丁志強, 王奔， 劉世鋒， 張學(xué)龍

（重型專用車發(fā)動機安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山243000）

0 引 言

配氣機構(gòu)是內(nèi)燃機中2個主要運動機構(gòu)之一[1]，配氣機構(gòu)失效會造成整個發(fā)動機失效。在整個配氣機構(gòu)中，搖臂滾子與凸輪軸接觸失效是經(jīng)常發(fā)生的失效形式，其原因是搖臂滾子與凸輪軸之間傳遞較大的氣門開啟力，而且滾子通常會設(shè)計為鼓形，局部接觸應(yīng)力非常大，在兩者相對運動過程中，常常會出現(xiàn)表面剝落和點蝕等故障，最終會造成配氣機構(gòu)失效。文獻(xiàn)[2]對凸輪軸及滾子失效進(jìn)行了分析，結(jié)果表明接觸應(yīng)力過大是造成凸輪軸及滾子失效的原因。文獻(xiàn)[3]從設(shè)計和試驗等方面對搖臂滾子的斷裂原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)論顯示配氣結(jié)構(gòu)布置不合理是造成搖臂滾子失效的原因。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)說明了配氣機構(gòu)的設(shè)計與仿真方法。本文借助現(xiàn)代先進(jìn)的模擬仿真技術(shù)與先進(jìn)的試驗技術(shù)，對搖臂滾子與凸輪軸之間的接觸應(yīng)力進(jìn)行研究分析。

1 測試方法與原理

配氣機構(gòu)的運動非常復(fù)雜，其中搖臂、滾子和凸輪都處在高速旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，凸輪與滾子之間需要傳遞較大的氣門開啟力[6]。針對配氣機構(gòu)的動力學(xué)研究，現(xiàn)場試驗測試可以獲得比較準(zhǔn)確的力學(xué)特性參數(shù)，是一種可靠性和準(zhǔn)確性都比較高的研究方法。在配氣機構(gòu)的動力學(xué)研究過程中，氣門的升程、氣門的落座速度和氣門的運動加速度是主要研究參數(shù)，這3個參數(shù)能準(zhǔn)確描述整個配氣機構(gòu)的運動規(guī)律，也可以作為配氣機構(gòu)設(shè)計的主要設(shè)計參數(shù)和指標(biāo)[7]。但是氣門在正常工作過程中處于高速運動狀態(tài)，直接測量其運動參數(shù)非常困難，一般采用無接觸渦流傳感器來測量，即便如此測量，還是難以保證得到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本文把測量氣門的運動數(shù)據(jù)作為參考值，主要通過研究滾子與凸輪軸的接觸應(yīng)力來研究配氣機構(gòu)系統(tǒng)的力學(xué)特性。正常工作過程中，搖臂滾子與凸輪軸都處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，直接測量兩者之間的接觸壓力是不現(xiàn)實的。本文采用一種間接測量[8]的方法來測量搖臂滾子與凸輪軸之間的接觸壓力。

間接測量的具體方法是把搖臂滾子與凸輪軸之間的接觸壓力與搖臂結(jié)構(gòu)上的局部應(yīng)力建立對應(yīng)關(guān)系，如此便可以通過測量搖臂上的局部應(yīng)力來間接測量兩者之間的接觸壓力。首先通過模擬計算確定氣門開啟力Fv與搖臂滾子接觸壓力[4-6]之間的關(guān)系系數(shù)Sc。關(guān)系系數(shù)Sc可以通過試驗測試來確定，也可以利用目前比較先進(jìn)的模擬計算技術(shù)通過計算來確定。因為確定Sc值需要一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)越多Sc越準(zhǔn)確，通過試驗測試的方法成本比較大，本文選擇通過模擬計算的方法來確定Sc。

通過模擬計算來確定搖臂局部應(yīng)力與滾子接觸力之間的關(guān)系系數(shù)Sc的具體方法如下：

式中：σcal表示模擬計算應(yīng)力值；Fcal表示模擬計算輸入氣門力。

當(dāng)Sc確定后，就可以通過測量氣門開啟力Fmeas來計算搖臂滾子的實際接觸應(yīng)力：

式中：σmeas為搖臂滾子的實際接觸應(yīng)力；Fmeas為測量氣門開啟力。

在式（2）中，氣門開啟力Fmeas的值可以通過測量搖臂上的應(yīng)力計算推導(dǎo)，如此便可以通過測量搖臂上的局部應(yīng)力來間接測量計算搖臂滾子接觸應(yīng)力。

