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1、2 0 0 8 年5 月 第3 6 卷第5 期 机床与液压 M A C H I N ET O O L H Y D R A U L I C S M a y2 0 0 8 V o L3 6N o 5 基于摩擦学的凸轮设计方法论 胡首立1 ，刘鸣1 ，吴琼2 ( 1 山东大学机械工程学院，济南2 5 0 0 6 1 ；2 济南柴油机股份有限公司，济南2 5 0 0 6 1 ) 摘要：凸轮机构被广泛应用于内燃机的配气系统。凸轮与其从动件之间是以滑动为主的点线接触摩擦副，摩擦磨损 大，致使传动精度降低，影响凸轮副使用寿命。将摩擦学的理论方法引入凸轮设计能够有效地保障系统正常工作，提高传 动精度，延长系统
2、的使用寿命。通过对本领域发展现状的论述，归纳了凸轮传动系统摩擦学设计的基本方法，阐明了凸轮 关键参数对润滑状态的影响，探讨了凸轮润滑设计中有待解决的关键问题。 关键词：摩擦学设计；凸轮；润滑 中图分类号：T H l 3 2 4 7文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1 ( 2 0 0 8 ) 5 2 9 5 3 T h eC a mD e s i g nM e t h o d o l o g yB a s e do nt h eT r i b o l o g y H US h o u l i l ，L I UM i n g ，W UQ i o n 9 2 ( 1 C o l l
3、 e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，S h a n d o n gU n i v e r s i t y ，J i n a n2 5 0 0 61 ，C h i n a ； 2 J i n a nD i e s e lE n g i n eC o ，L t d ，J i n a n2 5 0 0 61 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A sak i n do fm e c h a n i c a lc o n t r o ls y s t e m c a mi sa p p l i e db r o
4、a d l y B e t w e e nt h ec a ma n dt h ef o l l o w e ri st h ef r i c t i o np a i r s p e c i a l i z i n gi ns l i p p i n g B i g g e rw e a r i n ga n dt e a r i n gw i l lc a u s et h er e d u c i n go ft h ep r e c i s i o no ft h et r a n s i m i s s i o n ，i n f l u e n c et h es e r v i c
5、 e l i f e I tm a k e st h ec o n t r o ls y s t e mw o r kw e l la n de x t e n d st h el i f eo ft h es y s t e mt oi n t r o d u c et h et r i b o l o g yi n t ot h ed e s i g no fc a m B ys u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo ft h i sr e a l m ，t h eb a s i cm e
6、t h o d so ft h et r i b o l o g yd e s i g ni nc a mt r a n s m i s s i o ns y s t e mw e r ec o n c l u d e d ，t h ei n f l u e n c et h a tt h ek e yp a r a m e t e r so fc a mt o w a r d sl u b r i c a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dt h ep r o b l e m so ft h el u b r i c a t e dd e s i g nw
