发动机顶置配气凸轮轴接触应力测试方法

摘要

本发明涉及一种发动机顶置配气凸轮轴接触应力测试方法，包括以下步骤：用仿真方法确定工作周期内凸轮-从动件最大接触应力对应的凸轮轴转角；借助台架试验动态测试凸轮最大接触应力转角下的圆角应力；然后确定凸轮-从动件接触力与凸轮根部圆角应力的线性关系，继而可以换算得到凸轮-从动件的最大接触力；最终根据赫兹公式求解得到接触应力。本方法可以实现包括顶置式的任何配气机构型式的凸轮轴接触应力测试，测试数据可信度高。

说明书

技术领域

本发明属于发动机测试技术领域，具体涉及一种发动机顶置配气凸轮轴接 触应力测试方法。

背景技术

凸轮轴是发动机配气机构传动组件的核心零件，为保证机构动力传递刚度， 凸轮轴强度的设计裕度一般较大，正常情况下凸轮轴很少发生断裂疲劳失效。 反而，凸轮与其从动件的磨损失效问题较为常见，凸轮直接驱动的零部件称之 为凸轮从动件，一般是指摇臂、摆臂或挺柱。特别是随着高功率密度发动机的 问世，该摩擦副在高温、高转速、变压力的作用下，容易导致凸轮-从动件工作 面因发生剧烈摩擦而磨损。研究和解决凸轮接触疲劳问题其中最重要的一个评 价参数就是接触应力，然而，接触应力的测试难度非常大。因此，准确测试凸 轮轴凸轮接触应力值，用以解决凸轮磨损问题以及疲劳研究是非常重要的。

目前，有关凸轮轴接触应力的获取方法主要是仿真计算，一般运用AVL动 力学计算模块，通过搭建模型、参数输入，可以简单地得到凸轮周期接触应力 曲线，但是，由于机构为简化模型、润滑和摩擦参数量化难，仿真计算得到的 应力值和实际应力值还是存在一定的误差。试验测试是另外一个接触应力的获 取方法，其主要包括两种思路：一种是采用薄膜应变计等特殊应变计或通过面 压试纸直接测试得到；另一种是首先通过测试机构相关零件的应力来求解接触 力，再利用赫兹公式计算间接得到。特殊应变计技术成熟度、可靠性较低，且 测试量程有限，业内应用较少；通过试验间接测试的方法业内认可度虽然较高， 但是，其应用只能局限于凸轮轴中置或下置的推挺摇式配气机构，对于顶置凸 轮轴配气机构型式毫无应用价值，因为很难找到能够通过测试应力来求解凸轮 接触力的相关零件。

申请号为200810044029.4的专利申请公开了一种柴油机燃油系统凸轮驱动 机构接触应力的测试方法，采用动态测试和静态测试相结合的方式，对柴油机 燃油系统凸轮驱动机构中凸轮与挺杆的接触应力进行测试：首先测量工作状态 下挺杆的动态应变值，然后计算出挺杆所受的作用力大小；根据凸轮在受最大 接触力作用时凸轮接触力与挺杆轴向作用力间的夹角，将挺杆受到的轴向作用 力换算成凸轮与滚轮之间的接触力；最后在试验机上按标定载荷加载，测量凸 轮与滚轮之间的接触区面积，计算其平均接触应力。该方法能够准确测的接触 应力，对凸轮驱动机构进行强度评估，指导凸轮与挺杆的结构设计，同时也可 以判别仿真分析的结果，指导仿真分析。

现有技术中，接触应力的间接测试方法仅能针对中置或下置的推挺摇式配 气机构，选择在推杆表面轴向方向布置应变片，得到推杆的承受载荷，进而换 算得到凸轮-挺柱的接触力，后利用赫兹公式完成接触应力求解，因此，无法实 现顶置凸轮轴配气机构型式的接触应力测试。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种发动机顶置配气凸轮轴 接触应力测试方法，能够实现任何配气机构型式凸轮轴接触应力的测试。

本发明的技术方案：一种发动机顶置配气凸轮轴接触应力测试方法，其特 征在于：

第一步，通过AVL动力学计算模块确定工作周期内凸轮-从动件最大接触应 力时对应的凸轮轴转角；

第二步，在配气机构试验台架上动态测试凸轮-从动件最大接触应力转角对 应的凸轮根部圆角应力；

第三步，取出并固定凸轮轴，采用液压的、等形的非标从动件压头与凸轮 轴定位承载接触，确定凸轮-从动件接触力与凸轮根部圆角应力的线性关系；

第四步，根据第二步确定的凸轮根部圆角应力和第三步确定的凸轮-从动件 接触力与凸轮根部圆角应力之间的线性关系，确定凸轮-从动件的最大接触力；

第五步，按照赫兹公式确定接触应力。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.可实现任何配气机构型式凸轮轴接触应力的测试：本方法则选择在凸轮 轴凸轮根部圆角处布置应变片，采用非标从动件压头利用等量测试原理完成凸 轮-从动件接触力的换算，因此，本方法可以实现包括顶置式的任何配气机构型 式的凸轮轴接触应力测试。

2.测试数据可信度高：本方法首先通过AVL动力学计算模块找到工作周期 内凸轮-从动件间最大接触应力时刻，进一步分析得到此刻凸轮根部圆角承载的 敏感区域，并完成应变片的布置和动态应力测试。等量测试时，取出并固定凸 轮轴，采用液压的、等形的非标从动件压头实现与凸轮轴的定位承载接触，并 得到相应圆角应力，继而通过等量求解得到凸轮-从动件接触力。以上应力测试 前，均需要进行状态标定、温度补偿、应变计调试及预加载。另外，赫兹公式 中凸轮-从动件的接触带宽参数也是在等量试验中测试得到。因此，整个试验测 试得到的数据是比较准确可靠的。

附图说明

图1为凸轮根部圆角应力台架测试示意图

图2为凸轮根部圆角应力等量测试主视图

图3为凸轮根部圆角应力等量测试左视图

1-凸轮、2-应变计、3-等形非标从动件、4-引线、5-接触带、6-凸轮轴

具体实施方式

首先通过AVL动力学计算模块找到工作周期内凸轮-从动件最大接触应力时 对应的凸轮轴转角。

在凸轮轴的凸轮根部圆角处粘贴应变片，借助配气机构试验台架动态测试 凸轮-从动件最大接触应力转角对应的凸轮根部圆角应力。

凸轮轴动态应力测试装置，包括凸轮轴、应变计、引线、联接盘、无线发 射模块及无线接收模块，所述应变计布于凸轮轴的凸轮根部圆角处，凸轮轴上 加工有补充小孔；引线一端与应变计连接，另一端经补充小孔、凸轮轴中空油 道、联接盘与无线发射模块连接；无线发射模块固定在联接盘上；无线接收模 块与计算机连接。

确定凸轮-从动件的接触力与凸轮根部圆角处应力之间的线性关系。固定凸 轮轴，采用液压的、等形的非标从动件压头实现与凸轮轴的定位承载接触，在 非标从动件压头上施加一定的压力，并测量得到相应的凸轮根部圆角应力。根 据在非标从动件压头上施加的压力可以推算非标从动件压头-凸轮接触力。这样 就确定了非标从动件压头-凸轮接触力与凸轮根部圆角应力之间的线性关系。

根据动态测试得到的凸轮-从动件最大接触应力转对应的凸轮根部圆角应 力，结合等量测试试验中得到的非标从动件-凸轮接触力与凸轮根部圆角应力之 间的线性关系，确定凸轮-滚轮的最大接触力。

最后按照赫兹公式确定接触应力。