范围内变化。

除了力和转速施加的接触负荷之外，试验台还可用于限定２个接触配件之间的角度偏差。这些角度偏差被称为“俯仰角”和“倾斜角”。通过改变滚子支承的位置实现这些角度偏差。通过围绕接触法线方向旋转来调节俯仰角，通过围绕法向力方向的切线旋转来改变倾斜角。力传感器安装在滚子支承与角度变化装置之间，用于记录切向和轴向的摩擦力。图１示出双盘试验台的详细结构以及俯仰角和倾斜角的定义。表１总结了试验研究的设定参数和边界条件。

图1 针对凸轮-滚子接触的双盘试验台详细结构

表１　试验研究的设定参数和边界条件

试验台可以具体研究摩擦边界条件（尤其是部件表面和润滑剂）对凸轮-滚子摩擦的影响。试验研究结果用于验证MBS的建模方法。MBS采用Dassault Systemes公司的Simpack软件，通过自行开发的计算程序进一步扩展该软件。以表1定义的基础参数和边界条件为出发点，将试验研究结果与仿真结果进行比较，并示出不同参数的影响。

凸轮-滚子接触负荷的影响

图2示出试验得出的取决于负荷（法向力与转速的组合）的凸轮-滚子接触摩擦特性（包括误差条在内的点），并将其与仿真结果（实线）进行比较。所采用的参考值为试验中测量的最大力。可以看出，采用新开发的详细MBS方法得到的仿真结��良好地反映了轴向和切向反作用力。试验与仿真之间的偏差有一部分是由于仿真模型的细微简化以及测量精度所致。可以看出，主导反作用力作用在轴向且与负荷无关。轴向力与切向力之间的系数最多可增加到40Ｎ。２种反作用力随着接触力的增加而增大。对于转速而言，可观察到力方向的相反趋势。转速的上升导致轴向力减小，这是因为当速度上升时混合摩擦降低。另一方面，切向力随着转速的增加略有增大，这是因为试验触头和滚针轴承中的滚动摩擦均小幅增加。由于轴向力是凸轮-滚子接触的主要摩擦力，因此下文仅参照该反作用力阐述接触件之间角度偏差的影响。

图2 转速和接触力对凸轮-滚子接触摩擦的影响

凸轮-滚子接触角度偏差的影响

图3示出俯仰角角度变化对凸轮-滚子接触轴向力的影响。通过绕着凸轮-滚子接触的法线方向旋转滚子支承来设定角度。对于给定的轴旋转方向可以看出，俯仰角决定了轴向反作用力的方向。正角产生正力，反之亦然。无论凸轮－滚子接触的转速或法向力如何，轴向力的走向与俯仰角的角度值相似，其类似于反正切曲线。俯仰角小于1°时，轴向力呈现出非线性特性；俯仰角大于1°时，力水平基本保持恒定。仿真结果与试验结果之间再次保持高度一致。仿真结果表明，凸轮与滚子之间的相对速度随着俯仰角的增大而增加，相对速度的增加会导致主体之间的滑动摩擦增大至附着极限。

图3 俯仰角对凸轮-滚子接触轴向摩擦力的影响

滚子向凸轮倾斜是接触件之间的第二种角度偏差，结果如图４所示。通过使滚子支承围绕接触法线方向的切线倾斜来设定角度。同俯仰角的情况一样，倾斜角的走向与负荷（转速与法向力的组合）无关。可以看出，俯仰和倾斜标记的组合决定了轴向反作用力是增大还是减小。当倾斜和俯仰标记相同时，轴向反作用力增大；当倾斜和俯仰标记不同时，轴向反作用力减小。仿真也很好地反映了这种特性。

图4 倾斜角对凸轮-滚子接触轴向摩擦力的影响

结论和展望

本文重点介绍了乘用车配气机构的凸轮-滚子接触摩擦。德国Daimler公司和Kaiserslautern工业大学的MEGT研究所进行合作，在双盘模型试验台上进

行了详细的试验研究，并开发了详细的MBS仿真方法。试验研究结果表明：凸轮-滚子接触的轴向摩擦力占主导地位，而切向摩擦力仅起次要作用；除了法向力和转速引起的接触负荷之外，接触件之间的角度偏差也会影响轴向力。试验结果与仿真结果呈现出非常良好的一致性，如图５所示。将超过600次的仿真结果与试验结果进行比较，平均偏差约为2% 。

图5 测量结果与计算结果比较

接下来研究凸轮接触半径、部件表面和润滑剂发生变化时的凸轮-滚子接触摩擦特性。充分对比凸轮-滚子接触仿真方法，然后将得到的结果运用在详细的配气机构仿真中。为了验证，在上文所述的模型试验台上进行试验研究。为此，对试验台进行改进，以便用单个气门机构替代双盘试验台。验证后的仿真结果有利于在产品开发过程的早期阶段评估配气机构的摩擦和磨损。