２０１７年７月 机床与液压 Ｊｕ１．２０１７ 第４５卷第ｌ４期 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．１４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１７．１４．０１４ 凸轮轴磨损的试验研究 詹琴 （湖南工业职业技术学院机械工程系，湖南长沙４１０２０８） 摘要：研究在干磨损条件下凸轮轴的磨损机制和磨损表面形貌的变化。计数体材料是ＡＩＳＩ １０２０硼钢。用磨损测试持 续时间和负载的函数计算样本质量损失以确定磨损量。凸轮轴轮廓的变化是在磨损过程中由液位传感器获取的。在整个测 试过程中，在计算机屏幕上不断监测轮廓变化，以寻求沿接触面变化的凸轮表面磨损机制，最大磨损值只在凸轮的顶部。 关键词：凸轮轴；轮廓；干磨损 中图分类号：ＴＨｌｌ７ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１－３８８１（２０１７）ｌ４—０４９—３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃａｍ Ｓｈａｆｔ Ｗｅａｒ ＴＡＮＧ Ｑｉｎ （Ｔｈｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｈｕｎａｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１０８０２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ ＷＯ１３＂Ｉ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｍ ｓｈａｆｔ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｒｙ ｗｅａｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．（Ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｏｆ ＡＩＳＩ １０２０ ｗｅｒｅ ｈａｒｄｅｎｅｄ ｂｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ）．Ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｅｒ ｂｏｄｙ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ＡＩＳＩ １０２０ ｂｏｒｏｎ ｓｔｅｅ１．Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｓ ｗｅｉｇｈｔ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｒ ｔｅｓｔ ｄｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｍｓｈａｆｔ ｐｒｏｆｉｌｅ ｗａｓ ｃａｐｔｕｒｅｄ ｂｙ ａ ｌｅｖｅｌ ｓｅｎｓｏｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅａｒ．Ｔｈｅ ｐｒｏｆｉｌｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｃｒｅｅｎ ｔｈｒｏｕｇｈ— ｏｕｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔｓ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｅａｌ＂ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｈａｎｇｅ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ．Ｔｈｅ ｍ￣ｉｍｕｍ ｗｅａｒ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｏｂ－ ｔａｉｎｅｄ ｊｕｓｔ ｔｏ ｃａｍ ｆｊｐ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃａｍ ｓｈａｆｔ；Ｐｒｏｆｉｌｅ；Ｄｒｙ ｗｅａｒ 发动机凸轮轴是发动机最重要的部分，发动机性 有更明显的优势。同时，可以通过扫描电子显微镜获 能很大程度受其磨损影响。因此，许多研究者研究凸 得凸轮磨损轮廓。 轮磨损。一些研究针对成对材料影响磨损量，还有一 １ 实验过程 些研究针对凸轮磨损机制。ＡＬＡＭＳＹＡＨ等…研究了 凸轮磨损试验是在干磨损条件下用凸轮一从动件 在控制条件下凸轮材料初始表面对凸轮磨损的影响。 模型进行的。磨损试验机装有液位计传感器（线性 ＫＡＮＯ等心 利用数值方法研究某些成对材料的凸轮磨 垂直位移传感器ＬＶＤＴ）、 损。ＭＡＳＪＵＫＩ等［３ 研究了使用硬化灰口铸铁作为凸 桥放大器、转换器（Ａ／Ｄ）， 轮材料，油对凸轮磨损的影响。ＫＡＲＡＭＩＳ等 ］研究 由计算机进行控制（图。 了某些硬化材料对并对其耐磨性能和机制进行比较。 １）。所制造的ＡＩＳＩ １０２０样塞 ＩＰＥＫ等 ］也将实时磨损测量方法与基于水平传感器 品硬化为ＨＶ６４０。接着在 测量磨损的传统磨损测量方法进行了比较。ＫＯＳＯＫＯ ９２０ ｏＣ条件下对其计数表 等［７ 使用表层激活分析凸轮磨损。此方法使用带电粒 面进行了持续４ ｈ渗硼处 子束（像质子）辐照。对金属表面加速产生一层薄 凸轮轮廓！，ｍｍ 理，其表面硬度达到 薄的活动层。