7、h i c hi s n o ts o l v e dw e r ep u tf o r w a r d K e y w o r d s ：T r i b o l o g yd e s i g n ；C a m ；L u b r i c a t i o n 凸轮机构是一种结构简单且容易实现各种复杂运 动规律的高副机构，广泛应用于自动化及半自动化机 械中。它是以滑动为主的点或线接触摩擦副，凸轮表 面的接触应力很高。导致凸轮表面过早地出现了点 蚀、剥落及擦伤等接触疲劳强度损伤，影响了凸轮副 的寿命。降低摩擦磨损，延长使用寿命的最有效方法 是使凸轮机构处于合理的润滑状态。 以往的研究表明凸轮副处于混
8、和润滑状态，但随 着弹流理论的发展，人们发现凸轮和从动件之间能够 形成弹流润滑油膜，从而将两接触面分开，使机构处 于弹流润滑状态。凸轮摩擦学设计理论就是在凸轮设 计过程中以润滑条件为主体进行传动系统的设计，首 先确定凸轮的润滑状态，而后设计凸轮的各尺寸参 数。以此来确保凸轮副工作时的摩擦学特性，得到最 佳的使用寿命。 1 最小油膜厚度计算 1 1 稳态情况下最小油膜厚度 不考虑凸轮传动中系统振动引起的动载荷、卷吸 速度、曲率半径随时间和坐标的变化，以及流体的可 压缩性等非稳态效应，以及凸轮传动中的热效应和流 体的非牛顿性等因素而建立的模型称为稳态模型。当 弹流润滑计算基于稳态或近似于稳态情况时
9、，一般采 用D o w s o n H i g g i n s o n 提出的最小稳态膜厚公式旧。 8 m i n = 1 6 a n 6 ( 叼。秒) n7 尺n4 3 E 棚0 3 ( L F ) n ”( 1 ) 式中：a 为润滑油的压粘系数( m 2 N ) ；吼为润滑油 在压力区人口处的动力粘度( P a S ) ；E 为两接触体 的综合弹性模量( P a ) ；秽为卷吸速度( m s ) ；R 为 两接触体在接触区的综合曲率半径( m m ) ；L 为两接 触体的接触长度( i n ) ；F 为油膜所承受的压力，包 括弹簧力、从动件系统的重力和惯性力( N ) 。 此模型基于经验公
10、式( 1 ) 建立的，但是凸轮运 转过程中，接触部位受到的单位载荷、卷吸速度以及 综合曲率半径等都是变化的，即凸轮是在瞬态工况条 件下进行工作的，凸轮弹流润滑属于复杂的瞬态弹流 润滑问题，所以简单地根据弹流经验公式对凸轮进行 润滑设计也是不准确的。考虑到一般情况下凸轮机构 采用钢材制造和使用矿物油润滑，当量弹性模量E 和润滑油的粘压系数a 为常数，载荷F 对最小油膜厚 度影响很小，因此D e s c h l e r 和W i t t m a n n 将D o w s o n H i g g i n s o n 的最小稳态膜厚公式简化为： h 。i 。= 1 6 1 0 。 叩o U R ( 2
11、 ) 收稿日期：2 0 0 7 0 8 0 3 作者简介：胡首立( 1 9 8 3 一) ，硕士研究生，研究方向：内燃机配气系统的优化设计与研究。电话：1 5 8 0 6 6 2 4 0 3 4 ，E m a i l h u s h o u l i 2 0 3 1 6 3 c o r n 。 万方数据 2 9 6 机床与液压第3 6 卷 = 发鍪墨：。皇篓等垩弯图1 两种模型计算结果比较 某一转速时两种公式计一 一 算结果的对比，显然D e s c h l e r W i t t m a n n 的简化公式较 D o w s o n H i g g i n s o n 的公式偏于安全H3 。
12、1 2 动态情况下最小油膜厚度 由于凸轮与从动件之间的油膜是动态变化的，当 凸轮机构每个循环所需时间并非远大于润滑油流经 H e r t z 接触区的时间的情况下，须按动态进行计算。 一般采用清华大学俞海清等学者推导的膜厚变化公 式1 。 曲r p 6 。1 1 5 3U S 3 8 5 残8 。3 8 1 0 1 鹕7 面2 【瓦面丐呀酽一雨石丽哆J ( 3 ) 式中：I t 为流体动力有效速度( m s ) ；b 为凸轮宽 ( I n ) 。 6 。由式( 2 ) 计算得到。 上述的计算和结果适用于全膜弹流润滑状态，即 凸轮表面光洁度较高或跑合期之后稳定运转时的凸轮 机构归o 。 2 膜厚
13、比的计算分析 凸轮设计时应优先考虑接触副处于何种润滑状 态。两接触面间的润滑状态不仅取决于最小油膜厚 度，而且还受接触面粗糙度的影响，通常用最小油膜 厚度与两摩擦表面粗糙度均方根的比值膜厚比 ( 用A 表示) 作为判断。膜厚比作为最直观的磨损判 据而得到广泛的应用，对于不同的摩擦表面形态、不 同的摩擦副机械结构、不同的构成摩擦副的材质等也 有各不相同的判据。 A ：生 ( 4 ) y y = y ：+ 7 ；( 5 ) 式中：y ，y ：为两接触表面粗糙度的均方偏差 ( 斗m ) 。 y ，7 ：的值与加工和跑合情况有关。通常认为 当A 3 时，两接触面间处于完全弹流润滑状态，不 命很长。由图
