聶華偉，徐玉梁

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，貴州貴陽550008；2. 貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550025)

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基于潤(rùn)滑特性分析的配氣凸輪設(shè)計(jì)

聶華偉1，徐玉梁2

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，貴州貴陽550008；2. 貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽550025)

摘要：平底從動(dòng)件配氣凸輪在桃尖附近容易出現(xiàn)潤(rùn)滑危險(xiǎn)區(qū)，磨損較大，需要進(jìn)行潤(rùn)滑特性分析。研究表明:配氣凸輪桃尖附近潤(rùn)滑系數(shù)應(yīng)滿足Nr≥0.5或0.15≤Nr≤0.25，改變凸輪桃尖附近加速度值或凸輪基圓半徑，配氣凸輪機(jī)構(gòu)獲得較好的油膜潤(rùn)滑特性。保證凸輪與從動(dòng)件之間滿足潤(rùn)滑特性要求，能夠有效降低配氣凸輪機(jī)構(gòu)磨損，當(dāng)0≤Nr≤0.25或Nr≥0.5 ，可以增大基圓半徑以改善潤(rùn)滑情況；當(dāng)0.25

關(guān)鍵詞:配氣凸輪加速度基圓半徑潤(rùn)滑系數(shù)

0引言

發(fā)動(dòng)機(jī)配氣凸輪一般結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速較高，且持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，因而對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、潤(rùn)滑條件和接觸應(yīng)力等方面要求較高。配氣凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件一般采用平底和滾子兩種形式：滾子從動(dòng)件與凸輪之間為滾動(dòng)摩擦，磨損較小，所以對(duì)潤(rùn)滑要求較低；平底從動(dòng)件與凸輪之間磨損較大但易形成油膜潤(rùn)滑，需要進(jìn)行潤(rùn)滑特性分析，從而保證配氣凸輪機(jī)構(gòu)使用壽命[1-2]。

本文采用彈性流體潤(rùn)滑理論，對(duì)平底從動(dòng)件配氣凸輪潤(rùn)滑情況進(jìn)行評(píng)定，分析了潤(rùn)滑系數(shù)Nr與從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和凸輪基圓半徑兩者間的關(guān)系；結(jié)果表明，通過改變凸輪桃尖附加速度值或凸輪基圓半徑均可以使凸輪機(jī)構(gòu)獲得較好的潤(rùn)滑特性。研究結(jié)果為平底配氣凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)和凸輪基圓半徑選擇提供了依據(jù)。

1配氣凸輪機(jī)構(gòu)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑特性分析

為了保證平底配氣凸輪機(jī)構(gòu)的可靠性和使用壽命，防止發(fā)生粘著磨損，在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)耐馆喸O(shè)計(jì)參數(shù)，使凸輪與從動(dòng)件之間具有良好的潤(rùn)滑條件。凸輪與平底從動(dòng)件間的最小油膜厚度是其具有良好潤(rùn)滑特性的前提條件,最小油膜厚度由Dowson’s and Higginson’s公式導(dǎo)出[3]：

(1)

(2)

式中：ω—凸輪轉(zhuǎn)速(rad/s)；

μ—常態(tài)下潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度(N·s/m2)；

ρ—接觸點(diǎn)處凸輪曲率半徑(m)；

r—凸輪基圓半徑(m)；

h—平底從動(dòng)件升程(m)。

通常選用無量綱潤(rùn)滑系數(shù)Nr對(duì)凸輪潤(rùn)滑條件進(jìn)行評(píng)價(jià)：

(3)

Deschler和Wittmann在公式(1)和(3)的基礎(chǔ)上提出了相對(duì)油膜厚度hξ：

(4)

Nr與hξ關(guān)系曲線如圖1所示。當(dāng)0≤Nr≤0.5時(shí)，凸輪相對(duì)油膜厚度呈半圓變化,這段區(qū)域內(nèi)，相對(duì)油膜厚度較小，通常認(rèn)為該區(qū)域是潤(rùn)滑危險(xiǎn)區(qū)。當(dāng)Nr≥0.5時(shí)，相對(duì)油膜厚度與Nr近似線性變化，隨Nr增大而增大，潤(rùn)滑情況也逐漸改善。

