使用 ANSYS 分析内燃机凸轮和从动组件的摩擦学参数

凸轮是一种旋转元件，通过直接接触为从动件（该机器的另一个组件）提供振荡或往复运动。[6]该部件主要用于将旋转运动转换为另一部件的直线运动。根据应用的不同，可以有不同类型的凸轮轮廓，例如盘形或板形凸轮、圆柱形凸轮、平移凸轮、楔形凸轮和螺旋凸轮。从动件，也称为滚子，是直接跟随凸轮运动的旋转或摆动机器部件。从动件的类型有刀口从动件、滚子从动件、平面从动件、球形从动件和偏置从动件。了解凸轮和从动机构对于发动机所需的性能至关重要，因为内燃机的入口阀和输出阀均由这些机构控制。

关于凸轮从动件的研究较多，现总结如下。HD德赛等人。[1]为了预测从动件何时脱离凸轮，本研究的作者对凸轮和从动件进行了彻底的运动学和动力学分析。通过动态力分析确定设计失败的凸轮接触力和运动学参数值。但作者在分析时并未考虑材料选择的影响。古拉布劳·帕蒂尔和苏塔里亚[2]研究了润滑油中不同浓度的抗磨添加剂对凸轮从动件副摩擦学参数的影响。作者得出的结论是，抗磨添加剂的最佳浓度取决于具体应用以及凸轮从动件对中使用的材料类型。Nega Tesfie Asfaw [3]专注于使用有限元方法对凸轮和从动件系统进行磨损分析（有限元法）。在结果部分，作者介绍了特定凸轮和从动件系统的磨损分析，其中包括显示磨损模式和磨损量的图表。作者还对模拟获得的磨损与物理实验中观察到的实际磨损进行了比较。本研究的结果是，根据理论和 ABAQUS 软件结果，对于气门机构的上升动作，接触压力随着凸轮角度的增加而增加。总的来说，本文为摩擦学领域做出了宝贵的贡献通过演示使用有限元方法进行凸轮和从动件系统的磨损分析。然而，该研究仅限于特定的凸轮和从动件系统，需要进一步研究来探索材料对摩擦学性能的影响。Patel [4]作者全面概述了有关凸轮和从动件系统建模、设计和分析的文献。除了讨论当前研究的局限性和差距之外，作者还介绍了众多研究论文及其对该领域的贡献。桑杰·库马尔等人。[5]在本文中，作者对摩擦学性能进行了研究凸轮和从动件的，包括接触压力；von 错过了凸轮/从动件接触的应力和表面磨损分析。作者进行了不同转速下凸轮表面磷酸锰和铬涂层的实验。他们的研究发现，磷酸锰在减少磨损方面更有效，而且经济且容易在市场上获得。尽管如此，这项研究采用了两种涂层中相似的凸轮材料。

摩擦学是相对运动中相互作用的表面的科学和工程。传统的摩擦学研究侧重于发动机和机器零件的有效性、耐用性和性能。在摩擦学的许多领域，接触压力、磨损率和赫兹接触应力等摩擦学特性至关重要。发动机和其他应用的性能取决于对凸轮和从动件特性的分析，这是摩擦学的一部分。上述文献综述表明，人们对凸轮从动件进行了许多研究。研究人员已经证明了润滑的效果磨损率、抗磨添加剂在润滑中的作用、凸轮从动件副的运动学和动力学分析等。但目前缺乏对凸轮和从动件材料选择的单独影响的研究。这是我们发现的研究差距，我们的研究证明了更好的凸轮和从动件材料对其摩擦学性能的影响。本研究的目的是展示如何选择更好的材料来降低摩托车内燃机凸轮从动件接触的接触压力和赫兹接触应力。使用ANSYS软件进行比较分析，并对结果进行讨论。我们的研究结果确定了凸轮轴高旋转速度下最有可能发生疲劳的接触位置。因此，这项研究对于防止摩托车内燃机气门机构机构中部件的磨损和疲劳也很有效。