14、可知当1 0 r _ 1 广1 州 A 1 5 时凸轮一般处矗I I 于正常工作状态，且相警2 m E 习三垄圭葺三蜊 对寿命约为A = 1 时的4 罂1 。 I l1 倍。此外W e l l a u e r 等人 f 通过研究提出了膜厚比 。匕l 与齿面损伤的关系曲 “ 1 主厚毛 57 加 竺，n 尝膜黑。皆二，。! 二 图2 膜厚比A 与相对 眵e 竺= 般咎于要尊王 一 筹；茜关亲晶夏 作状态哺o 。所以设计时 3凸轮机构关键参数对润滑状态的影响 基圆半径是凸轮传动系统的主要参数，影响运动 最小曲率半径对润滑状态的影响表现在膜厚比随 着凸轮最小曲率半径的增大而增大。 加，但增加非常有限
15、，由于凸轮型面对轴的平行度等 不建议在材料许用接触应力允许的前提下人为加大凸 轮与滚轮的接触宽度来改善润滑情况“ 】。 非常大。当凸轮与从动件表面粗糙度精度逐渐提高 成较大的最小油膜厚度时，可以采用提高两接触表面 的粗精磨削，凸轮表面采用感应淬火工艺，国外数 控凸轮磨床一次粗精磨削凸轮型面后，其糙度为 若取y l = y 2 = 0 5 1 J m ，贝0 ： A = 争= 筹一o 9 万方数据 第5 期 胡首立等：基于摩擦学的凸轮设计方法论 2 9 7 7 2 = 0 1 5 斗m ，则： A = 了m i n = 鬻扎5 2 A 1 5 ，凸轮一般处于正常工作状态。 因此在实际的开发设计中
16、，提高凸轮机构两摩擦 表面的光洁度是改善磨损状态最简便实用的方法。 3 4 凸轮转速及从动件运动规律 油膜厚度随着凸轮的转速增加而增加，但凸轮转 速的过大会引起凸轮机构的跳动和从动件上升或下降 引起的残留振动。因此必须考虑不平衡惯性力对传动 系统的影响。 从动件的运动规律对润滑的影响也很大，在升程 加速区，油膜厚度随凸轮转角增加而增加；在推程减 速区，油膜厚度随凸轮转角增加而减小。在降程中， 加速区油膜减薄，而减速区，油膜增加一1 。因此油膜 减薄区的加速度直接影响到最小油膜厚度，是改善润 滑状态的重要因素。 4 凸轮润滑设计中有待解决的关键问题 当今科学技术飞速发展，设计方法、加工工艺不 断
17、完善，材料磨损与表面处理技术的研究进展和广泛 应用，以及微观纳米摩擦学的发展，使摩擦学问题越 来越被重视。但是由于影响摩擦学设计的因素众多， 润滑剂及添加剂的特性随工况变化复杂，接触表面光 洁度难于精确控制等等，使得凸轮润滑设计中存在很 多需要进一步探讨的问题。在此提出以下问题进行探 讨。 4 1 接触表面粗糙度控制 在凸轮传动系统工作一段时间后，接触表面的凸 起会被磨平，导致其表面的精度提高，因此达到比较 好的润滑状态。这是一个伴随磨损过程，即润滑与磨 损的耦合。在设计时如何考虑这一变化，将影响到设 计参数的确定进而影响到加工成本。解决这一问题的 前提就是进一步完善真实粗糙表面润滑行为的模拟
18、计 算。因此计算机数值模拟在这一领域的研究过程中是 至关重要的的。此外还发现凸轮机构装配过程的清洁 度对磨损系数影响很大，估计与磨粒磨损有关，清洁 度对磨损系数的影响程度有待进一步的试验H 。 4 2 从动件运动规律的优化设计 凸轮等加速等减速的运动规律，将导致在加速度 突变点油膜厚度突然降低，直接影响到最小油膜厚 度。为了保证凸轮始终处于良好的润滑状态，应对凸 轮运动规律优化设计。 4 3 薄膜润滑 薄膜润滑是2 0 世纪9 0 年代以来广泛研究的新型 润滑状态，它是界于弹流润滑和边界润滑之间的一种 过渡润滑状态，是超精密仪器和设备中的凸轮副 中常出现的一种润滑状态。如何在这类凸轮设计中应
19、用薄膜润滑论理论是需要考虑的问题。 5 结束语 基于摩擦学的凸轮设计是解决凸轮摩擦磨损问题 的有效途径，其涉及的因素众多，包括接触表面光洁 度、不同工况下润滑剂及添加剂的性能变化、薄膜润 滑的实现条件，而且要涉及到凸轮传动系统的运动规 律优化和传动特性问题，还需要明确各公式的使用范 围及其简化使用，得出合理的凸轮传动系统模型。 参考文献 【1 】C h e nFY M e c h a n i c sa n dd e s i g no fc a mm e c h a n i s m M N e wY o r k ：P e r g a m o np r e s s ，1 9 8 2 【2 】DD
20、o w s o n ，GRH i g g i n s o n E l a s t o h y d r o d y n a m i cL u b f i c a - t i o n M N e wY o r k ：P e r g a m o np r e s s ，1 9 7 7 【3 】GD e s c h l e r ，DW i t t m a n N o c k e n a u s l e g u n gf u rf l a c h s t o B e l u n t e rb e a c h t u n ge l a s t o h y d r o d y n a m i s c h e
