论文摘要
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36o）,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。