可以使用不同的材料来制造凸轮和从动件。[10]凸轮和从动件是否必须由相同材料或不同材料制成由制造商决定，具体取决于发动机要求。然而，在整个研究过程中，凸轮和从动件采用的材料是相同的。也就是说，我们首先使用结构钢制成的凸轮从动件对，然后使用灰口铸铁。此外，摩托车内燃机中最常见的凸轮类型是盘形凸轮，凸轮轮廓是根据从动件精确打开和关闭内燃机中气缸阀门所需的运动类型而制作的。引擎。球形从动件通常用于内燃机，因此我们还创建了球形从动件的几何形状。我们本研究的目的是仅分析摩擦学特性，因此我们创建了仅包含 5 个组件的气门机构的简化版本，即 凸轮轴、凸轮、从动件、底座和弹簧。在 ANSYS 中分析装配体时需要牢记一些注意事项。首先，用于分析的凸轮和从动件的尺寸是摩托车内燃机的尺寸。使用的 3D 几何形状必须精确。此外，在预期的运行速度下，凸轮上的转动惯量应防止凸轮发生故障。也就是说，必须以凸轮不会承受失效应力的方式选择转速。凸轮上的转动惯量应防止凸轮发生故障。也就是说，必须以凸轮不会承受失效应力的方式选择转速。凸轮上的转动惯量应防止凸轮发生故障。也就是说，必须以凸轮不会承受失效应力的方式选择转速。

2.1 . 凸轮和从动件建模

SolidWorks 是 Dassault Systems 发布的实体建模计算机辅助设计 (CAD) 和计算机辅助工程 (CAE) 应用程序。我们使用该软件创建了零件和最终装配，并将其保存为 IGES 格式，以便可以将该几何图形导入 ANSYS Mechanical 软件中以进行进一步的有限元分析。这可以从图2.1、图2.2中看出。

图2.1. 凸轮和从动件组件的 3D 模型

图2.2. ANSYS 中凸轮从动件组件的尺寸

2.2 . 材料和性能

欧洲使用的结构钢牌号有多种，包括 S195、S235、S275、S355、S420 和 S460。这三种结构钢经常用于整个欧盟的各种类型的建筑项目。然而，本研究采用的是 S555 的材料特性。S355具有重量％最多0.23％的C、重量％最多1.60％的Mn、重量％最多0.05％的P、重量％最多0.05％的S和重量％最多0.05％的Si。灰铸铁含有 2.5%–4% 的 C、1%–3% 的硅，并添加了按重量计 0.1% 至 1.2% 的锰。[7] .

为了找到边界值问题的粗略解决方案，需要使用一种称为有限元法的数值技术（FEM）将系统划分为更简单和更小的部分。对结构进行结构研究的一种方法是有限元法。任何结构的研究都从其几何形状的定义开始，这取决于将要执行的模拟分析的类型。由于我们的研究重点是寻找相对运动的两个物体之间的参数，因此我们必须对其进行有限元分析。进行静态结构分析，为此需要一些假设。首先，凸轮与从动件表面之间的摩擦系数是恒定的。其次，在特定的模拟过程中，所有部件均由相同的材料制成。最后，结构对凸轮轴恒定转速的响应相对于时间而言极其缓慢；材料是各向同性的；没有振动；并且空气动力阻力可以忽略不计。

将模型导入ANSYS仿真软件中，利用ANSYS中的共享拓扑特征对从动活塞进行进一步划分。共享拓扑操作的目标是保证链接的实体具有共享的面，这使得创建共形网格变得更加容易。弹簧端粘合到支撑件上，并且从动件支架使用固定支撑件命令进行固定，因为它为弹簧提供了阻力。（表1）

表 1 . 在 SolidWorks 中获取的装配尺寸[3]

