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内燃机凸轮滚轮型接触副弹流润滑分析
作者:网站采编关键词:
摘要：凸轮机构作为内燃机配气机构的重要摩擦副，其运动是一种非线性叠加的时变过程。诸如载荷-时间、轮廓面曲率-时间和速度-时间等历程的复杂性，造成凸轮机构摩擦副润滑状态的剧烈
凸轮机构作为内燃机配气机构的重要摩擦副，其运动是一种非线性叠加的时变过程。诸如载荷-时间、轮廓面曲率-时间和速度-时间等历程的复杂性，造成凸轮机构摩擦副润滑状态的剧烈变化，使其持续地处于非稳定状态。
针对凸轮机构的润滑问题，长期以来不少研究者进行了探索。德国学者HOLLAND[1]最早研究凸轮机构润滑问题，但仅简单地将卷吸效应和挤压效应进行叠加以分析运动副润滑。DOWSON等[2]使用准稳态线弹流的方法，探讨了凸轮接触副的润滑问题。梅雪松等[3]采用平均流动模型描述凸轮-挺杆副表面润滑过程，分析了不同的表面粗糙度对凸轮接触副润滑性能的影响。王静和杨沛然[4-5]给出了热效应等因素对线接触偏心凸轮接触副弹流润滑的影响。曹一等人[6]研究了不同运动规律的凸轮机构油膜厚度变化，分析了油膜厚度与凸轮基圆半径、转速的关系。廖海平等[7]应用弹流润滑理论对凸轮基本尺寸进行设计。毕佳宾等[8]通过MATLAB软件研究了内燃机凸轮-挺杆机构的摩擦学性能。常秋英等[9]研究了凸轮-挺柱副热弹流润滑的挤压效应问题。张建军等[10]则针对大椭圆比点接触的偏心凸轮热弹流问题，给出了完全数值分析。RAISIN等[11]对苛刻工况下凸轮-挺柱副的润滑性能进行了分析。以上研究从不同角度分析了凸轮机构的润滑问题，但少有涉及凸轮-滚轮型运动副的润滑问题。鉴于此，本文作者将对潍柴动力制造的某型号内燃机凸轮-滚轮机构进行弹流润滑分析。由于凸轮-滚轮的有限长线接触特点，工程师在设计中都会尽可能地避免可能出现的较大集中应力，而文中针对凸轮-滚轮接触副润滑状态的分析，可在一定程度上为有效实现接触副应力分布均匀化提供数据参考。
1 理论模型
1.1 基本方程
采用修正的广义动态Reynolds方程[12]：
式中各当量符号定义如下：
(ρ/η)e=12(ηeρ′e/η′e-ρ″e)
ρe=(1/h)ρdz
1/ηe=(1/h)(1/η)dz
1/η′e=(1/h2)(z/η)dz
式中:p为油膜压力 (Pa);h为膜厚 (m);ρ为润滑油的密度 (kg/m3)；η为润滑油黏度 (Pa·s)；ua和ub为凸轮和滚轮固体表面速度 (m/s)。
膜厚方程：
(y≤ 0时，取+；y>0时，取-)
式中:f是一个符号函数,当y>l/2时，f=1，当y≤l/2时，f=0;h0(t)为刚体中心膜厚(m)；E′为综合弹性模量(Pa)；htd和Rd分别为滚轮凸度及端部倒角(m);R为凸轮与滚轮的综合曲线半径(m)。
表观黏度计算方程：
η*=η0expA1×-1+1+A2pz0A3/A4-s0
式中:A1=lnη0+9.67，A2=5.1×10-9Pa-1，A3=1/(T0-138)，A4=138/(T0-138)，Z0=α/(A1A2)，S0=β0/(A1·A3)；α为黏压系数(Pa-1)；β0为黏温系数(K-1)，z0和s0为常数；T为润滑油温度(K);T0为环境温度(K)。
文中采用非牛顿Ree-Erying流体[13]，则等效黏度为
式中：τe和τ0分别为沿剪应力的合力和Eyring剪应力常数(Pa)。
密度方程：
ρ=ρ01+C1p/(1+C2p)-C3(T-T0)
式中：C10.6×10-9Pa-1；C2=1.7×10-9Pa-1；C3=0.000 65 K-1；ρ0为润滑油的环境密度(kg/m3)。
设初始载荷为w0，弹簧刚度为ks，凸轮升程为s，忽略运动构件的惯性力影响，则载荷方程为
?pdxdy=w0+ks·s
不考虑体积力和热辐射的影响，并忽略沿x和y方向的热传导，将黏性流体流动的能量方程与连续性方程联立，可得到润滑油膜的能量方程：
其中，参数
式中：c为润滑油比热容(J/(kg·K))，u、v分别为润滑油沿x、y方向的流速(m/s)；k为润滑油的热传导系数(W/(m·K))。
固体a、b的热传导方程：
式中：ca、cb为固体a、b的比热容(J/(kg·K))，ρa、ρb为固体a、b的密度(kg/m3);ua、ub为两接触固体表面沿x方向的速度(m/s);ka、kb为固体a、b的热传导系数(W/(m·K))。
摩擦因数的计算公式为
1.2 边界条件
(1)Reynolds方程的边界条件
p(xin,y)=p(xout,y)=p(x,yin)=p(x,yout)
p(x,y)≥0(xin≤x≤xout,yin≤y≤yout)
(2)在油膜入口处非逆流区，油膜能量方程的边界条件
T(xin,y,z)=T0
而在入口处逆流区及计算域的其他3个出口边界上均不需要边界条件。
(3)固体a热传导方程的边界条件
T(xin,y,za)=T0，T(x,y,d)=T0
(4)固体b的热传导方程的边界条件
文章来源：《内燃机与配件》 网址: http://www.nrjypj.cn/qikandaodu/2021/0305/625.html