此激活层的磨损是用辐射探测器来测量 ＨＶ２ ３２０。其深度为距离表 图１凸轮表面的 损失厚度。唐少雄等 基于单点观察的原则开发了 正载荷分布 面７０ ｕｒｎ。 从动件磨损的仿真模型。磨损是使用Ａｒｃｈａｒｄ的磨损 ２磨损测试 方程的修改版本来计算的。他们的工作证明了该系统 磨损测试是由探测器来检测表面磨损，数据每 仿真模型和测量磨损较好一致。文中研究在滑动条件 ３０ ｒａｉｎ被传送至计算机，通过计算机开发的程序来评 下使用电平指示器（ＬＭ）进行磨损（摩擦副损失厚 估数值。凸轮轮廓的一圈分为８０个磨损点来描述。 度）测量。对磨损试验后样品丢失的质量进行了比 将试验样品固定在凸轮上。分别以９０、１００、１１０和 较。该方法可以实时和连续测量磨损，比传统技术具 １２０ ｒ／ｍｉｎ速度旋转。 收稿日期：２０１６—０５－２３ 基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（１７Ｃ０５２５）；湖南省职业院校教育教学改革研究项目（ＺＪＧＢ２０１６０４２） 作者简介：唐琴（１９８１一），女，硕士，讲师，主要从事凸轮磨损的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：１５８９６６４８０＠ｑｑ．ｃｏｒｎ。 ・５０・ 机Ｊ术 液 第４５卷 在整个测试ｒｆｌ（包括 损测试前后），磨损过程 中凸轮表向的变化 汁算机屏幕所监视；样品损失质 ｍ精度为１０ ｍｇ火 来测量。 ３结果和讨论 ２ 示在２０～８５ Ｎ负载下时１于磨损引起凸轮 表血『的外＾ｆ＾标变化 、睽拟测试前后凸轮轮廓所产生的 不同可以从 ２和 ３吞｝ＩＩｌＩ表层数据可以用作沿凸 轮轮廓磨损的一个指标． ．磨损后——磨损试验前 ４ＩＩ ｉ ３５ 篓 ｏ ２５ 凸轮轮廓 司２鼎 臃损ｊ１ 境ｌ｛１凸轮轮廓的变化 凸轮轮酾 ３ 连续４ ｈ ２０～８５ Ｎ负载情况 卜凸轮符参孑点磨损总高度值 凸轮样品轮廓的变化女ｌ１罔３所示。如果将初始凸 轮坐标作为磨损前参孑， ３线下面积等于外凸轮表 面中部铒 冗暌损 、 Ｉ大ｌ此，磨损值（单位ｎ％如 ４所示）＿１ｆ以通过这 数据根据图５所给“Ｉ自勺公式 进行汁算 ４磨损测＿｝ｌ｛＝ ｊ睽损计算值之问的关系罔 ｌ ２ ∑（９－（Ｌ２－￡１）） 日： ｎ为数据个数 ——磨损前轮廓 …一磨损后轮廓 纠５卅『 Ｊ１轮轮廓磨损 或 ，ｌｆ 轮样本的损失质量用ｌ 文所述的测量方 法米进行测揎 ．南传统疗法所得麽损测量值与使用水 平传感 所测得磨损值卡Ｈ当接近 而传统方法所测表 面质址损火计数值远小于样品磨损，『天Ｊ此汁数值町以 忽略 汁 磨损测试后，凸轮样品１卡占附币¨严重变形痕迹如冈 ６—８所示 将凸轮表向分为４个部分来分析凸轮表 面磨损特 除此之外，凸轮样品的最大损火高度ｆｆＩ 现在位 ３ 、在此部分凸轮皤损特 与其他部分不删 （ ３、ｌ冬１ ６—８），、 『皋ｉ ６被磨损凸 罔７被磨损『『ｌ】轮表 ２（［盘】 轮表面１ ６所示位置左旋９０。） 虽然从【『１］轮的位置２和伉置３可以看 一 瞒料 磨损痕迹．但 主导地位的磨损机制是粘着磨损 位 置２的ｌＪ１Ｉ轮瞵损可以认为是具有一些涂片和划痕的痕 迹轻 附睽损。位黄３凸轮 损值最大，该化置接 近凸轮尖．¨．观察到粘着膺损痕迹和严霞点蚀及一 塑性变形 、¨丁以观察到带有一些塑性变彤的严 点 蚀 、位 ｌ巾的凸轮磨损是以磨料磨损占主导的带一 些粘附磨损的磨损机制（ ３、 ６—８）． ．刚 捕电子显徽镜观察 、轮表面磨损发现：位置 ２的磨损带有点蚀，位置３的磨蚀带有一些涂片和划 痕，凸轮尖佗置４的磨损伴随塑性变形（ ８（ｃ））。 位置ｌ是低磨蚀的粘着磨损，结果 示磨损机制沿 轮表丽的标屺部分变化，磨损值从位置１至位置２只 增加了一点，而从位置２至位置３凸轮磨损表而所彳『 轮廓发生很大变化，凶此，可以认为磨损值与磨损机 制有非常密 的关系。在这种情况下，可以看Ｉ叶｛最大 磨损值预汁将出现存位置２或位置３。在这两个位置 接触而问的许多凸起物随着从位置ｌ至位置４压力的 增『Ｊｌ１而增多 、 在位 ２，在接触面发生粘合的第一阶段，【１＿Ｉ＝Ｉ凸 体可能牛Ｈ 焊接，然后焊接部分受滑动运动的影响 断裂． ．这种情况下，每个接触面的粗糙度变得更 高。 下一阶段， 轮位置３区域将与粗糙度最高表 面接触．１１． 力也比位置ｌ和位置２的更高 在这位 置，材料充 刮板，接触表面变得更粗糙。这就是为 什么磨损 位置３最大的原冈，这部分磨损机制是 带有一些涂片和擦痕的严重粘着磨损。最大磨损损失 值预汁¨：现 凸轮尖（位嚣４）的周 ，但巾于塑性 变形必定降低磨损值，从而使该位置的磨损值小于位 置３处磨损值 第ｌ４期 唐琴：凸轮轴磨损的试验研究 ・５ｌ・ （ａ）位置２ （ｂ）位置３ （ｃ）位置４ ８扫面电子显微镜下凸轮磨损表面 ４结论 （１）凸轮接触表面呈现不同磨损机制（图６—８）。 （２）最大磨损值在凸轮尖附近，即在从动件即将完成 上升处。在此区域。南于凹凸物相互作用，凸轮接触表面 出现带有磨料磨损痕迹的粘着磨损。 （３）位置２的断裂凸起物导致位置４凸轮尖呈现带有 磨料痕迹的塑性变形迹象．同时这些凸起物造成凸轮位置 ３变形。 Ｃａｓｔ Ｉｒｏｎｓ ａｇａｉｎｓｔ Ｍｉｌｄ Ｓｔｅｅｌ［Ｊ］．Ｗｅａｒ，２００６，１９８（１／２）： ２９３－２９９． ［４］ＫＡＲＡＭＩＳ Ｍ Ｂ，ＩＰＥＫ Ｒ．Ａｎ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｓｉｎｇ Ｐｏｓｓｉ— ｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｄ Ｓｉｍｐｌｅ Ｓｔｅｅｌｓ Ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ Ｃａｒｂｕ— ｒｉｚｅｄ Ｌｏｗ Ａｌｌｏｙ Ｓｔｅｅｌｓ（Ｗｅａｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒ－ ｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９７，１１９（１／２）：２５—３３． ［５］ＳＥＬＣＵＫ Ｂ，ＩＰＥＫ Ｒ，ＫＡＲＡＭＩＳ Ｍ Ｂ，ｅｔ ａ１．