分析涉及多个步骤。首先，对齐几何形状，使从动件和凸轮相互接触（而不是穿透）。调整弹簧使其接触从动件；如果弹簧穿透从动件，则将其分开并删除穿透部分。要创建结构化网格，请将零件分为多个部分。定义适当的材料属性。我们使用了表 2中给出的那个以下 。在 ANSYS 中，在有限元分析之前应用接头和接触至关重要。边界条件如下：对于关节：从动件有 1 个平移关节，凸轮有 1 个旋转关节（转速为 2000）。凸轮与从动件之间采用系数为0.1的摩擦接触进行接触。在弹簧和从动件之间形成粘合接触。为从动支架（底座）创建固定支撑，因为它为弹簧提供阻力。向凸轮提供 2000 rpm 的旋转速度。我们在弹簧接触设置中使用法向刚度系数 0.001。

表 2 . 材料的特性[7] , [8]

3.1 . 模型网格划分

使用 FEA 模型提供正确结果的基本要素之一是网格划分。网格中的元素必须考虑许多因素才能正确离散化应力梯度。我们试图尽可能实现结构化网格。为此，我们将从动件的几何形状划分为子部分。使用空间声明中的“共享拓扑”选项，我们连接了相同部分的节点。我们执行了多区域、膨胀、边缘尺寸调整、主体尺寸调整、面网格划分等操作，以结构化方式对对象进行网格划分。混合网格的 3D 网格由用于弹簧的 4 节点四面体元素和用于凸轮、活塞和底座的六面体元素创建。底部的固定支撑将限制其处节点的自由度（图 3.1a）。

图3.1a. 凸轮与从动件啮合装配

网格划分后，从静态结构树中选择分析设置，并定义步骤和子步骤的数量。之后，从解决方案树中选择所有所需的参数。在本次模拟中，凸轮旋转了 225°，我们没有进行 360° 旋转的模拟，因为凸轮的上部是球形的，因此对于恒定的半径，应力将是恒定的。为了减少计算时间，我们对225°进行了分析，即凸轮将旋转225°，并且其间必须达到最大赫兹接触应力和接触压力的值。计算时间或模拟结束时间的计算如下，

凸轮旋转速度：2,000 RPM。

输入角度 = 225°

这意味着我们的模拟将运行 0.01875 秒。

接触力学的两个重要参数是赫兹接触应力和接触压力。[9]当两个曲面接触并由于施加的载荷而逐渐变形时产生的局部应力称为赫兹接触应力。而典型载荷（接触力）与实际接触面积的比值就是接触压力。接触应力是由于压力而产生的。由于仿真时间很短，因此在ANSYS中进行静态结构分析。我们的研究重点是摩擦学参数，因此显示了接触区域的模拟结果。与该研究相关的所有结果和讨论如下。

4.1 . 赫兹接触应力

图3.1b. 凸轮与从动件接触处啮合

4.2 . 接触压力

表3给出了从ANSYS软件获得的参数的比较值。图4.1a显示结构钢材料的赫兹接触应力最大值为9.89 MPa。该最大应力值是在凸轮角度 100.116° 时在 0.0083438 秒内获得的。图 4.1b显示灰口铸铁材料的赫兹接触应力最大值为 5.52 MPa。该应力最大值是在 100.68° 凸轮角度下 0.0083906 秒时获得的。

表 3 . 从 ANSYS 软件获取的参数值

图4.1a. 结构钢的赫兹接触应力。最大值 = 9.89 MPa

图4.1b. 灰铸铁的赫兹接触应力。最大值 = 5.52 MPa

由图 4.2a可知，结构钢材料的最大接触压力值为 16.20 MPa。在 97.8° 凸轮角时，在 0.0081563 s 内获得最大接触压力。同样，图 4.2b显示灰铸铁材料的接触压力最大值为 8.96 MPa。最大接触压力在 98.43° 凸轮角处于 0.0082031 秒内获得。这些比较结果清楚地表明，对于相同的凸轮旋转速度，灰铸铁材料具有低得多的最大赫兹接触应力和接触压力。研究中还获得了其他参数，这些参数在上面的表 3中明确提到。

