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Analysis of Abnormal Wear of Engine Camshaft
发动机凸轮轴异常磨损分析
收稿日期:2020-07-21
作者简介：刘高领(1982 )，男，硕士研究生，工程师，研究方向为发动机零部件开发㊂E -mail:gaoling.liu@sagwld㊂
DOI :10.19466/jki.1674-1986.2021.01.014
发动机凸轮轴异常磨损分析
刘高领，韦锦易，翟克娇，姚博炜
(柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司，广西柳州545006)
摘要：某型发动机在运行早期出现异响，经拆解发现凸轮轴存在异常磨损，从凸轮与挺柱的材质㊁硬度㊁凸轮轴型线等方面进行分析，得出凸轮轴与挺柱的偏心量设计不合理是凸轮轴磨损的主要原因㊂通过优化凸轮轴型线，变更挺柱设计，显著改善了凸轮轴的磨损情况㊂
关键词：凸轮轴；异常磨损；气门挺柱中图分类号:U464.134
Analysis of Abnormal Wear of Engine Camshaft
LIU Gaoling,WEI Jinyi,ZHAI Kejiao,YAO Bowei
(Liudong Branch,SAIC Liuzhou Automobile Transmission Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545006,China)
Abstract :A certain type of engine appears abnormal noise in the early stage of operation,and abnormal wear of camshaft was found after
disassembly.The material,hardness of CAM and tappet,camshaft profile line were analyzed.It is concluded that the main reason of cam-shaft wear is that the eccentricity design of camshaft and tappet is unreasonable.By optimizing the profile of camshaft and changing the design
of tappet,the wear condition of camshaft is significantly improved.
Keywords :Camshaft;Abnormal wear;Valve tappet
0㊀引言
配气机构是发动机的关键子系统，凸轮轴与挺柱作为配气机构中最重要的摩擦副，凸轮轴的故障直接影响到发动机的使用性能和工作可靠性[1]㊂凸轮轴的常见故障包括磨损㊁异响以及断裂等，而异响及断裂往往又同时伴随着早期磨损的发生㊂凸轮轴的磨损问题比较复杂，影响其磨损的原因较多，如凸轮轴与挺柱之间的材料硬度匹配㊁凸轮型线㊁挺柱结构，气门弹簧力㊁机油润滑等[2
-3]
㊂
1㊀故障模式
凸轮磨损宏观形貌如图1所示㊂气门挺柱如图2所示
㊂
㊀
㊀㊀㊀图1㊀凸轮磨损宏观形貌㊀㊀㊀㊀㊀㊀图2㊀气门挺柱
某型配置有双顶置凸轮轴结构的四缸汽油发动机，曾出现多起凸轮轴磨损异常并且导致发动机出现异响的情况㊂经检查
发现，在进气凸轮轴的桃尖附近出现不同程度的磨损情况，比较严重的会在凸轮桃尖处出现明显圆弧压痕，如图1所示，而对应的挺柱(图2)没有异常现象㊂出现异常磨损的发动机行驶里程集中在5000km 以内，属于早期异常磨损㊂
2㊀原因分析
2.1㊀凸轮轴检测
2.1.1㊀材料分析
凸轮轴材料为冷激铸铁，将磨损的凸轮进行材料成分分
析，分析结果见表1，由表1可知，检测的材料成分符合技术要求㊂
表1㊀凸轮轴材料成分
%
㊀
C
Si
Mn
S
P
测量结果 3.34 2.310.690.0130.033设计要求
3.0~3.4
1.9~
2.4
0.6~0.9
ɤ0.12
ɤ0.2
2.1.2㊀硬度检测
凸轮桃尖采用冷激处理，桃尖硬度要求为48~56HRC ，其
余部位不小于40HRC ；将凸轮按图3所示进行硬度检测，测量结果见表2，由图和表可知符合技术要求㊂
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Analysis of Abnormal Wear of Engine Camshaft
发动机凸轮轴异常磨损分析
图3㊀凸轮硬度测量位置
表2㊀凸轮硬度要求
测量点a b c d e 测量结果52
5249.5
51
50
设计要求
48~56HRC
ȡ40HRC
2.1.3㊀金相组织分析
按照设计要求，铸铁凸轮轴凸桃冷激区应为白口组织：莱氏体+细针状碳化物细片状(或粒状)珠光体，允许少量游离
