中型CNG发动机凸轮/挺柱接触应力与疲劳磨损失效分析

摘要

配气机构是新型CNG发动机的重要组成部分，CNG发动机配气凸轮机构常因设计、生产和使用等原因，发生挺柱飞脱和磨损失效现象。本文以6110中型CNG发动机配气凸轮机构为研究对象，系统地分析了接触应力与疲劳磨损之间的关系。首先对挺柱、气门进行了运动弹性动力学理论计算，结果表明：在怠速和额速工况下气门均能正常工作，而超速50％时，挺柱在凸轮转至55o～125o时发生了飞脱；应用赫兹公式计算了凸轮挺柱间的接触应力，结果表明最大应力位置在最大加速度处(凸轮转至360)，最大接触应力为440MPa，小于最大许用应力823MPa；凸轮桃尖处的次大应力为350MPa。 为校验理论计算结果，应用有限元软件LS-DYNA模拟研究了凸轮机构运动特征和凸轮挺柱的接触应力。与理论计算对比，挺柱升程和速度吻合较好，加速度存在较大的偏差，其原因是理论计算得到的是接触表面理想光滑状态下的解，而模拟中，接触表面网格的划分决定了光滑程度，为此相对粗糙的凸轮型面使挺柱产生极大的瞬时加速度。怠速和额速工况下接触应力结果与理论计算结果相吻合，两种工况下模拟最大接触应力(640MPa)出现在凸轮桃尖部位，大于理论计算最大值(440MPa)，但仍小于最大许用应力：在挺柱最大加速度时刻，两种工况下最大接触应力(380MPa)稍小于理论计算最大值，最大接触应力出现的位置与理论计算不同。而最大接触应力与理论计算存在差异的原因在于两者的接触方式，模拟中多有点接触的情况发生，而理论计算是在接触状态理想的假设前提下进行的。凸轮挺柱间的摩擦包含了滑动摩擦和滚动摩擦的复合摩擦过程，接触是瞬间接触-瞬间分离，循环往复的过程。正是凸轮挺柱间周期性接触应力的作用，使得二者之间表面产生疲劳磨损失效。 采用了化学成分分析、硬度检测、扫描电镜等手段对失效凸轮挺柱进行了实验分析。研究了凸轮挺柱的主要磨损形式、磨损机理及其影响因素，认为凸轮挺柱的主要磨损形式为疲劳剥落、犁沟切削及磨料磨损，磨损机理为接触疲劳失效。计算了不同转速下的最小润滑油膜厚度与接触应力大小之间的关系。当转速为1000r/min时，凸轮桃尖部位最小油膜厚度小于0.1μm，是整个配气凸轮系统最危险点；此时，模拟计算了挺柱非正常接触时(不做自转)最大接触应力在桃尖部位，其值为1050MPa，大于最大许用应力。 为获得耐磨的凸轮挺柱表面涂层，应用ANSYS软件对具有超硬陶瓷涂层的镁合金试样做了纳米压痕试验模拟。结果表明超硬陶瓷层的显微硬度为93.7GPa，为镁合金基体显微硬度(2.52GPa)的37.2倍。说明具有超硬涂层的凸轮挺柱会更具耐磨性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1论文的研究背景

1.2配气机构研究方法及其国内外研究进展

1.3论文的主要研究内容、创新点及组织结构

2配气凸轮与挺柱的动力学分析及其接触应力计算

2.1 引言

2.2配气机构运动弹性动力学模型理论公式推导

2.3原始数据的确定

2.4 单性气门运动函数的计算

2.5凸轮与挺柱摩擦副接触应力计算

2.6结果分析

3基于ANSYS的凸轮挺柱动力学仿真模拟

3.1 引言

3.2凸轮挺柱动态摩擦模拟

3.4 结论

4凸轮挺柱磨损失效实验分析

4.1 凸轮挺柱的常见宏观失效形式

4.2凸轮挺柱的磨损失效分析

4.3润滑条件对凸轮挺柱疲劳磨损的影响

4.4 结论

5纳米薄膜的纳米压痕模拟

5.1 纳米压痕的一般概念及纳米压痕技术的应用

5.2纳米压痕技术的理论基础

5.3应用ANSYS软件对AZ91D镁合金基体双层膜做纳米压痕模拟

5.4结论

结 论

参考文献

致 谢