Ａｎ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｒｅａｔｅｄ Ｌｏｗ Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ａｌｌｏｙｅｄ （４）一般来说，凸轮的底部（位置１）由于轻负载显 示为磨料磨损：凸轮的位置２显示带有焊接和压裂凸起物 的严重粘着磨损。从动件运动及粗糙凸起物造成位置３有 凹痕和划痕（见图６—８。位置２和３） 在位置３和位置４ Ｓｔｅｅｌ（Ｂｏｒｉｄｉｎｇ ａｎｄ Ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ）［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，１０３：３ｌ０—３ｌ７． ［６］ＩＰＥＫ Ｒ，ＯＤＡＢＡＳ Ｄ．Ａ Ｗｅａｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｎｏｓｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｌｅｖｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｉｄｅｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ［Ｃ］／／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｅａｎ Ｃｏｎ— 之间的粗糙凸起物变形产生磨损，这使两表面凸起物变光 滑。因此，随着从动件的运动，凸轮尖（图８，４－２ 位置） 表面粗糙度变得越来越好 ｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ．Ｋａｙｓｅｒｉ，２０１４． ［７］唐少雄，马力，杨代华，等．内燃机凸轮磨损的动态仿真 ［Ｊ］．武汉理Ｔ大学学报（信息与管理Ｔ程版），２００２．２４ （５）：１１７—１２０． ＴＡＮＧ Ｓ Ｘ．ＭＡ Ｌ．ＹＡＮＧ Ｄ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ （５）干滑动条件下进行磨损的试验结果在润滑滑动条 件下得以验证 实验表明：沿凸轮轮廓的不同磨损机制致 使沿凸轮轮廓需要进行不同的热处理 、 参考文献： ［１］ＡＬＡＭＳＹＡＨ Ｃ，ＤＩＬＬＩＣＨ Ｓ，ＰＥＴＴＩＴ Ａ．Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｎｉｔｉａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｉｎｉｓｈ ｏｎ Ｃａｍ Ｗｅａｒｌ Ｊ【．Ｗｅａｒ，１９９９，１３４（１）：２９—４７． Ｃａｍ Ｗｅａｒ ｉｎ ａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｌ—ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ ｌＪ Ｉ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ），２００２，２４（５）：１１７—１２０． ［２］ＫＡＮＯ Ｍ，ＫＩＭＵＲＡ Ｙ．Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃａｍ Ｆｏｌｉｏ— ｗｅｒ Ｗｅａｒ ｉｎ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ Ｖａｒｉｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］． Ｗｅａｒ，１９９３，Ｓ １６２—１６４（３）：８９７—９０５ 『８］李宝良，江亲瑜．凸轮机构系统磨损及可靠性寿命的数 值仿真［Ｊ］．摩擦学学报，２００４，２４（６）：５５０－５５４． ＬＩ Ｂ Ｌ．ＪＩＡＮＧ Ｑ Ｙ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｅａｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｌｉｆｅ ｏｆ Ｃａｍ—ｆｏｌｌｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉ Ｊ Ｉ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ［３］ＭＡＳＪＵＫＩ Ｈ Ｈ，ＭＡ１ ＥＱＵＥ Ｍ Ａ．Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｐａｌｍ Ｏｉｌ Ｄｉｅｓｅｌ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｏｎ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｗｅａｒ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，２００４，２４（６）：５５０～５５４．