点状石墨存在㊂检查石墨形状及长度，结果如图4所示，出现少量点状+团状石墨；用3%硝酸酒精腐蚀后检查珠光体含量及碳化物数量，结果如图5所示，出现莱氏体+少量珠光体，测量结果符合技术要求
㊂
㊀
㊀㊀图4㊀点状+团状石墨㊀㊀㊀㊀㊀图5㊀莱氏体+少量珠光体
2.2㊀挺柱检测
挺柱设计材料为合金机构钢SCM415，挺柱表面碳氮共渗,
并经淬火㊁回火处理㊂为了提高产品耐磨性，减少摩擦损耗，降低油耗，在挺柱端面(凸轮接触面)涂覆DLC (类金刚石)涂层，涂层硬度不小于2000HV0.002㊂通过检测，挺柱的硬
度以及材料符合技术要求㊂
发动机异响2.3㊀型线分析
2.3.1㊀凸轮与挺柱接触应力分析
通过搭建动力学模型进行CAE 分析，如图6和图7所示,
以1000r /min 为例，在1000~6600r /min 转速范围内，凸轮
与挺柱的接触应力均小于700MPa 的限值要求，接触应力并非
凸轮异常磨损的原因
㊂
图6㊀
动力学模型
图7㊀凸轮与挺柱接触应力
2.3.2㊀偏心率分析
在凸轮轴的型线设计中，需要评估凸轮和挺柱之间的偏
心率是否满足要求，偏心率即凸轮与挺柱的接触点与挺柱轴心的距离㊂按照经验，凸轮在运动过程中，凸轮与挺柱的接
触线与挺柱边缘的距离需要大于0.6mm ，结合挺柱直径尺寸校核，最大偏心率需小于12.71mm ㊂利用Lotus 软件对凸轮
轴型线进行分析，如图8所示，发现最大偏心率达到了14.12
mm ，也就表明实际运行时凸轮已经超出了挺柱边缘，不满足要求
㊂
图8㊀凸轮和挺柱之间偏心率
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2.4㊀综合分析
综上分析，凸轮轴与挺柱的材料㊁硬度㊁金相组织均满足
设计要求，非零件质量问题㊂导致凸轮轴异常磨损原因是凸轮轴的型线不符合偏心量要求，在凸轮轴的旋转运行过程中，凸轮与挺柱的接触线已经超出挺柱端面，桃尖始终会受到挺柱边缘的敲击，另外由于挺柱端面涂覆有DLC 涂层，涂层硬度远远高于凸轮轴，且挺柱端面边缘为锥角过渡，故加剧了磨损㊂
3㊀改善措施及验证
3.1㊀优化型线
更改凸轮轴的型线设计，通过减小偏心率，在任何情况下
避免凸轮与挺柱的边缘进行接触，是解决磨损问题的方法之一㊂利用AVL EXCITE TD 软件对配气机构进行建模并仿真分
析[4]，对凸轮轴型线进行优化，优化后的型线在满足原发动机
性能的前提下，同时也满足偏心率的要求以及整个配气机构运动学的其他指标，分析结果见表3㊂
表3㊀运动学分析结果
运动学评价
评价指标
现有型线优化后型线最大加速度/(mm ㊃(ʎ)-2)ɤ0.030.0290.028最大速度/(mm ㊃(ʎ)-1)ɤ0.30.2470.21最小曲率半径/mm ȡ2.5 3.66 3.19最大曲率半径/mm ɤ1000112109最大偏心率/mm <12.7114.1212.06零转速凸轮转矩/(N ㊃mm)ɤ1000035843474设计转速凸轮转矩/(N ㊃mm)ɤ300001811715072桃尖处润滑系数/(mm ㊃rad -1)ȡ6
15.4916.13
最小活塞气门间隙/mm
ȡ10%气门升程
2.18 2.29
3.2㊀挺柱更改
挺柱更改如图9所示
㊂
图9㊀挺柱更改示意
㊀㊀凸轮和挺柱之间的硬度差会影响二者之间的磨损[5]㊂此次
改善的方向是降低凸轮和挺柱之间的硬度差，取消挺柱端面DLC 涂层，挺柱只进行碳氮共渗，端面硬度由原DLC 涂层的
2000HV0.002降低为680~850HV10，并且将挺柱端面的锐利锥角更改为圆角过渡，降低挺柱对凸轮的敲击磨损㊂
3.3㊀试验验证
为了验证原因分析的正确性以及改进措施的有效性，装配
3台发动机进行台架耐久验证，验证结果见表4㊂
表4㊀台架验证结果
验证方案
原型线+原挺柱原型线+更改后挺柱优化后型线+原挺柱验证结果
凸轮磨损严重(不可接受)
凸轮轻微磨痕(可接受)
无磨痕(可接受)
4㊀结论
根据分析及试验验证结果可知，凸轮轴型线设计不合理是导致凸轮轴发生异常磨损的主要原因，可以采取如下改进措施进行消除:
(1)改善型线设计，减小偏心率，避免凸轮与挺柱在边缘位置接触，可完全解决磨损所导致的异响问题㊂
(2)若不能变更凸轮型线，通过更改挺柱结构设计，并且取消端部DLC 涂层，降低凸轮轴与挺柱之间的硬度差，也能有效地降低凸轮轴磨损㊂
参考文献:
[1]尚汉冀.内燃机配气凸轮机构 设计与计算[M].上海：复旦
大学出版社,1988.
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[4]唐海娇，夏志豪.基于AVL EXCITE TD 的凸轮型线仿真优化
[J].汽车工程师,2014(3):23-27.
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现代车用动力,2013(2):48-51.
ZHAO H J,YUAN B L,LI X J,et al.Experimental study on tappet /
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