圖1　Nr與hξ關(guān)系曲線

平底配氣凸輪潤(rùn)滑系數(shù)最小值一般出現(xiàn)在桃尖附近，且由于尺寸限制的原因，配氣凸輪桃尖附近Nr難以避免處于危險(xiǎn)區(qū)。在文獻(xiàn)[3]中，當(dāng)0≤Nr≤0.25時(shí)，凸輪桃尖出現(xiàn)磨損后，ρ逐漸增大，h逐漸減小，根據(jù)公式(4)和圖1可知Nr逐漸增大并趨于0.25，相對(duì)油膜厚度逐漸增大，凸輪潤(rùn)滑情況變好。當(dāng)0.25

因此，為了使配氣凸輪機(jī)構(gòu)獲得較好的潤(rùn)滑特性，配氣桃尖區(qū)潤(rùn)滑系數(shù)應(yīng)滿足Nr≥0.5或0.15≤Nr≤0.25。

對(duì)于平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，接觸點(diǎn)處的曲率半徑ρ可表示為：

ρ=h″+h+r

(5)

式中：h″—凸輪從動(dòng)件加速度(mm/rad2)。

將公式(5)代入公式(3)整理得：

(6)

從公式(6)中可以看出，潤(rùn)滑系數(shù)Nr與平底從動(dòng)件加速度值和凸輪基圓半徑有直接關(guān)系，因此，可以通過修改從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)加速度值h″或凸輪基圓半徑rb使配氣凸輪機(jī)構(gòu)達(dá)到良好的潤(rùn)滑特性。

2基于潤(rùn)滑系數(shù)Nr的配氣凸輪設(shè)計(jì)

根據(jù)前面分析，以下將通過實(shí)例分別從平底從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)加速度值h″和凸輪基圓半徑rb兩方面進(jìn)行修改，使配氣凸輪機(jī)構(gòu)獲得良好的潤(rùn)滑特性。

2.1凸輪加速度h″與潤(rùn)滑系數(shù)Nr關(guān)系分析

由于凸輪潤(rùn)滑危險(xiǎn)區(qū)通常出現(xiàn)凸輪桃尖附近，因此可以通過修改桃尖附近加速度值h″以改善凸輪潤(rùn)滑條件。當(dāng)凸輪桃尖處某點(diǎn)加速度改變量為Δh″，升程相應(yīng)改變量為Δh，顯然Δh″?Δh，且h″為負(fù)值，根據(jù)公式(6)可知ρ和Nr均隨h″增大而增大，反之亦然。

本文運(yùn)用AVLExcite—TD軟件進(jìn)行配氣凸輪設(shè)計(jì)，凸輪采用高次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)中只需對(duì)指數(shù)次數(shù)進(jìn)行修改，即可得到不同基圓半徑凸輪接觸應(yīng)力和潤(rùn)滑系數(shù)曲線[4]。由于潤(rùn)滑危險(xiǎn)區(qū)僅存于凸輪桃尖附近，為了方便舉例，本文凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律沒有考慮緩沖段，且凸輪推程和回程采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。

圖2和圖3分別為凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律和接觸應(yīng)力及潤(rùn)滑系數(shù)曲線。可以看出，凸輪一桃尖附近潤(rùn)滑系數(shù)Nr為0.12，不能滿足0.15≤Nr≤0.25或Nr≥0.5，潤(rùn)滑情況惡劣。凸輪二在不改變凸輪最大升程和包角的前提下，通過修改增大了桃尖附近加速度h″值，桃尖附近潤(rùn)滑系數(shù)為0.25，滿足了潤(rùn)滑要求。另外，凸輪二與凸輪一相比最大接觸應(yīng)力減小，從動(dòng)件開啟時(shí)面值增大，均有利于提高配氣性能。但是，凸輪正加速值增大會(huì)加大沖擊，影響機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2　凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線