图4.2a. 结构钢的接触压力。最大值 = 16.20 MPa

图4.2b. 灰口铸铁的接触压力。最大值 = 8.96 MPa

4.3 . 轮廓区域

无花果。4.3 (a) 和 (b) 分别突出显示灰口铸铁和结构钢材料的最大赫兹接触应力位置区域。它表明最大应力将出现在从动件的球形半径内。红色轮廓表示该区域。这解释了为什么从动件在凸轮轴高转速的情况下更容易出现故障。无花果。4.4(a) 和 (b) 分别突出显示灰铸铁和结构钢材料的最大和最小接触压力的位置。从图中可以看出，最大接触压力将出现在中间接触点，最小接触压力将出现在接触边缘。最大压力区域由红色等高线表示，最小压力区域由深蓝色等高线表示。因此，我们确定了失败可能性最高的区域。

图4.3. 最大赫兹接触应力的位置

图4.4. 最大和最小接触压力的位

4.4 . 地块

在分析的后处理中，我们获得了各种图表。这些在下面的本节中给出。

图 4.1a和图 4.1b分别显示了结构钢和灰铸铁材料的赫兹接触应力与接触压力图。该图表的行为几乎是线性的，应力值随着接触压力的增加而增加。

图4.1a. 结构钢材料的应力与压力图

图 4.1b. 灰铸铁材料的应力与压力图

图 4.2 (a) 和 (b) 为结构钢材料。图 4.2 (a) 显示了最大赫兹接触应力与凸轮角度的关系。最大应力明显增加，然后在凸轮角度 100.116° 处达到最大值后减小。图 4.2 (b) 显示了最大接触压力与凸轮角度的关系。接触压力在凸轮角度为 97.8° 时明显增加到最大值，然后下降。

图4.2. (a) 和 (b) 结构钢材料

表 4.3 (a) 和 (b) 适用于灰口铸铁材料。图 4.3 (a) 显示了最大赫兹接触应力与凸轮角度的关系。它表明应力最初增加，在 100.68° 凸轮角处达到最大值，然后减小。图 4.3 (b) 显示了最大接触压力与凸轮角度的关系。结果表明，接触压力在凸轮角度为 98.43° 时增加到最大值，然后下降。

图4.3.  (a) 和 (b) 灰口铸铁材料

在本文中，我们使用 ANSYS 进行了有限元分析 (FEA)，该分析用于确定摩托车内燃机凸轮和从动件对的重要摩擦学参数，例如接触压力和赫兹接触应力。凸轮和从动件/滚子的材料选择对于内燃机气门机构机构的性能至关重要。因此，我们使用了灰口铸铁和结构钢材料，这两种材料都是优良的制造材料。在本研究中，我们以固定的旋转速度旋转凸轮不同的凸轮角度。确定并比较了两种类型材料的赫兹接触应力和接触压力值。我们的分析结果表明，与结构钢相比，灰铸铁材料的赫兹接触应力和接触压力值较低。因此，灰铸铁是制造内燃机凸轮和从动件的更优选的替代品。重要的是要记住，凸轮从动件的材料选择不仅取决于其机械性能。材料的选择还会受到成本、制造工艺和设计要求等其他因素的影响。重要的是要记住，在选择凸轮材料之前，用实验数据检查 FEA 结果始终是一个好习惯。这有助于确保 FEA 的准确性并提高模拟结果的可信度。

我们工作的其他发现还表明，最大应力将在从动件的球形半径内产生。这解释了为什么从动件在凸轮轴高转速的情况下更容易发生故障。此外，最大接触压力将出现在中间的接触点处，而最小接触压力将出现在接触边缘处。因此，我们确定了失败风险最大的领域。

原始文献：

Kumar Vardaan, Paras Kumar,

Tribological parameters analysis of cam and follower pair used in IC engine using ANSYS,

Materials Today: Proceedings,

2023,

,

ISSN 2214-7853,

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.05.525.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785323031607)

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文章来源：本硕博工程师俱乐部