【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(gòu)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(dá)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?，配氣機構(gòu)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(xué)機械元件與傳動技術(shù)研究所（MEGT）合作，Daimler公司采用詳細(xì)的多體系統(tǒng)（MBS）仿真［5－6］和試驗對配氣機構(gòu)摩擦進(jìn)行了研究。本文比較了凸輪－滾子接觸的摩擦測量結(jié)果和仿真結(jié)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(jìn)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(jìn)行詳細(xì)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(guān)鍵影響因素考慮在內(nèi)。試驗臺采用模塊化設(shè)計，因而可以有針對性地進(jìn)行凸輪－滾子接觸和單獨的配氣機構(gòu)研究。采用雙盤試驗臺進(jìn)行高負(fù)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(gòu)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(fù)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(xì)結(jié)構(gòu)以及俯仰角和傾斜角的定義。表1總結(jié)了試驗研究的設(shè)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(xì)結(jié)構(gòu)

表1 試驗研究的設(shè)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(jié)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(jìn)一步擴展該軟件［7］。以表1定義的基礎(chǔ)參數(shù)和邊界條件為出發(fā)點，將試驗研究結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，并示出不同參數(shù)的影響。

3 凸輪－滾子接觸負(fù)荷的影響

圖2示出試驗得出的取決于負(fù)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(jié)果（實線）進(jìn)行比較。所采用的參考值為試驗中測量的最大力?？梢钥闯?，采用新開發(fā)的詳細(xì)MBS方法得到的仿真結(jié)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(xì)微簡化以及測量精度所致?？梢钥闯?，主導(dǎo)反作用力作用在軸向且與負(fù)荷無關(guān)。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(dǎo)致軸向力減小，這是因為當(dāng)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(shè)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(jié)果與試驗結(jié)果之間再次保持高度一致。仿真結(jié)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(dǎo)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(jié)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(shè)定角度。同俯仰角的情況一樣，傾斜角的走向與負(fù)荷（轉(zhuǎn)速與法向力的組合）無關(guān)?？梢钥闯?，俯仰和傾斜標(biāo)記的組合決定了軸向反作用力是增大還是減小。當(dāng)傾斜和俯仰標(biāo)記相同時，軸向反作用力增大；當(dāng)傾斜和俯仰標(biāo)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(jié)論與展望

本文重點介紹了乘用車配氣機構(gòu)的凸輪－滾子接觸摩擦。德國Daimler公司和Kaiserslautern工業(yè)大學(xué)的MEGT研究所進(jìn)行合作，在雙盤模型試驗臺上進(jìn)行了詳細(xì)的試驗研究，并開發(fā)了詳細(xì)的MBS仿真方法。試驗研究結(jié)果表明：凸輪－滾子接觸的軸向摩擦力占主導(dǎo)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(fù)荷之外，接觸件之間的角度偏差也會影響軸向力。試驗結(jié)果與仿真結(jié)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(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，平均偏差約為2%。

圖5 測量結(jié)果與計算結(jié)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(jié)果運用在詳細(xì)的配氣機構(gòu)仿真中。為了驗證，在上文所述的模型試驗臺上進(jìn)行試驗研究。為此，對試驗臺進(jìn)行改進(jìn)，以便用單個氣門機構(gòu)替代雙盤試驗臺。驗證后的仿真結(jié)果有利于在產(chǎn)品開發(fā)過程的早期階段評估配氣機構(gòu)的摩擦和磨損。