圖3　凸輪接觸應(yīng)力與潤(rùn)滑系數(shù)曲線

因此，當(dāng)凸輪初始設(shè)計(jì)不能滿足潤(rùn)滑條件時(shí)，可以通過增大或減小桃尖附近加速度h″值，以改善潤(rùn)滑條件，同時(shí)需要兼顧接觸應(yīng)力、時(shí)面值和最大正加速度要求[5-7]。

2.2凸輪基圓半徑與潤(rùn)滑系數(shù)Nr關(guān)系分析

在基圓半徑變化對(duì)平底凸輪潤(rùn)滑情況的影響分析中，有時(shí)忽略了凸輪處于潤(rùn)滑危險(xiǎn)區(qū)的情況，通常認(rèn)為基圓半徑越大，凸輪與從動(dòng)件接觸點(diǎn)的綜合曲率半徑越大，潤(rùn)滑情況越好[8-9]。

根據(jù)公式(6)可知，在不改變凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下，凸輪桃尖處潤(rùn)滑系數(shù)Nr隨基圓半徑r增大而增大，反之亦然。圖4為不同基圓半徑時(shí)凸輪接觸應(yīng)力和潤(rùn)滑系數(shù)曲線，r=25mm與r=20mm相比，潤(rùn)滑和接觸應(yīng)力均得到改善。但當(dāng)r>25mm時(shí)，Nr>0.25，隨著r的增大，接觸應(yīng)力逐漸減小，潤(rùn)滑條件會(huì)逐漸惡化，直至Nr>0.5，接觸應(yīng)力和潤(rùn)滑條件再次逐漸改善。

圖4　不同基圓半徑凸輪接觸應(yīng)力和潤(rùn)滑系數(shù)曲線

因此，當(dāng)0≤Nr≤0.25或Nr≥0.5，可以增大基圓半徑以改善潤(rùn)滑情況。當(dāng)0.25

3結(jié)論

在平底從動(dòng)件配氣凸輪設(shè)計(jì)中為了使配氣凸輪機(jī)構(gòu)獲得較好的油膜潤(rùn)滑特性，配氣凸輪桃尖附近潤(rùn)滑系數(shù)應(yīng)滿足Nr≥0.5或0.15≤Nr≤0.25。

改變凸輪桃尖附近加速度h″或凸輪基圓半徑r均可以改善凸輪潤(rùn)滑情況：前者不需改變凸輪結(jié)構(gòu)尺寸，但需兼顧從動(dòng)件時(shí)面值、接觸應(yīng)力及正加速度沖擊；后者不影響從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但需考慮接觸應(yīng)力及結(jié)構(gòu)尺寸要求。另外，也可以對(duì)兩者同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使凸輪機(jī)構(gòu)獲得較好的潤(rùn)滑情況。實(shí)例證明該方法簡(jiǎn)單可行、參數(shù)修改方便，為配氣凸輪的設(shè)計(jì)提供便利。

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中圖分類號(hào)：TH136

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)03-0033-04

作者簡(jiǎn)介：聶華偉(1984-)，男，河南人，博士，研究方向?yàn)槟Σ痢?rùn)滑與表面工程。

收稿日期：2015-10-20

Design of a valve cam based on lubrication characteristics analysis

NIE Huawei, XU Yuliang

Abstract:The valve cam with the flat follower tends to have poorly lubricated area near the peach tip, which leads to greater wear, so it is necessary to analyze the lubrication characteristics of the cam. The research showed that the lubrication coefficient near the peach tip should meet the formula Nr≥0.5 or 0.15≤Nr≤0.25. Changing the acceleration near the peach tip or the base circle radius could achieve better lubrication, thus reducing wear effectively. When 0≤Nr≤0.25 or Nr≥0.5, we can increase the base circle radius to improve lubrication. When 0.15≤Nr≤0.25, we can increase or decrease the base circle radius according to the size of the cam and the contact stress requirements, so as to meet the lubrication requirements.

Keywords:valve cam; acceleration; base circle radius; lubrication coefficient