2 試驗準(zhǔn)備

2.1 硬件準(zhǔn)備

發(fā)動機正常工作時，搖臂主要受到氣門彈簧力、氣門力（氣缸內(nèi)的爆發(fā)壓力）及搖臂與搖臂軸之間的摩擦力的作用，搖臂所受的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜，存在較大的彎矩，而且由于搖臂的設(shè)計并不是完全對稱的，所以搖臂同時還受到部分轉(zhuǎn)矩作用。本文在測試過程中，主要測量搖臂的應(yīng)變，應(yīng)變片參數(shù)如表1所示，測量電橋原理如圖1和圖2所示，搖臂應(yīng)變橋路在搖臂上的安裝如圖3所示。因為搖臂安裝在罩殼內(nèi)，受一定的溫度作用，為了補償溫度對應(yīng)變片的影響，應(yīng)變測試選用全橋電路測試。

表1 應(yīng)變片參數(shù)

圖1 測量彎矩應(yīng)變片布置示意圖

圖2 測量應(yīng)變電橋接線示意圖

圖3 搖臂應(yīng)變電橋及配氣機構(gòu)安裝

2.2 剛度測量和橋路標(biāo)定

對于頂置配氣機構(gòu)來講，整個配氣機構(gòu)中主要零部件包括氣門、氣門彈簧、搖臂、搖臂軸、滾子和凸輪軸，可見配氣機構(gòu)的組成非常復(fù)雜，并不可以把其看作一個非剛性系統(tǒng)。所以在對配氣機構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)研究時，要把其看作一個彈性系統(tǒng)。

配氣機構(gòu)中的各運動部件會發(fā)生彈性變形或者彈跳，這會造成凸輪型線的運動軌跡發(fā)生畸變，最終造成實際測試得到氣門行程曲線與理論設(shè)計值存在一定的偏移量。在模擬計算中需要輸入的一個重要的參數(shù)是配氣機構(gòu)的整體剛度，這個剛度值可以通過實際測量得到。本文采用機械測量法來得到該剛度值，具體方法是將應(yīng)變片貼到試驗搖臂相應(yīng)的位置，利用上文中提到的全橋來測試搖臂應(yīng)變。本文的加載方法采用電葫蘆，并利用拉力計來測量加載力。

具體的剛度測量過程為首先利用粘貼在搖臂受力端的應(yīng)變片來測量該點應(yīng)變，并利用千分表來測量該點對應(yīng)拉力下的位移量。測試前需要先進(jìn)行預(yù)加載來消除配氣機構(gòu)傳動鏈之間的間隙，并記錄預(yù)加載拉力。然后，可以對配氣機構(gòu)逐步加載，本文選用的加載步為50 N，即每一步加載間隔50 N，總的加載步40次，完整記錄每一加載步的拉力、位移量和應(yīng)變量。

通過以上測量可以同時計算確定整個配氣機構(gòu)的剛度值并對測定橋路進(jìn)行標(biāo)定。

2.3 標(biāo)定曲線擬合

經(jīng)過2.2節(jié)中的測試，會得到一組40個數(shù)據(jù)，需要對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以方便后續(xù)應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理的方法很多，本文采用最小二乘法來對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，最后得到搖臂剛度和搖臂氣門推力及搖臂應(yīng)變之間的關(guān)系，給定數(shù)據(jù)點｛（Xi，Yi），i=0,1，2，…n｝，可取函數(shù)Φ，求擬合函數(shù)p(x)∪Φ，使得誤差平方和E2最小，即