21、 rs c h m i e r u n g J M T Z ，1 9 7 8 ，3 9 ( 3 ) ：1 2 3 1 2 7 【4 】胡建华顶置凸轮一圆弧底摇臂混合润滑特性与磨损 分析 J 内燃机学报，1 9 9 9 ，1 ( 1 7 ) 【5 】俞海清，詹先泽，黄钰仙内燃机凸轮挺柱副动态弹 流润滑油膜厚度计算及其润滑性能分析 J 内燃机 学报，1 9 8 4 ，2 ( 2 ) ：1 2 5 1 4 0 【6 】邹慧君，郭为忠平底从动件凸轮机构考虑动态弹流 润滑油膜时动力响应的研究 J 机械工程学报， 1 9 9 9 ，1 ：1 0 6 1 0 9 【7 】W A N GX i a n y o
22、 n g ，M I A OX u e l o n g ，e ta 1 I n v e s t i g a t i o na n d A n a l y s i so f L u b r i c a t i o nb e t w e e nR o l l e r a n dC a mi n H i - s h P r e s s u r eF u e lI n j e c t i o nP u m p J M o d e mV e h i c l eP o w e r ，2 0 0 6 ，1 ：1 7 2 0 【8 】S o n gL i m o n g ，“Z o n g q i n g L
23、u b r i c a t i o no fC o n s t a n tF l o w P u m p 8C a mF o l l o w e r J L u b r i c a t i o nE n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 。1 ：6 9 7 1 【9 】C h e wM ，C h u a n gcH M i n i m i z a t i o nr e s i d u a lv i b r a t i o n s i nh i s h s p e e dc a m f o l l o w e rs y s t e m so v e rar a n g eo
24、 f s p e e d s J M e c h a n i c a lD e s i g n ，1 9 9 5 ，1 1 7 ：1 6 6 1 7 2 【l o 】B oJ a c o b s o n T h i nf i l ml u b r i c a t i o no fr e a ls u r f a c e s J T r i b o l o g yI n t e r n a t i o n a l 2 0 0 0 ，3 ：2 0 5 2 1 0 ( 上接第2 9 4 页) 参考文献 【1 】钟一谔，何衍宗，王正，等转子动力学 M 北 京：清华大学出版社，1 9 8 7 ：6 9
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26、i,LIU Ming(山东大学机械工程学院,济南,250061)， 吴琼,WU Qiong(济南柴油机股份有限公司,济南,250061) 刊名： 机床与液压 英文刊名：MACHINE TOOL & HYDRAULICS 年，卷(期)：2008,36(5) 被引用次数：2次 参考文献(10条)参考文献(10条) 1.Chen F Y Mechanics and design of mechanism 1982 2.D Dowson.G R Higginson Elastohydrodynamic Lubfica-tion 1977 3.G Deschler.D Wittman Nockenaus
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28、brication between Rollerand Cam in High Pressure Fuel Injection Pump 2006 8.Song Linsong.Li Zongqing Lubriction of Constant Flow Pumps Cam Follower期刊论文-Lubrication Engineering 2002 9.Chew M.Chuang C H Minimization residual vibration sin hish-speed cam-follower systems over a range of speeds 1995 10.Bo Jacobson Thin film lubrication of real surfaces外文期刊 2000 引证文献(2条)引证文献(2条) 1.唐琴.章易程.林晨岚.廖志远 凸轮磨损的研究综述与思考期刊论文-机械传动 2010(8) 2.廖海平.刘启跃.曾翠华.任红兵 平底直动从动件盘形凸轮机构弹流润滑设计期刊论文-机械设计 2009(5) 本文链接：http:/