E2=min(∑[p(xi)-yi]2])。

則擬合曲線：

y=p(x)。

3 試驗結(jié)果分析

本文選取發(fā)動機怠速600 r/min、最大轉(zhuǎn)矩點1400 r/min和額定轉(zhuǎn)速1900 r/min三個典型工況進(jìn)行試驗結(jié)果分析，這三種工況都是車輛常用工況，具有典型的代表意義。在試驗測試過程中，需要保證發(fā)動機工作在穩(wěn)定狀態(tài)，機油溫度、機油壓力、測功機狀態(tài)和冷卻液進(jìn)出口溫度等參數(shù)設(shè)置正確。

1）怠速工況。轉(zhuǎn)速600 r/min，機油溫度86 ℃，發(fā)動機點火，進(jìn)、排氣搖臂手動調(diào)整到基圓處，進(jìn)、排氣搖臂受力變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看到，發(fā)動機工作在怠速狀態(tài)600 r/min時，滾子與凸輪軸、搖臂與氣門之間沒有出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，氣門或搖臂出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，在凸輪型線工作段轉(zhuǎn)角內(nèi)，測試到的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變值會趨近于零值或負(fù)值。怠速工況下測試到的最大力在1900 N左右。

圖4 怠速點進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線

圖5 最大轉(zhuǎn)矩點進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線

2）最大轉(zhuǎn)矩點工況。發(fā)動機轉(zhuǎn)速1400 r/min，油溫114 ℃，把進(jìn)排氣搖臂手動調(diào)整到基圓處，測試得到的進(jìn)、排氣搖臂受力變化曲線如圖5所示。

圖6 額定點時進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線

3）額定轉(zhuǎn)速工況點。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1900 r/min，油溫為118℃，測試得到的進(jìn)排氣搖臂受力變化曲線如圖6所示。

從圖5和圖6可以看到，發(fā)動機工作在高速工況時，測試到的搖臂最小受力均大于等于0 N，說明滾子與凸輪、搖臂與氣門沒有出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，因為出現(xiàn)氣門飛脫現(xiàn)象時動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變值會趨近于零值或負(fù)值，說明發(fā)動機在高速運轉(zhuǎn)是可靠的。氣門開啟、關(guān)閉時都存在著一定的沖擊。搖臂具有高頻振動，振動頻率為1000 Hz。搖臂測試應(yīng)力與搖臂接觸應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。最大轉(zhuǎn)矩點測試到的搖臂最大受力為3500 N左右，額定點測試到的搖臂最大受力為4250 N左右。

從圖4、圖5和圖6中可以發(fā)現(xiàn)，測量有略微漂移，發(fā)動機點火時，排出高溫氣體，排氣搖臂受熱應(yīng)力影響，原在基圓調(diào)整的測量零點發(fā)生漂移，漂移量為55.84 N，而進(jìn)氣搖臂的測量應(yīng)變片不受影響。發(fā)生漂移的主要原因是選用的HBM應(yīng)變片不是高溫應(yīng)變片，難以承受發(fā)動機排氣口的高溫影響，發(fā)生零點漂移，這是采用應(yīng)變片測量過程中經(jīng)常出現(xiàn)的情況，只不過在處理數(shù)據(jù)時要考慮到漂移量。

圖7 搖臂測試應(yīng)力與搖臂接觸應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系圖

經(jīng)過軟件處理計算所得的搖臂滾子接觸應(yīng)力最大值為1200 MPa，小于材料的許用材料極限1450 MPa，選用的材料滿足設(shè)計要求，經(jīng)過耐久試驗驗證，搖臂滾子沒有出現(xiàn)剝落等故障。

4 結(jié) 論

本文采用模擬計算和試驗測試相結(jié)合的方法，對搖臂滾子接觸應(yīng)力進(jìn)行了測試和計算，研究結(jié)果表明：1）把模擬計算和試驗測試結(jié)合使用來預(yù)測搖臂滾子的方法簡單有效;2）間接測試得到的搖臂滾子接觸應(yīng)力1200 MPa，在材料的許用限值1450 MPa范圍內(nèi)，耐久試驗證明搖臂滾子無故障，說明測試和計算的結(jié)果是正確的；3）對搖臂的標(biāo)定過程符合規(guī)范，標(biāo)定曲線精度高；4）從測量搖臂應(yīng)力應(yīng)變的結(jié)果上看，整個測試過程搖臂應(yīng)力測試數(shù)據(jù)是可靠的。